연구진, 잉어의 수컷 발달을 결정하는 유전자 ‘판구’ 확인

작은 유전자 하나가 중요한 발달의 갈림길을 결정한다

아미노산 76개로 이뤄진 펩타이드를 암호화하는 유전자가 잉어가 정소와 난소 중 어느 쪽으로 발달할지를 결정할 수 있다는 연구 결과가 Science Advances에 발표됐다. pangu라는 이름의 이 유전자는 Y염색체의 1,487 염기쌍 DNA 구간에 자리한다. 이 유전자의 기능을 억제하자 유전적으로 수컷인 잉어가 난소를 발달시켰고, 유전적으로 암컷인 잉어에 이 유전자를 도입하자 정소가 발달했다.

이번 발견으로 담수어의 대규모 분류군인 잉어과에서 실험으로 기능이 검증된 최초의 성 결정 마스터 유전자가 확인됐다. 가장 강력한 근거는 황하 잉어를 대상으로 한 실험에서 나왔으며, 홍잉어와 비단잉어에서도 추가 기능 검증이 이뤄졌다. 다만 잉어과의 모든 종이 같은 유전자를 사용한다는 점까지 입증한 것은 아니다.

상하이해양대학 후웨이 교수가 중국과학원 수생생물연구소 등 여러 기관과 협력해 연구를 이끌었다. 이번 연구는 10년 넘는 조사 끝에 이뤄졌다. 연구진은 수컷 발달을 시작시키는 유전자의 역할을 반영해, 중국 신화에서 천지개벽을 이룬 태초의 창조신 판구의 이름을 따 유전자 이름을 지었다.

Science Advances 연구는 ‘A helix-loop-helix gene orchestrates male fate in common carp’라는 제목으로 제12권 제41호에 실렸다. 학술지 메타데이터에는 발행일이 2026년 10월 9일로 기재돼 있으며, 발표 자료는 베이징 시간으로 10월 10일에 출판됐다고 설명한다. 두 날짜는 시차를 고려하면 서로 일치한다.

성 결정 스위치를 찾기 어려웠던 이유

잉어는 XX/XY 유전적 성 결정 체계를 갖는다. 암컷은 대개 X염색체 두 개, 수컷은 X염색체와 Y염색체를 하나씩 지닌다. 하지만 이 체계를 알고 있다고 해서 발달 중인 생식기관을 난소가 아닌 정소로 이끄는 유전자가 무엇인지 밝혀지는 것은 아니었다.

이번 연구에 앞서 발표된 잉어 유전체는 논문에서 다룬 바에 따르면 XX 암컷의 것이었다. 연구진은 조사에 필요한 Y염색체 서열을 포함한 수컷 기준 유전체가 없어 어려움을 겪었다. 반복 DNA 서열과 종의 배가된 유전체도 탐색을 복잡하게 했다.

잉어는 이질사배체로, 잡종 형성을 거쳐 합쳐진 두 조상 염색체 세트 A와 B로 유전체가 이뤄져 있다. 논문은 두 조상 계통이 약 2,300만 년 전에 갈라졌고, 약 1,240만 년 전에 합쳐졌다고 본다. 유전자와 DNA 구간의 유사한 복제본 때문에 수컷에만 특이적으로 나타나는 서열을 찾기가 어려울 수 있다.

어류의 다른 분류군에서는 이미 성 결정 유전자가 알려져 있었기에 이 공백은 두드러졌다. 연구 서론은 약 20개 과에 속하는 경골어류 약 140종에서 서로 다른 유전자 28개 이상이 확인됐다고 설명한다. 판구는 어류 전반에 적용되는 보편적 원리를 세운 것이 아니라, 잉어류 연구에서 빠져 있던 부분을 채운다.

어류 101마리에서 Y염색체의 작은 삽입 구간까지

연구진은 먼저 황하 잉어 수컷의 유전체를 조립했다. DNA 염기 16억7,000만 개에 걸쳐 50개 염색체 서열을 포함했다. 이어 수컷 형제자매 50마리와 암컷 형제자매 50마리, 그리고 암컷 부모를 포함해 총 101마리를 재시퀀싱했다.

수컷과 암컷에서 DNA 조각이 나타나는 양상을 비교해 연구진은 처음에 수컷 특이 후보 조각 428개를 찾아냈다. 이 가운데 가능성이 높은 두 후보를 골라 추가 검증했다. 확인된 조각 하나는 길이가 847 염기쌍이었으며, 염색체 B25 말단 가까이에 위치한 더 큰 삽입 구간 안에 있었다.

클로닝과 시퀀싱 결과, 이 더 큰 구간에는 수컷 특이 서열 1,487 염기쌍이 포함된 것으로 확인됐다. DNA 커버리지를 별도로 분석한 결과도 같은 염색체 구간을 가리켰다. 지리적으로 다양한 잉어 집단을 대상으로 한 검사에서도 해당 서열과 수컷의 연관성이 뒷받침됐다.

염색체 영상 분석으로도 이를 확인했다. 해당 서열을 표적으로 하는 탐침은 XY 및 YY 수컷에서 신호를 보였지만 XX 암컷에서는 신호가 나타나지 않았다. YY 개체의 신호 수는 XY 개체의 두 배였으며, 이는 해당 서열이 Y염색체에 있다는 점과 일치한다. 이 검사로 후보 서열의 위치는 확인됐지만, 실제 기능을 입증하려면 기능 실험이 더 필요했다.

정소가 형성되기 전에 활성화되는 판구

연구진은 Y염색체 삽입 구간에서 길이 447염기인 전사체와 231염기 길이의 코딩 서열을 만드는 유전자를 확인했다. 이 서열은 아미노산 76개로 이뤄진 판구 펩타이드를 암호화한다. 주요 단백질 데이터베이스를 검색했지만 기존에 주석이 달린 유전자와 유의미한 유사성은 발견되지 않았다.

판구에는 단백질이 유전자 활성 조절에 관여하는 다른 단백질과 상호작용하도록 돕는 구조적 특징인 헬릭스-루프-헬릭스 도메인이 있다. 일부 단백질에서 직접 DNA 결합과 흔히 연관되는 인접 염기성 영역에 대해서는 강한 근거가 발견되지 않았다. 이 차이는 판구가 하위 표적을 어떻게 조절하는지 살펴볼 때 중요하다.

유전자의 활성 시점도 성 발달을 유도하는 역할과 부합했다. 수정 후 19일부터 전사체가 검출됐으며, 이는 육안으로 성 분화가 시작되는 것으로 보고된 수정 후 35일보다 이른 시점이다. 발현은 64일째 정점에 도달한 뒤 92일 이후 감소했다.

개별 세포 분석에서는 추정 세르톨리세포로 확인된 일부 세포에서 발현이 가장 강하게 나타났다. 세르톨리세포는 정자를 만드는 생식세포가 아니라 정소 발달을 돕는 지지세포다. 조직 영상 분석에서도 세르톨리세포와 관련된 발현이 뒷받침됐다. 이미 알려진 다른 조절인자들은 발현 정점이 더 늦게 나타났으며, 이는 판구가 발달 과정의 초기에 작용한다는 해석과 일치한다.

유전자를 제거하거나 추가하자 발달 방향이 바뀌었다

결정적인 실험에서는 제안된 스위치의 양방향 기능을 시험했다. 연구진은 CRISPR 편집을 이용해 XY 잉어에서 pangu 기능을 깨뜨렸다. 수정 후 35일부터 발달 중인 생식샘에 난소강이 형성되고 난소 발달 양상이 나타났으며, 결국 난자 발달의 증거를 보이는 난소가 생겼다.

변화는 조직의 외형에 그치지 않았다. 암컷 분화 유전자 foxl2의 활성이 높아졌고, 수컷 분화 유전자 amh와 dmrt1의 활성은 낮아졌다. 단백질 측정에서도 같은 양상이 나타났다. 테스토스테론과 11-케토테스토스테론 수치는 떨어졌고 에스트라디올은 증가해 암컷의 호르몬 양상에 가까워졌다.

YY 잉어를 대상으로 한 별도 실험에서는 pangu의 기능성 사본 하나를 남겨뒀다. 이 개체들은 정상적인 수컷 생식샘 발달을 유지했다. 이는 시험 조건에서 기능성 사본 하나만 남아도 수컷 발달 경로를 유지할 수 있다는 결과를 뒷받침한다.

반대 방향 실험에서는 연구진이 pangu와 주변 서열을 포함한 DNA 구성체를 XX 개체에 도입했다. 유전적으로 암컷인 잉어에서 정자가 형성된 흔적이 있는 정소가 발달했고, 유전자·단백질·호르몬 발현도 수컷 양상을 보였다. pangu를 추가하자 기능성 사본이 없는 XY 돌연변이 개체에서도 정소 발달이 회복됐다.

두 방향의 실험을 종합하면, 시험한 잉어에서 pangu는 수컷 성 결정에 필요하며 그것만으로 충분하다는 점을 보여준다. 기능을 제거하면 발달이 난소 쪽으로 바뀌고, 유전자를 추가하면 정소 쪽으로 바뀔 수 있다. 염색체 자체가 XX에서 XY로, 또는 그 반대로 바뀌는 것은 아니며 발달 결과가 달라지는 것이다.

난소 발달 경로를 차단하면 효과를 설명할 수 있다

연구는 cyp19a1a를 판구의 초기 하위 표적으로 확인했다. 이 유전자는 에스트로겐 생성에 관여하는 효소인 난소 아로마타제를 암호화한다. cyp19a1a의 활성은 난소 분화를 돕기 때문에, 초기 수컷 결정 신호가 발달 방향을 바꾸는 경로로 작용할 가능성이 있다.

cyp19a1a 활성 차이는 수정 후 19일째부터 이미 나타났다. pangu 기능을 깨뜨린 XY 개체에서는 발현이 증가했고, 도입 유전자를 지닌 XX 개체에서는 감소했다. 성 분화와 관련된 다른 여러 유전자에서는 이와 비슷한 초기 변화가 나타나지 않았다.

사람의 실험실 세포와 비단잉어 지느러미에서 유래한 세포주를 이용한 실험에서 판구는 cyp19a1a 두 사본의 조절 영역에서 활성을 낮췄다. 헬릭스-루프-헬릭스 도메인이 온전하지 않은 돌연변이 판구는 이런 기능을 잃었다. 이는 펩타이드의 구조가 조절 효과와 연관돼 있음을 보여준다.

가장 강력한 검증은 물고기 자체에서 이뤄졌다. XY pangu 돌연변이의 cyp19a1a를 교란하자 제안된 수컷 스위치가 사라졌는데도 정소 발달이 회복됐다. 이 유전적 구제 실험은 cyp19a1a가 pangu의 하위에 있음을 보여준다. 난소 발달 경로를 차단하면 상위 신호가 없어도 발달을 이어갈 수 있다는 뜻이다. 근거는 판구가 적어도 일부는 cyp19a1a를 억제해 수컷 발달을 촉진한다는 기전을 뒷받침하지만, 관련된 모든 분자 단계를 밝힌 것은 아니다.

황하 잉어를 넘어 어디까지 적용될까?

연구진은 잉어의 두 주요 아종 집단을 대표하는 수컷에서 pangu를 검출했다. 여기에는 동아시아 집단의 황하 잉어, 홍잉어, 비단잉어와 유럽 집단의 독일 거울잉어가 포함됐다. 잉어속의 다른 종인 Cyprinus acutidorsalis에서도 수컷 특이 서열을 확인했다.

홍잉어와 비단잉어는 추가 기능 검증을 거쳤다. pangu를 제거하거나 추가하자 황하 잉어와 마찬가지로 서로 반대 방향의 성전환이 나타났다. 이는 DNA 서열 검출만으로 얻는 근거보다 공통 기능을 더 강하게 뒷받침한다.

이 구분은 연구 결과를 얼마나 넓게 해석해야 하는지에 한계를 둔다. 논문은 잉어속 전반에 보존된 수컷 스위치를 설명하지만, 양방향 성전환을 상세히 실험한 대상은 황하 잉어, 홍잉어, 비단잉어다. 독일 거울잉어와 Cyprinus acutidorsalis에서의 검출은 유전적 근거의 범위를 넓히지만, 같은 기능 실험을 했다는 뜻은 아니다.

마찬가지로 잉어과에서 최초로 검증된 성 결정 마스터 유전자라는 사실이 판구가 잉어과 전체의 성을 결정한다는 뜻은 아니다. 이번 발견은 어떤 근연 어류가 이 스위치를 공유하고 어떤 어류가 다른 기전을 사용하는지 시험할 출발점이 된다.

2009년 표지는 마스터 유전자의 증거가 아니라 선행 단서였다

2009년 Molecular and Cellular Probes에 실린 표지 연구는 이미 수컷 잉어에 특이적인 DNA 조각을 확인했다. 연구진은 무작위 프라이머 220개를 검사해 S2107 프라이머가 수컷에서 길이 909 염기쌍의 조각을 만들어낸다는 점을 발견했다.

세 잉어 계통의 물고기 30마리에서 같은 양상이 관찰됐다. 추가 증폭 및 혼성화 검사도 수컷과의 연관성을 뒷받침했다. 해당 조각은 제브라피시의 반복 서열과 유사성이 낮았고, 초어에서는 혼성화 신호가 검출되지 않았다.

이 연구는 해당 서열을 황하 잉어의 유전적 성을 판별하는 도구로 제안했다. 하지만 표지는 수컷 발달을 일으키지 않더라도 성염색체와 함께 유전될 수 있다. 새 연구는 발현되는 유전자를 확인하고, 그 기능을 제거하거나 추가하면 생식샘 발달이 달라진다는 점을 입증해 한 걸음 더 나아갔다. 여기서 제시된 근거만으로는 909 염기쌍 표지와 새로 규명된 1,487 염기쌍 구간이 같은 서열이라고 단정할 수 없다.

연구 이정표는 여러 해에 걸쳐 있지만, 발행일은 같은 발표가 시차에 따라 다르게 표시된 것이다.

• 2009년 10월: 앞선 연구가 수컷 잉어와 연관된 909 염기쌍 DNA 표지를 보고했다.
• 2026년 10월 9일: Science Advances가 pangu 연구의 제12권 제41호 게재일로 기재했다.
• 2026년 10월 10일 베이징 시간: 발표 자료는 새 연구 결과가 이날 출판됐다고 전했다.
• 2026년 10월 11일: 공개 계정이 발견과 10년 넘는 조사 과정을 소개했다.

아직 밝혀지지 않은 점

판구의 발달상 역할에 관한 근거는 강하지만, 정확한 분자 작용에 대한 설명은 아직 제한적이다. 연구는 cyp19a1a 활성이 억제된다는 점과 두 유전자를 연결하는 유전적 구제 결과를 보여준다. 하지만 판구가 관련 조절 DNA에 직접 결합하는지, 아니면 다른 단백질을 통해 작용하는지는 아직 밝혀지지 않았다.

저자들은 pangu를 발현하는 세포에 관한 의문도 제기한다. 발현량이 낮고 제한적이라는 점은 발생 중인 세르톨리 계열 세포 가운데 드물거나 일시적인 집단에서 활성이 나타날 가능성을 시사한다. 이들 세포가 초기 전구세포 상태에 해당하는지 밝히면, 작은 시작 신호가 어떻게 정소 형성으로 이어지는지 설명하는 데 도움이 될 수 있다.

상하이해양대학 박사후연구원 천광신과 중국과학원 수생생물연구소 부연구원 천지가 공동 제1저자다. 교신저자는 후웨이, 주쭤옌, 저장완리대학 거톈, 오타와대학 밴스 L. 트뤼도다. 중국과학원 원사 허순핑과 여러 전문가가 지도와 지원을 제공했다.

후속 실험 일정은 공개되지 않았다. 핵심 결과는 염색체 위치 확인, 초기 발현, 양방향 기능 검증으로 이미 뒷받침된다. 남은 과제는 판구가 그 역할을 수행하는 방식과 시험한 잉어 집단을 넘어 이 기전이 얼마나 널리 공유되는지 밝히는 것이다.

핵심 내용

• 판구는 잉어과에서 실험으로 기능이 검증된 최초의 성 결정 마스터 유전자다.
• 잉어 Y염색체의 1,487 염기쌍 구간에 있으며, 아미노산 76개로 이뤄진 펩타이드를 암호화한다.
• pangu 기능을 교란하자 XY 잉어에서 난소가 발달했고, XX 잉어에 유전자를 도입하자 정소가 발달했다.
• 난소 발달 경로 유전자 cyp19a1a를 교란하면 pangu 돌연변이의 정소 발달이 회복됐다.
• 홍잉어와 비단잉어의 기능 실험은 공통된 역할을 뒷받침하지만, 잉어과 전체에 보편적인 기전이라고 단정할 수는 없다.
• 판구가 cyp19a1a를 억제하는 정확한 분자 경로는 아직 밝혀지지 않았다.