생명과학과 이재성 교수 연구팀 (공동 제1저자 이영환 박사 [현, 강릉원주대학교 해양환경생태학과 조교수]) (그림 1좌), 김민섭 박사과정 학생 (그림 1우)은 해양산성화 (ocean acidification)와 나노플라스틱 (nanoplastics) 동시 노출이 동물성 플랑크톤 요각류 (Paracyclopina nana)의 후성유전학적 특징(epigenetic signatures)의 변화를 유발하고, 그 영향이 다세대(multigeneration)에 걸쳐 지속된다는 사실을 규명하였다.

본 연구는 인류 활동으로 인한 해양산성화 및 미세플라스틱 오염 등 다양한 환경 요인이 해양 생태계에 미치는 복합적 영향을 분석한 것으로 본 연구팀은 요각류 P. nana (그림 2)를 모델 생물로 활용하여 이들의 전체 게놈을 사전에 염색체 수준으로 분석하였고 이를 바탕으로 해양산성화와 나노플라스틱이 동시에 노출되었을 때 생식 능력 저하와 자손 세대에서의 후성유전학적 변화를 분석하였다.

현재 이재성 교수 연구팀에서는 23종의 담수 및 해산생물 (윤충류, 요각류, 지각류 및 소형 어류)의 전체 게놈을 분석하여 게놈 수준에서의 다양한 연구를 수행하고 있고 현재까지 500여편의 SCIE 논문을 발표하였다. 이중 2014년 3월 한양대학교에서 성균관대학교로 자리를 옮긴 이래 이재성 교수는 10여년간 310여편의 SCI 논문을 출판하였다. 이중 대부분의 논문이 Aquatic Toxicology 분야로 이 분야에서 성균관대학교 및 이재성 교수 본인이 최근 5년내 업적 기준 세계 1등의 위치 (Scholar GPS 기준)에 점하게 되는 등 이 분야의 발전에 많은 기여를 하고 있다.

2022년 10월, 본 연구팀에서 Nature Climate Change (IF 29.6; 환경연구분야 상위 0.54%) (https://doi.org/10.1038/s41558-022-01477-4)에 출판한 선행연구에 따르면, 기수성 요각류 P. nana는 해양산성화 단독 노출 시 후성유전학적인 변화와 더불어 적응(adaptation)하는 모습을 보였다. 그러나, 후속 실험에서 요각류 P. nana를 해양산성화와 나노플라스틱에 동시 노출하였을 때 이전 실험과 전혀 다른 양상이 나타났다. 연구팀은 단독 노출 때 관찰된 다세대 적응과정이 나노플라스틱과 해양산성화 동시노출 환경에서는 생식독성이 자손세대로 이어지는 것을 발견하였다. 즉, 동시 노출된 첫 세대(F0) 이후 자손 세대에서도 생식 능력 저하가 지속적으로 나타나 적응 양상이 나타나지 않았으며, 특히 노출이 중단된 자손세대에서도 생식독성이 자손세대에서 회복되지않고 전달되는 것을 관찰하였다.

연구팀은 이러한 변화가 후성유전학적 메커니즘에 의해 유도된다는 점을확인하였다. 해양산성화와 나노플라스틱의 동시 노출로 인한 후성유전학적 변화가 자손 세대에 전달되는 과정은 메틸화 패턴을 분석하여 밝혔으며 (그림 3), 생식 및 행동, 산화 스트레스와 관련된 유전자들에 영향을 미친다는 사실도 확인하였다 (그림 4). 나아가, 나노플라스틱에 노출되지 않은 자손 세대와 지속적으로 노출된 자손 세대 간의 메틸화 패턴이 유사하게 나타나, 동시 노출에 따른 생식독성이 후성유전학적 변화를 통해 세대를 거쳐 전달된다는 결론을 도출하였다.

본 연구 결과는 단순한 환경 적응을 넘어, 여러 환경 스트레스 요인이 함께 작용할 때 그 독성이 세대를 거쳐 전달될 수 있다는 중요한 사실을 시사한다. 이번 연구는 나노플라스틱과 해양산성화가 요각류 생태계의 지속가능성에 큰 위협이 될 수 있음을 시사하며, 해양 생물의 장기적인 생식 능력에 중요한 영향을 미치며 기후 변화와 해양 오염이 해양 생물 다양성에 미치는 광범위한 생태적 영향을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하고 이러한 상호작용이 해양 생태계의 지속가능성에 심각한 위협이 될 수 있음을 보여준다.

본 연구는 성균관대의 교내 박사후과정 연구 지원 프로그램 (이영환 박사)으로 수행되었으며, 연구 결과는 환경과학 분야의 세계적인 학술지 Journal of Hazardous Materials (IF 12.2, 환경과학분야 JCR 상위 3.34%, 12/359)에 5월 5일(일)에 온라인 게재되었다.

* 논문명: Nanoplastics induce epigenetic signatures of transgenerational impairments associated with reproduction in copepods under ocean acidification

* DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131037

[그림 1] 이영환 박사 (좌) (현, 강릉원주대학교 해양환경생태학과 조교수)와
김민섭 박사과정생 (우)

[그림 2] 요각류 P. nana와 동시 노출에 의한 다세대 독성 및 DNA 메틸화 변화 모식도

[그림 3] 요각류 P. nana의 전체 게놈 , 유전자 동정, methylation 및 differentially methylated region 분석

[그림 4] 동시 노출에 따른 생식독성 결과 및 DNA메틸화 변화와 유전자 네트워크