원제: Tracing the peopling of the world through genomics


유전체학으로 전 세계 인류 정착의 발자취를 따라가다


Rasmus Nielsen, Joshua M. Akey, Mattias Jakobsson, Jonathan K. Pritchard, Sarah Tishkoff & Eske Willerslev


Nature 541, 302–310 (19 January 2017)


현대인과 고대인 양쪽의 유전체(genome) 시퀀싱(sequencing) 및 분석법의 진보로 인류의 진화 역사를 이해하는 데 많은 약진이 있었다. 여기에는 (1) 해부학적 현생인류(現生人類)와 멸종한 호미닌(hominin) 사이의 이종교배(異種交配) 발견, (2) 현생인류가 아프리카에서 출발해 복합적인 경로를 거쳐 전 전 세계로 퍼져나갔음을 점점 더 상세히 밝힌 것, (3) 현지 환경 조건에 노출된 인류의 수많은 유전적 적응(genetic adaptation) 규명 등이 포함된다. 이러한 새로운 유전체 자료 분석 덕분에 인류의 진화 역사와 적응에 대한 우리의 해석은 변모하고 있다.


고고학적·고생물학적 자료의 도움으로 우리는 해부학적 현생인류의 출현과 확산을 이끌었던 여러 진화적 사건들을 이해해왔다. 하지만 일반적으로 이러한 자료는 서로 다른 사람 또는 인간 집단 사이의 유전적 관계를 밝히는 데 사용할 수 없다. 비록 문화(culture)의 확산을 규명하는 데 있어서 고고학 연구가 매우 성공적이었다 할지라도 문화의 확산이 인간의 이동 때문인지 아니면 지식(idea)의 이동 때문인지를 밝히는 역량에 있어서는 종종 한계가 있다. 현대인 또는 고대인의 유전체 자료 분석을 인류의 진화 역사를 규명하는 작업에 포함한다면 인간 사이의 계보관계(genealogical relationship)를 직접 밝히는 일뿐만 아니라 인류의 이동 경로, 인류의 분지(diversification), 그리고 다양한 인간 집단 사이에서 일어났던 유전자 혼합(genetic admixture)을 규명하는 작업이 용이할 수 있다.


1980년대에 현대인의 유전체 자료가 출현으로 인류의 기원에 대한 이론을 직접 검증하는 게 가능해졌다. 미토콘드리아 DNA(mitochondrial DNA; 이하 mtDNA)를 포함한 단순 유전자 표지(genetic marker)에 대한 연구 덕분에 몇 가지 중요한 진화적 이해가 도출되었다. 가장 중요한 것으로 전 세계 인간 mtDNA 염기서열의 차이를 분석한 최초의 연구로 아프리카에서 기원한 현생인류 집단이 외부로 팽창해나갔다고 주장하는 가설인 아프리카 기원 모델(out-of-Africa model)이 받아들여진 점을 꼽을 수 있다 [1]. 해부학적 현생인류가 다양한 지역에서 동시에 진화했고 이러한 진화가 인간이 서로 다른 지역으로 꾸준히 이동하면서 발생한 유전자 확산(gene flow)으로 말미암아 촉진됐다고 주장하는 다지역 기원 모델(multiregional model)로 알려진 대체 가설은 널리 기각됐다.


그림 1 | 인간 진화 유전체학에서 중요하고 획기적 사건을 나타낸 연표. 유전체 자료를 이용한 상당히 많은 연구가 인류 역사에 대한 중요한 통찰에 기여해왔는데, 이들이 내놓은 자료 및 그 분석의 측면을 고려했을 때 특별한 영향을 미친 연구 가운데 일부를 그림에 표시했다.


인간 mtDNA 염기서열의 계통수(phylogenetic tree)는 아프리카에 그 뿌리를 두고 있는데, 이러한 사실은 아프리카 기원 모델에 부합한다. 하지만 mtDNA는 오직 모계유전(female inheritance)만을 반영하고 유전자 재조합(genetic recombination)을 안 하므로 단일 유전자 표지에 대한 정보량만을 담고 있다. 오로지 한 가지 유전자 표지로만 추정된 계통수는 인류 진화의 전반적인 유전체적 양상과 역사를 대표하지 않을 가능성이 상당히 높다 [2]. 인류 진화의 역사를 설명하는 복합적인 모델을 엄밀히 검증하려면 핵 유전체(nuclear genome) 분석 또한 필요하다. 따라서 1980년대와 1990년대를 거쳐 2000년대에 진행된 mtDNA (그리고 Y 염색체에 존재하는) 유전자 표지 분석으로는 인류 진화의 역사와 관련된 수많은 의문점은 여전히 풀리지 않은 상태였다. 예를 들어, 해부학적 현생인류와 다른 호미닌(hominin) 사이에 유전자 확산이 있었는지도 불분명하다 [2]. 아메리카 원주민의 기원 또한 격렬한 논쟁의 대상이었고 [3] 유럽을 포함한 전 세계 다른 지역에서 진행된 농업의 출현 및 확산과 같은 문화의 전환(cultural transition)에서 사람과 지식의 이동이 차지하는 상대적 중요성도 여전히 불분명한 채로 남아 있다 [4]. 지난 10년 동안 DNA 시퀀싱 기술과 고대(古代) DNA (ancient DNA) 추출 및 농축법의 괄목할만한 발전 덕분에 아직 해결되지 않은 인류 역사와 진화에 대한 이러한 많은 질문에 답할 수 있게 되었다 [그림 1]. 그러한 기술적 진보에 힘입어 연구자들은 수천 년 전에 사망한 고대인과 같은 호미닌의 유골(遺骨)에 담긴 유전체의 염기서열을 분석할 수 있게 되었다 [5, 6]. 광범위한 역사적 시간과 장소로부터 획득한 표본을 포함함으로써 시간적·지리적 측면을 유전체 시퀀싱 결과에 덧붙이는 작업은 인류 진화의 역사를 향한 새로운 통찰을 제시했다.


이 리뷰에서 우리는 많은 인간 유전체를 확보해 그 염기서열을 시퀀싱 함으로써 촉진되었던 인류 진화의 역사에 대한 중요한 통찰을 개략적으로 설명할 것이다. 몇몇 사례에서는 새로운 유전체 자료 분석이 과거 고생물학적·고고학적 증거로 뒷받침됐던 주류 이론을 지지하는 추가 증거를 구축하는 데 도움을 주었다. 다른 사례에서는 그러한 유전체 분석이 현존하는 자료를 근간으로 해서는 예측할 수 없었던 완전히 새로운 관점의 발견으로 이끌었다.


인류의 아프리카 기원

해부학적 현생인류에 대한 가장 오래된 증거는 에티오피아(Ethiopia)에서 발견된 약 150,000–190,000년 전으로 거슬러 올라갈 수 있는 화석에서 나왔다 [7, 8]. 아프리카 말고도 중동과 중국 남부에서 약 100,000년 전 그리고 약 80,000년 전의 해부학적 현생인류 화석 증거가 각각 보고되었다 [9, 10]. 하지만 화석 기록상으로 약 40,000년 전에 자취를 감춘 네안데르탈인(Neanderthal)과 같은 호미닌 화석은 유라시아(Eurasia) 전역을 통틀어 400,000년 전까지 거슬러 올라가는 것이 발견되었다 [11] [그림 2].


그림 2 | 인류의 진화 역사에 대한 간소화된 모델. 여기에는 현생인류 집단 사이 및 현대인과 고대인 사이의 중요하면서도 잘 정립된 (실선) 그리고 잠정적으로 밝혀진 (점선) 유전자 혼합 사건이 포함되어 있다. 이 모델에는 초기에 아프리카로부터 이동해 나온 고대인으로부터 파생한 오세아니아(Oceania) 인간 집단의 잠재적 계보 또한 작은 비율로 표시되어 있다 (청록색). 고대 DNA 연구로 인간 집단의 진화 역사에 상세한 통찰을 얻을 수 있어서 오늘날 유럽인이 세 무리의 조상집단 사이에 있었던 유전자 혼합으로 구성되었다는 사실도 밝혀졌다 [57] [그림 내 삽화]. ANE, 고대 북부 유라시아인(ancient north Eurasian); EEF, 초기 유럽 농경인(early European farmer); WHG, 서유럽 수렵·채집인(west European hunter-gatherer).


인간의 mtDNA 계통수 뿌리가 아프리카에 있다는 증거와 일관되게, 초기 유전체 다양성 연구는 현존하는 인간 집단 가운데 광범위한 인구 하부구조(population substructure)와 더불어 가장 높은 수준의 다양성이 현존하는 인간 집단 중에서 아프리카인에게 나타난다는 사실을 제시했는데 [12], 3,000명 이상의 아프리카인을 대상으로 한 미소부수체(microsatellite) DNA의 차이를 전체 유전체 수준에서 조사한 연구는 지리, 문화, 그리고 언어적으로 폭넓은 관련성이 있는 14가지의 조상 집단 클러스터(cluster)를 밝혀냈다 [13]. 전체 유전체 수준에서 단일 염기 다형성(single nucleotide polymorphism; 이하 SNP)에 대한 유전자형 연구(genotyping study)는 이러한 관찰 결과를 상당히 뒷받침했다 [14, 15, 16, 17, 18]. 이들 연구를 포함한 여러 연구에서 발견한 사실은 아프리카인 집단이 자신들의 진화 역사를 통틀어 크고 세분화된 구조를 유지해왔으며 [16, 19], 인간 집단 사이의 극심한 유전적 분리가 사하라 이남(sub-Sahara)에서 일어났음을 가리킨다 [18, 20]. 또한, 사하라 이남 아프리카 전역에 걸쳐서 현대인과 고대인 사이에 광범위한 유전자 혼합뿐만이 아니라 이들 사이에 왕래가 있었다는 증거 또한 존재한다 [13]. 아프리카의 유전체 전경 대부분을 형성한 아프리카인 집단의 이동으로는 과거 4,000년 전에 반투어(Bantu language) 사용 집단이 나이지리아(Nigeria) 및 카메룬(Cameroon) 고지대에 위치한 그들의 고향에서 사하라 이남 아프리카 전역으로 이동했던 일이었으며 [13] [그림 2와 3], 나중에 반투어 사용 집단은 토착 수렵·채집인 집단과 유전적으로 혼합되거나 이들을 대체했다. 또 다른 중요한 이동으로는 약 7,000년 전에 가축을 기르는 농경인으로 구성된 목축인 집단이 수단(Sudan) 남부에 위치한 그들의 본향(本鄕)에서 아프리카 중동부로 이동한 일과 약 5,000년 전에 (가축을 기르고 작물 재배에 종사하는) 농경·목축인 집단이 에티오피아에서 케냐(Kenya) 및 탄자니아(Tanzania)로 이주한 일 등을 들 수 있다 [13].


전체 유전체 시퀀싱(whole-genome sequencing)과 SNP에 대한 마이크로어레이(microarray) 자료 분석에 따르면 흡착어(click language, 吸着語)를 사용하는 남아프리카의 산(San) 집단의 유전적 혈통에는 약 160,000년–110,000년 전 사이에 분기(分岐)했으리라 추정되는 인간 집단 사이의 가장 극심한 유전적 분열이 기록된 것으로 나타났다 [15, 18, 20, 21, 22] [그림 2]. 하지만 단위생식유전(uniparental inheritance)으로 전해지는 유전자 표지 및 언어학적 연구에 따르면 흡착어로 의사소통하는 수렵·채집인 집단이 원래는 훨씬 더 광범위하게 퍼져 있다가 남아프리카 이외의 지역에서는 다른 인간 집단으로 대체되었거나, 또는 이들 수렵·채집인이 동아프리카에서 기원했으며 지난 50,000년 전에 남아프리카로 이주했던 것으로 보인다 [13, 23]. 실제로, 하드자(Hadza)와 산다위(Sandawe) 사람을 포함한 흡착음(吸着音)을 사용하는 언어로 말하는 수렵·채집인 집단은, 비록 이들의 유전체가 남아프리카의 산(San) 사람의 유전체에 대해 제한적인 유사성을 나타낸다 할지라도, 현재 동아프리카의 탄자니아(Tanzania)에 거주하고 있다 [15, 18].


그림 3 | 유전체 자료 분석으로 추론한 인류의 전 세계적인 주요 이동 경로. 몇몇 이동 경로는 여전히 논쟁 중이다. 예를 들어, 아메리카 대륙을 향한 여정에 이용된 경로에 대해서는 여전히 몇 가지 불확실한 점이 있다. 초창기 이동이 있은 후 뒤이은 인간 집단의 이동은 유전체 자료와 구별되는 지리적 양상을 파악하기 어렵게 할 수 있으므로 인류의 이동 경로를 자세히 밝히는 데 있어서 유전체 자료는 제한적이다. 제시된 이동 경로 가운데 여전히 논쟁 중인 부분은 점선으로 표시했다. CA, 아나톨리아 중부(Central Anatolia); FC, 비옥한 초승달 지대(Fertile Crescent); IP, 이베리아 반도(Iberian Peninsula); PCS, Pontic–Caspian steppe. 흑해-카스피해 스텝지대.


해부학적 현생인류가 아프리카에서 정확히 언제 어디서 기원했는지는 여전히 알려진 바가 없는데, 주로 아프리카 열대 지방에서 발견되는 화석 및 고고학적 자료가 부족하기 때문이다. 그러나 아프리카 전역에 걸쳐서 인간이 이동해 유전자 혼합이 일어났을 기회를 특별히 고려한다면 유전자 확산으로 이어진 몇몇 지역에서 단편적인 방식으로 현대인의 형질(形質)이 진화한 곳인 아프리카의 다양한 지역에서 현생인류가 출현했을 가능성은 여전하다 [24]. 실제로 아프리카에서 해부학적 현생인류와 고대인 집단 사이에 유전자 혼합이 있었다는 증거가 있다 [25, 26, 27]. 약 10,000년 전 이상 아프리카에서 살았던 사람의 유골에서 획득한 유전체의 특징을 규명하는 작업은 매우 어렵고 도전적이라고 할 수 있는데, 아프리카의 현지 기후조건을 포함해 DNA를 추출할 표본이 놓인 환경이 유전물질이 보존되기에는 그리 적합하지 않기 때문이다. 하지만 지리적으로 다양한 위치에 살고 있는 수렵·채집인 집단으로부터 얻은 전체 유전체 시퀀싱 자료에 대한 통계적 분석은, (이종교배를 통한 유전물질 교환인) 유전자 이입(introgression)을 겪었으며 멀게는 1,200,000년 또는 1,300,000년 정도 전에 [25, 27, 28] 가깝게는 35,000년 전에 [26] 현대인 계통에서 갈라져 나온 고대인 계통이 존재했었다는 증거를 제시했다. 결과적으로 아프리카에서 고대인의 유전자 혼합이 어느 정도 일어났는지는 여전히 논쟁 중이며, 현재 진행 중인 많은 연구가 이러한 질문을 해결하는 것을 목표로 하고 있다.


탈(脫) 아프리카 그리고 네안데르탈인과의 조우

인류의 진화 역사에서 주목할만한 사건인 해부학적 현생인류가 아프리카 외부로 퍼져나간 일은 모든 비(非) 아프리카인 인간 집단의 유전자 변이에 강한 흔적을 남겼는데 [그림 2와 3], 여기에는 낮은 수준의 다양성과 [29] 높은 수준의 연관 불균형(linkage disequilibrium)이 포함된다 [30]. 그러나 주요 확산의 횟수, 지리적 기원, 이동 경로 및 그 시기가 언제인지는 여전히 모호한 실정이다. 예를 들어, 현대인이 아프리카 동부, 중부 및 서부에서 기원했다는 가설을 뒷받침하는 증거가 있고 [18, 31, 32, 33], 단 한 번 또는 여러 차례 아프리카 바깥으로 퍼져나갔다는 가설에 대한 증거가 있으며 [7, 34, 35, 36], 북쪽 또는 남쪽 확산 경로를 따라 이동했다는 가설을 지지하는 증거가 있고 [37, 38], 인류가 아프리카 바깥으로 퍼져나간 시기가 약 50,000년–100,000년 전 사이라고 추정하는 가설을 지지하는 증거도 있다 [20, 39, 40, 41, 42, 43]. 전 세계적으로 270곳 이상 되는 다양한 지역 출신의 사람들로부터 얻은 고품질의 새로운 전체 유전체 시퀀싱 자료를 균형 있게 이용한 세 가지 연구 덕분에 이러한 질문 가운데 몇 가지를 풀 수 있었다 [44, 45, 46]. 또한, 이들 연구는 오늘날 모든 비아프리카인의 공통 조상 집단이 아프리카를 벗어나 이동한 일이 단 한 차례 있었음을 지적하는데, 이 공통 조상 집단은 이들보다 더 일찍 오세아니아를 향해 이동한 인간 집단으로부터 적게나마 유전자를 기여받았을 가능성이 있다 [46]. 그뿐만 아니라, 아프리카를 떠나자마자 현생인류는 곧바로 두 파(波)로 나뉘어 확산되었다 [44]. 참고문헌 36과 47에서 제시했듯이 하나는 궁극적으로 오스트랄라시아(Australasia)인과 뉴기니인의 근간이 되었고 다른 파는 오늘날 유라시아 본토 사람들의 유전자 계보에 기여했다. 하지만 아프리카를 떠난 사람들이 처음 다양성을 나타내고 있을 때 이들의 정확한 이동 경로는 아직도 연구 중이며 논란에 싸여 있다.


오늘날 모든 비아프리카인의 조상이 네안데르탈인과 조우해 이들과 유전적으로 혼합되었음은 이제 명백하다 [48]. 이제껏 연구된 모든 비아프리카인 유전자에 대략 2% 정도의 네안데르탈인 유전자 계보가 포함되어 있다는 사실은 아프리카를 떠난 해부학적 현생인류가 다른 지역으로 확산한 지 얼마 안 된 시점에 이들과 유전자 혼합 주로 일어났음을 뜻하며 [49, 50, 51], 이것은 단일 확산에 기초한 아프리카 기원 모델의 주장에 잘 부합한다 [그림 2와 3]. 연관 불균형 양상을 근거로 했을 때 해부학적 현생인류와 네안데르탈인 사이의 이종교배가 일어난 시기는 약 50,000년–65,000년 전으로 추정되는데 [52], 네안데르탈인과의 유전자 혼합이 일어난 시기를 아는 것은 아프리카를 떠난 해부학적 현생인류의 성공적인 확산이 궁극적으로 언제였는지를 명확히 추정하는 데 도움이 된다.


현대인의 유전체에 존재하는 네안데르탈인 유전자 계보의 비율을 추정했을 때 네안데르탈인과 현대인 사이의 상호작용 역사가 훨씬 더 복합적이었던 것으로 나타난다 [51, 53]. 특히, 동아시아인은 유럽인과 비교했을 때 네안데르탈인에서 유래한 염기서열을 약 20% 더 많이 가지는데, 이것은 (i) 자연선택(natural selection)으로 나타난 영향이거나, (ii) 오늘날 동아시아인의 조상 집단이 유럽인 조상 집단과 분리된 후에 유전자 혼합이 일어났거나 [50, 53, 54] [그림 2], (iii) 유럽인의 조상 집단이 네안데르탈인 염기서열을 별로 가지고 있지 않은 인간 집단과 만나 유전자 혼합을 겪었기 때문에 유럽인에서 네안데르탈인 계보가 희석된 일 등을 반영한 것일 수도 있다. 놀랍게도 약 40,000년 전 루마니아(Romania)에서 살았던 초기 현생인류를 대상으로 한 SNP 유전자형 연구에서, 비록 이 고대인이 오늘날 인간 집단의 유전자 계보에 측정 가능한 수준의 기여를 하진 않았지만, 몇몇 시기에 유라시아 몇몇 지역에서 유전자 이입이 있었다는 확고한 증거가 도출되었다 [55]. 최근 연구에서 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 복합적인 유전자 혼합 역사가 있었으리라 제시되었으므로 [50], 우리가 이해하고 있는 유전자 혼합 모델은 현재로서는 유동적이며 향후 인구학적 모델 또한 지금까지 관찰된 유전체 분석 결과와 양립해야만 함에 주의를 기울여야 한다.


유럽을 향한 이동

유럽인 집단은 세 무리 이상에서 기원한 유전적 요소로 이루어진 것처럼 보이는데, 이들 가운데 일부는 서로 다른 시기에 유럽으로 유입됐다 [56, 57, 58, 59, 60, 61] [그림 2와 3]. 최초의 해부학적 현생인류는 일찍이 43,000년 전에 유럽에서 살았다 [11, 62]. 아마도 기후의 주기적 변화와 관계되었을 가능성이 있는 마지막 빙하 극대기(Last Glacial Maximum; 이하 LGM) 이전 유럽인의 유전자 구성에 전환이 있었다는 증거가 있으므로 이들 초기 구석기 시대 유럽인은 오늘날 유럽인에게 소규모 유전적 기여를 한 것으로 보이지만 [61, 63], 초기 유럽인으로부터 정확히 어느 정도의 유전자를 물려받았는지는 여전히 논쟁 중이다 [61]. LGM이 물러난 후 약 11,000년 전에 축산, 농경, 정착 생활을 기반으로 하는 — 신석기 생활양식으로 알려진 — 새로운 생활 방식이 비옥한 초승달 지대의 소규모 지역에서 출현하기 시작했다 [64] [그림 3]. 고대 DNA 분석에 따르면 이들 농경인 집단은 아나톨리아(Anatolia) 중부에서 시작해 유럽으로 확장했지만, 비옥한 초승달 지대의 다른 지역에서 온 인간 집단도 초기 유럽 농경인의 유전자 구성에 제한적으로나마 기여했다 [61]. 이들 농경인 집단은 대략 7,000년 전에 이베리아 반도(Iberian Peninsula)에 도달했으며 약 6,000년 전에 브리튼(Britain) 섬과 스칸디나비아(Scandinavia) 일대에 도착했다 [61]. 신석기 시대 인간 유골에서 얻은 유전체 자료에 따르면 이러한 과정이 농경인 집단의 대규모 이동과 현지 수렵·채집인과의 동화(同化)로 추진되었던 것으로 보이는데 [61, 63], 이러한 사실은 신석기 시대의 생활 방식이 오로지 지식과 문화의 전파보다는 인간의 이동으로 말미암아 유럽 전역으로 퍼져나갔음을 증명한다. 고고학적 자료에 따르면 농경인으로 살았던 사람의 건강 상태는 이들의 유골에서 드러나는 영양실조와 치아 부식과 같은 풍부한 사례에서 드러나듯이 때때로 좋지 않았지만 [66, 67], 유전체 분석 자료를 근거로 생성된 유효 집단크기(effective population size) 추정에 따르면 신석기 생활 방식이 집단의 크기를 늘리는 데 도움이 됐다 [66].


유럽인의 유전자 구성에 3번째로 기여한 유럽을 향한 또 다른 이동은 후기 신석기 시대와 초기 청동기 시대 사이 동안에 일어났다. 얌나야(Yamnaya) 문화에 속하는 흑해-카스피해 스텝지대(Pontic–Caspian steppe) 출신 목동 집단이 약 4,500년 전 유럽 중부를 향한 이동과 관련이 있다 [58, 60]. 목동 집단 자신들은 (오늘날의) 러시아와 코카서스(Caucasus)에서 살았던 여러 수렵·채집인 집단의 후손이었다 [58, 68]. 이러한 이동은 아마도 정복 활동 및 승마기술과 같은 기술적 진보와 연결되어 있었을 것이며 이들의 이동 덕분에 인도·유럽어가 유럽으로 퍼졌을 것 같지만 [58, 60], 몇몇 언어학 연구자는 신석기 시대 농경인이 이미 인도·유럽어로 의사소통을 주고받았다고 주장한다 [69]. [58, 60]. 분명히 말하자면, 후기 신석기 시대와 청동기 시대는 흑해-카스피해 스텝지대 목동 집단의 유전자가 유럽 서부와 북부 전역으로 확산되었던 역동적인 시기였다 [58, 60].


오늘날 유럽인 집단을 구성하는 세 가지 주요 유전자 구성요소는 (i) LGM 이후 수렵·채집인의 유럽 재정착, (ii) 신석기 시대 농경인의 아나톨리아 지방에서 유럽으로 이동, 그리고 (iii) 후기 신석기 시대와 청동기 시대 사이에 (얌나야 목동의) 유럽 동부 지역에서 (중부) 유럽으로 이동한 일을 반영한다. 이러한 유전자 구성요소를 근거로 오늘날 유럽인에서 발견되는 유전자 다양성의 많은 부분을 설명할 수 있다 [65]. 예를 들어, 신석기 시대의 유전자 구성요소는 사르데냐(Sardinia)인과 같은 남유럽인 집단에서 가장 두드러진 것처럼 보인다 [56, 57, 66]. 오늘날 유럽인들 간에 나타나는 유전적 차이는 지형과 강한 상관관계를 보이며 [70, 71] 북위도로 향할수록 다양성의 정도가 점진적으로 줄어드는 것처럼 보인다 [72]. 비록 유전적 다양성을 구성하는 주요 요소는 별개의 이동을 통해 유럽으로 유입했지만, 지리적 이유 때문에 제한적으로 나타난 훗날의 유전자 확산 과정은 오늘날과 같은 유럽인의 유전적 전경을 형성했다. 따라서 문화와 생활방식은 지리적 여건보다 선사시대 유럽의 수많은 시기 동안 있었던 유전체적 분화와 유사성을 결정짓는 중요한 요소였다 [61].


아시아와 오세아니아를 향한 이동

상당수 증거에 따르면 초기에 있었던 적어도 두 차례의 이동을 통해 아시아에 인류가 정착했다. 하나는 오스트레일리아(Australia)인과 파푸아(Papua)인의 조상이 포함되어 있고 다른 하나에는 동아시아인의 조상이 포함되어 있으며 이들 두 집단 사이에는 유전적 혼합이 있었지만 [47], 다른 증거에 따르면 아시아를 향한 이동은 오직 한 번밖에 없었다고 한다 [45]. 하지만 인류가 아시아에 어떻게 처음 정착했는지 세부 사항은 여전히 알려진 바가 거의 없다. 아시아에서 발굴된 초기 현생인류 두 구(具)를 대상으로 유전체 시퀀싱이 이루어진 적이 있다. 첫 번째 유전체는 약 24,000년 전 시베리아 중서부 말타-부렛(Mal'ta-Buret') 문화에 속한 사람의 유골에서 얻었는데 [73], 이 고대인은 서유라시아인과 아메리카 원주민 모두에 대해 강한 유전적 동질성을 보이지만 동아시아인과 시베리아인에 대해서는 약한 동질성을 보이는 것으로 봐서, 오늘날과 비교했을 때 상부 구석기 시대 동안의 유전적 특징이 지리적으로 매우 다르게 분포했음을 의미한다. 두 번째 유전체는 약 45,000년 전 시베리아 서부 우스트-이쉼(Ust'-Ishim) 지역에 살았던 사람의 유골에서 얻었는데 [74], 서유라시아인 및 동아시아인 [74], 그리고 데니소바(Denisova)인과의 유전자 혼합으로 발생할 수 있는 유전적 차이를 감안한다면 오스트레일리아 원주민(Aboriginal Australian)과 거의 동일한 유전적 친화가 보인다 [44]. 러시아의 유럽 지역에서 발굴한 36,000년–38,000년 전의 코스텐키 14(Kostenki 14)라 불리는 인간의 유전체가 동아시아인보다는 당대의 서유라시아인과 밀접한 유전적 친화를 보인다는 증거와 함께 [75], 말타-부렛과 우스트-이쉼 유전체 자료는 약 36,000년–45,000년 전 사이에 동아시아인과 서유라시아인 사이에 분지가 있었음을 가리킨다. 청동기 시대 유라시아 지역에서 살았던 101구의 고대인 유전체를 대상으로 수행한 낮은 수준(low-coverage)의 시퀀싱 결과를 포함한 연구에 따르면 후발 주자로 유럽과 서아시아에서 출발해 중앙아시아로 팽창한 두 인간 집단이 이 지역에서 말타인으로 추정되는 수렵·채집인과 유전적으로 혼합되어 현지인들을 대체한 것으로 나타났다 [60]. 첫 번째 사건은 얌나야(Yamnaya) 목동이 약 5,000년 전에 아시아로 팽창한 일인데, 이 일은 얌나야인이 유럽으로 팽창한 때와 동일한 시기다. 훗날, [아판나시에보(Afanasievo) 문화를 형성했던] 중앙아시아의 얌나야인은 2,500년 전에서 3,500년 전 사이에 신타쉬타(Sintashta) 문화에 속한 사람들로 대체되었는데 [60], 이들 신타쉬타인은 우랄(Ural)과 유럽에서 출발해 이곳으로 이동했으며 동아시아인과 유전적으로 혼합되었다.


고고학적 증거에 따르면 약 475,000년–55,000년 전 오세아니아에 인류가 존재했던 것으로 나타났다 [76, 77]. 오스트레일리아에서 출토된 고대인 두개골의 형태학적 차이 연구는 오늘날 오스트레일리아 대륙과, 뉴기니(New Guinea) 섬 그리고 태즈메이니아(Tasmania) 섬으로 구성된 고(古)대륙인 사훌(Sahul) 대륙에 적어도 두 차례에 걸쳐 인류가 독립적으로 이동했다고 주장하는 데 사용되었다 [78]. 비슷한 주장이 언어학적 자료, 석기 제작 기술(lithic technology) 또는 딩고(dingo)와 같은 순화종(domesticated species)의 유입을 근거로 제시된 적이 있다 [36]. 하지만 지금까지 오스트레일리아 원주민과 파푸아인을 대상으로 시행된 대규모 집단 유전체 연구만이 이들 집단의 근간이 되는 사훌 대륙으로의 이동이 오직 한 번 있었음을 뒷받침하는 증거를 찾아냈는데 [44], 최초의 이동 후에 파푸아인 조상 집단과 오스트레일리아 원주민 조상 집단 사이에 분지가 일어났으며, 오스트레일리아 원주민 집단에서도 사막화와 같은 환경 변화와 동시에 일어났으리라 짐작되는 유전적 분지가 훗날 뒤따랐다. 따라서 오스트레일리아 원주민은 상대적으로 최근 시기까지도 높은 수준의 고립 속에서 살아왔던 것으로 보인다.


오세아니아의 현대인을 대상으로 얻은 전체 유전체 SNP 자료는 [이스터(Easter) 섬으로도 알려진] 라파 누이(Rapa Nui)로 둘러싸인 남태평양의 폴리네시아 삼각지대(Polynesian Triangle)부터 그 동쪽 전역에 분포하는 폴리네시아인이 멜라네시아인과 동아시아인의 유전자 계보가 섞인 사람들이 오세아니아 전역으로 확산했음을 대표한다는 고고학적 추측이 타당함을 확증했다 [79]. 멜라네시아인 계보는 폴리네시아인이 처음으로 오세아니아 전역으로 팽창하기 시작한 후에 동아시아 원인(源人)의 계보에 추가됐다 [80]. 약 1,000년 전까지 폴리네시아인이 동쪽을 향해 팽창하는 동안 이들이 아메리카 대륙에 도달해 현지인과 유전적으로 혼합되었는지 여부는 여전히 논쟁 중이다. 남아메리카에서 발굴된 고대의 닭 유골을 대상으로 한 유전학 연구에 따르면 이러한 시나리오가 타당해 보이지만 [81], 그런데도 여전히 의문점이 있다 [82]. 대략 서기 1650년 정도로 거슬러 올라가며 남아메리카에 폴리네시아인 노예 무역이 있었다는 기록보다 이전 시기에 존재했던 브라질에서 출토된 인간 유골들에 대한 유전체 시퀀싱에 따르면 이들이 오늘날 폴리네시아인과 유전적으로 밀접하게 연관된 것으로 보인다 [83]. 이러한 연구 자료는 폴리네시아인과 아메리카 원주민이 오래전에 상호 접촉했었음을 뒷받침하는 추가 증거를 제시했지만, 이들이 유럽인에 의해 아메리카로 끌려온 사람들의 후손일 수도 있다. 더욱 확실한 증거는 오늘날 이스터 섬에 거주하는 원주민을 대상으로 한 전체 유전체 수준의 연구 결과에서 나왔는데 [84], 이 연구는 유럽인이 1722년 이스터 섬에 도착하기 수백 년 전인 1280년–1495년 사이에 폴리네시아인이 아메리카 원주민과 유전적으로 혼합되었음을 통계적으로 뒷받침할 수 있는 근거를 제시했다. 하지만 아메리카 대륙에 인류가 정착했던 때보다 앞선 시기의 인간의 유골에 있음 직한 폴리네시아인과 아메리카 원주민 사이의 유전자 혼합에 대한 증거를 찾아야지만 오직 이러한 논쟁에 대한 합의를 끌어낼 수 있다.


아메리카 대륙을 향한 이동

아메리카 대륙에 인간이 존재했었음을 뒷받침하는 가장 오래되었고 널리 인정받는 증거는 약 15,000–14,000년 전으로 거슬러 올라갈 수 있고 [85], 아메리카 대륙의 광범위한 인간 정착은 (약 12,600–13,000년 전의) 아메리카 대륙에서 가장 오래되었으며 연구가 잘 된 고고학적 유적인 클로비스(Clovis) 유적의 출현과 함께 나타난다. 하지만 약 13,000년 전까지 북아메리카 대륙 대부분은 거대 빙하로 뒤덮여 있었기 때문에 사람들이 (오늘날의 시베리아 북동부와 북아메리카 북서부에 있는) 베링 육교(Beringia)에서 아메리카 대륙의 남쪽 지역으로 이동하기가 어려웠다. 빙하가 녹으면서 대략 1,500 km 정도 길이의 부동(不凍) 회랑(回廊)이 내륙에 형성되었다 [3]. 캐나다의 여러 호수 중심부를 대상으로 한 범유전체학(metagenomic) 분석에 따르면 이 회랑은 약 12,600년 전에 처음으로 생명체가 서식 가능한 곳이 되었으므로 [86] 선(先) 클로비스(pre-Clovis) 집단과 클로비스 집단의 사람들이 남쪽을 향해 이동하는 초기 경로일 가능성은 희박하지만, 바이슨(bison)을 대상으로 한 연구는 이와 반대되는 주장을 내놨다 [87]. 어떻게 그리고 언제 아메리카인의 가장 먼 조상이 홍적세(洪積世)의 빙하를 건너 북아메리카 남단으로 이동했는지는 알려진 바가 없으며, 마찬가지로 선 클로비스 집단과 클로비스 집단이 같은 경로로 이동했는지도 알려진 바가 없다. 하지만 이들이 14,000년보다도 더 이전에 북아메리카 대륙의 서안(西岸)을 따라 이동했고 아마도 나중에 내륙을 통해 남쪽 또는 북쪽으로 거슬러 이동했을 것이라는 시나리오가 가장 그럴싸해 보인다 [그림 3].


두개골 형상과 언어학 분석을 근거로 했을 때 초기 아메리카인은 오늘날 북아메리카 원주민의 직접적인 조상은 아니지만, 이들은 오스트랄로-멜라네시아인(Australo-Melanesian), 폴리네시아인, 일본의 아이누(Ainu)인, 또는 나중에 시베리아에서 건너온 아메리카 원주민의 조상으로 대체되었거나 이들과 동화되었던 유럽인과 관련되어 있다고 제시된 적이 있다 [88, 89, 90]. 하지만 몇몇 유전체 연구는 이 모델을 정면으로 반박했다. 클로비스 문화와 유일하게 연관되었고 12,600년 전에 살았던 [미국 몬태나(Montana)에서 발견된] 가장 오래된 인간의 유전체가 2014년 학계에 발표되었다 [91]. 이들 분석에 따르면 이 유전체가 유래된 클로비스인 집단은 오늘날 수많은 아메리카 원주민의 직계 조상이었다. 비슷하게, 미국 워싱턴(Washington)주에서 발견된 약 9,500년 된 케너윅 인간(Kennewick Man)은 그 두개골의 형상으로 판단했을 때 아이누인 및 폴리네시아인과 밀접하게 관련되어 있다고 생각했지만, 이 두개골에서 추출한 유전체 염기서열 분석 연구는 케너윅 인간이 오늘날 아메리카 원주민과 가장 밀접하게 관련되어 있음을 밝혀냈다 [92]. 더욱이, 초기에 아메리카 대륙으로 이동한 인간의 잔류 집단이자 오스트랄로-멜라네시아인과 밀접하게 관련되어 있으리라 생각되는 인간 집단이 오늘날 아메리카 원주민과 유전적으로 밀접한 관련이 있다고 나타났다 [93, 94].


전체 유전체 염기서열을 바탕으로 시베리아인과 아메리카 원주민 사이의 분지 시기를 추정했을 때 아메리카 원주민의 유전자 풀(pool)은 일찍이 약 23,000년 전에 형성된 것으로 나타났는데 [93], 이러한 사실은 아메리카 원주민의 조상이 아메리카 대륙에 오래전에 진입했음을 더욱 지지하는 증거가 된다. 아메리카 대륙에서 가장 오래된 고고학적 유적에 대해 통상적으로 인정되는 연도를 고려했을 때, 대략 8,000년 전까지는 아메리카 원주민의 조상이 시베리아나 베링육교에서 고립된 채로 살았을 수 있으며, 아메리카 대륙을 향해 동쪽으로 이동하기 전에 이들이 시베리아 조상으로부터 분리되었을 것이다. 아메리카 대륙을 제외하면 오늘날 시베리아인이 아메리카 원주민과 가장 가까운 동족이지만, 24,000년 정도 오래된 말타(Mal'ta)인의 뼈에서 얻은 유전체 시퀀싱에 따르면 아메리카 원주민은 말타 계통뿐만이 아니라 하나 이상의 알려지지 않은 동아시아 계통과 관련된 집단과의 유전자 혼합으로 파생되었던 것으로 나타난다 [73]. 클로비스인과 연관된 유전체와 오늘날 아메리카 원주민은 (14–38%에 달하는) 비슷한 양의 말타인 유전자 특징을 보이므로, 아메리카 원주민을 있게 한 유전자 혼합이 일어난 사건은 대략 12,600년보다도 더 이전에 발생했다. 하지만 이러한 유전자 혼합이 아메리카 대륙에서 발생했는지 아니면 바깥에서 이미 일어났는지 아닌지는 여전히 불분명하다.


아메리카 원주민의 유전체 자료는 약 14,000년–13,000년 전으로 거슬러 올라갈 수 있는 기저 분리(basal division)가 어디에서 일어났는지를 결정하는 데 사용되었다 [73, 91]. 남쪽으로 갈라져 이동한 무리에는 아메린디아(Amerindia)어(語)로 말하는 인간 집단이 포함되며 북쪽으로 이동한 무리에는 애서배스카(Athabasca)어, 크리(Cree)어 또는 알곤킨(Algonquin)어로 말하는 집단이 포함되어 있다. 전체 유전체 시퀀싱 자료를 기반으로 분지를 추정한 연구에 따르면 두 집단은 시베리아인으로부터 동시에 갈라져 나온 것처럼 보이는데, 이것은 아메린디아인과 애서배스카인 집단 모두의 유일한 근간이 되며 유전자 확산을 통해 훗날 아시아로부터 유전자가 유입된 분지 사건이 단 한 번 있었음을 암시한다 [93]. 두 아메리카 원주민 분파(分派) 사이의 분지가 시베리아에서 일어났는지 또는 아메리카 대륙 빙하의 북부 또는 남부에서 발생했는지는 여전히 논쟁 중이므로, 차후 고대인의 유전체 분석이 이러한 쟁점 해결에 필요하다. 비슷하게, 오늘날의 몇몇 브라질 원주민의 유전체에서 발견되는 오스트랄로-멜라네시아인의 유전자 특징이 나중에 발생한 유전자 확산 때문인지 또는 아직 알려지지 않은 기반 집단(founding population)으로 부터 물려받아서 나타난 것인지도 여전히 확인되지 않았다 [93, 94]. 지금까지 아메리카 대륙에서 발견된 고대인 유전체를 대상으로 한 어떤 연구 결과에서도 이러한 유전적 특징을 보인 적은 없다.


아메리카 대륙의 북극권에서 살고 있는 이누이트(Inuit)는 다른 아메리카 원주민과는 별개로 이동해온 집단에서 기원했던 것처럼 보인다 [95, 96]. 하지만 약 5,000년 전에 아메리카 대륙에 출현했으며 현재는 멸망한 고대 에스키모(Paleo-Eskimo) 문화에 속하는 아메리카의 북극권에 최초로 정착한 인류가 오늘날 이누이트의 조상을 대표하는지 또는 시베리아에서 온 별개의 기반 집단인지 아닌지가 오랫동안 논의됐다 [96] [그림 3]. 그린란드(Greenland)에서 발견된 약 4,000년 정도 된 머리 다발에서 추출한 DNA를 시퀀싱 한 결과에 따르면 이 고대인이 속한 집단은 아메리카 원주민과 이누이트의 이동 경로와는 독립적으로 시베리아에서 출발해 북아메리카 북극권으로 이동했던 것으로 나타났다 [5, 97]. 그리하여 이 집단은 혹한의 환경 조건에서 살아남을 수 있는 생존전략과 기술을 재발명함으로써 북극권에서 약 4,000년 동안 살아남았지만, 결국 약 700년 전 정도에 이누이트로 대체되었다.


데니소바인과의 조우

다른 형태의 고대인이자 수수께끼로 둘러싸인 데니소바(Denisova)인은 네안데르탈인과 마찬가지로 최초의 현생인류가 유라시아에 출현하기 시작했을 때 이곳에서 살고 있었다. 데니소바인의 해부학적 형태와 지리적 분포에 대해서는 알려진 바가 전혀 없으며, 시베리아의 데니소바 동굴에서 발견된 손가락뼈 한 개와 치아 세 개에서 추출한 유전체 시퀀싱만이 오직 이들의 존재를 확인해줄 뿐이다 [98, 99, 100]. 데니소바인과 네안데르탈인은 밀접하게 관련되어 있으며 이들 사이의 유전적 분화는 현대인 사이에서 나타나는 가장 극심한 유전적 분열과 비슷한 정도의 유전적 차이를 보이지만, 이들이 분지한 시기는 아마도 대략 200,000–400,000년 전 정도로 거슬러 올라가리라 추정된다 [48]. 데니소바인에게 몇 가지 특이한 점이 발견되는데, 예를 들어, 호모 에렉투스(Homo erectus)라고 추측되는 초기 인간으로부터 (유전자 혼합으로 획득한) 유전물질을 물려받은 것처럼 보인다 [48] [그림 2]. 거의 틀림없이, 데니소바인은 유라시아의 (그리고 아마도 그 이외의 지역의) 동쪽과 남쪽 양단에 걸친 폭넓은 지역에 살았던 고대인으로 생각할 수 있으며, 마찬가지로 네안데르탈인은 유라시아의 서부까지 분포했던 고대인의 분포를 반영한다고 생각할 수 있다.


네안데르탈인과 비슷하게 데니소바인은 해부학적 현생인류와 이종교배를 했다. 오세아니아의 멜라네시아인을 포함한 몇몇 인간 집단의 유전체 기원을 추적한 결과에 따르면 이들 유전체의 약 3–6% 정도가 데니소바인과 유사한 조상 집단에서 유래한 것으로 추측된다 [48, 98] [그림 2]. 아시아 동남부의 대륙 지역에서 살고 있는 사람의 유전체 가운데 0.1–0.3% 정도는 데니소바인으로부터 물려받았다 [48, 101]. 네안데르탈인과 데니소바인 유전체 모두 유전자 이입에 따른 유전적 선택을 받아왔다. 인류의 자연선택 대부분은 유입된 DNA에 반(反)하는 방식으로 진행되었던 것처럼 보이는데, 유전체의 생물학적 기능을 담당하는 부위 근처에서 유입된 DNA가 극히 소량으로 발견되기 때문이다 [51]. 더욱이, 네안데르탈인과 데니소바인 모두로부터 유래한 염기서열이 전혀 없는 부분이 인간 유전체의 상당 부분에서 확인되었는데 [102], 이것은 생존에 치명적일 수 있는 염기서열이 유전체에서 재빨리 제거된다는 사실에 잘 부합한다. 하지만 티베트(Tibet)인이 고(高)지대에 적응한 사례에서 나타나듯이 유입된 DNA 일부는 인류가 특정 지역 환경에 적응하는 데 도움이 되었을 수도 있다 [103].


최초의 신뢰할만한 고대인 유전체 자료 연구에 따르면 해부학적 현생인류와 고대인 사이에 단속(斷續)적이며 매우 특이적인 유전자 혼합이 두 번 발생했던 것으로 나타났다 [6, 98]. 그 이후로, 우리는 그러한 유전자 혼합이 훨씬 더 흔했음을 알았고, 그러한 일이 다양한 현대인 및 고대인 집단 사이에서 수차례 발생했으며 [48, 50, 101, 103], 양방향으로 일어났음을 알게 되었다 [104] [그림 2]. 오늘날, 데니소바인 DNA가 멜라네시아인이나 오스트레일리아인으로 이입한 곳이 오스트레일리아였는지 또는 아시아였는지 불분명한데, 이것은 현대 오스트레일리아인의 조상이 대륙을 건너 이동했기 때문이다. 만일 이러한 유전자 이입이 아시아에서 발생했었다면, 오늘날 아시아인은 훗날 있었던 대규모 이동 과정 동안 아시아에 도착한 다른 인간 집단의 후손일 가능성이 매우 높다. 이와 유사하게, 동아시아인에게 나타나는 데니소바인과의 유전자 혼합이 동일한 유전자 혼합 사건의 결과인지 아니면 오스트랄라시아인에게 영향을 준 여러 진화적 사건들의 결과인지 여부는 알려지지 않았다.


인류, 새로운 환경에 적응하다

유전자 자료 분석을 통해 우리는 인류의 진화 역사뿐만 아니라 자연선택이 우리 인간 종(種)에 어떤 영향을 미쳤었는지 알 수 있다. 처음에는 아프리카 대륙 내부에서 그리고 나중에 전 세계 곳곳으로 퍼져나가면서, 인류는 선택적 섭생(攝生)을 이끈 새로운 환경 조건에 맞닥뜨렸는데, 여기에는 마지막 빙하기 동안의 아메리카 대륙 및 유라시아 대륙 대부분 지역에서 나타난 극한의 추위, 일조량의 변화 그리고 이전에는 마주치지 않았던 병원균이 포함된다. 사냥 및 낚시법의 개선 같은 문화적 진보와 식물과 동물을 길들이는 방법의 개발 또한 새로운 환경 조건을 만들었는데, 여기에는 섭식(攝食)의 변화가 포함된다. 유전체 시퀀싱 자료 세트 덕분에 자연선택의 표적이 되어왔던 인간 유전체가 어디인지 체계적으로 조사할 기회를 얻었다. 오늘날 인간 유전체 분석에 사용할 수 있는 광범위한 자료 덕분에 자연선택의 표적이 되었던 개별 유전자 변이가 어떤 역할을 했는지 확인할 수 있게 되었는데, 그 결과 DNA 염기서열 분석으로 발견한 자연선택의 증거와 인간이 현지 환경에 적응할 때 이들 염기서열의 역할을 연결 지을 수 있게 되었다. 더욱이, 현재 고대 DNA를 대상으로 한 연구 덕분에 대립유전자 빈도(allele frequency)가 시간이 흐름에 따라 어떻게 변했는지를 직접 관찰하는 게 가능해졌다 [105, 106].


현지 환경 적응

아프리카를 떠난 인류가 맞닥뜨렸던 가장 극명한 환경 변화 가운데 하나는 바로 위도의 상승에 따른 일조량의 감소였다. 적도 인근에 사는 인간 집단은 자외선에 의한 피부 손상 및 엽산(葉酸)의 광분해(photolysis)를 막기 위해 검은 피부를 가진다 [107]. 하지만 자외선은 골격의 발달과 건강에 필수적인 비타민 D 합성 촉진에 중요한 역할을 한다. 고위도에 살수록 자외선에 노출되는 정도가 적은 집단에게 엷은 피부색은 더욱 효율적인 비타민 D 합성에 이점이 되었으리라 생각한다. 고위도에서 살수록 엷은 피부색을 선호하도록 이끈 자연선택 때문에 몇 가지 유전자가 영향을 받았는데, 여기에는 MC1R, SLC24A5 그리고 (MATP라고도 알려진) SLC45A2가 포함된다 [108, 109].


인류가 지역 환경에 적응한 또 다른 사례는 티베트(Tibet) 같은 저산소(hypoxia) 환경에서 살고 있는 인간 집단에서 발견된다. 빌(Beall)이 진행한 연구에 따르면 고지대의 생활에 적응한 티베트인에게 저산소 상태에 따라 적혈구 생성을 조절하는 과정에 어떤 변화가 나타난 것으로 보인다 [110]. 티베트인 유전체 연구는 이러한 적응이 저산소 반응 기전에 관여하는 두 가지 유전자인 EPAS1 및 EGLN1의 대립유전자 빈도 변화 때문에 발생했다고 제시했다 [111,112,113,114].


섭식(攝食)의 변화, 특히 새로운 사냥법과 농경법의 출현과 관련이 있는 변화 또한 인간 유전체에 상당한 영향을 끼쳤다. 가장 잘 알려진 예로 [락토스(lactose) 과민증을 피하고자] 락토스 분해효소가 유전체 안에 계속 존속하도록 한 자연선택인데, 이것은 유럽과 아프리카의 낙농업 집단에서 LCT 유전자의 발현을 조절하는데 영향을 준다 [115, 116, 117]. 비슷하게, 고도불포화지방산(poly-unsaturated fatty acid) 합성을 촉진하는 FADS 유전자군(gene family)에 속한 유전자들은 인류가 채식을 하거나 또는 채식에서 멀어졌던 몇몇 전환기 동안 자연선택 아래 놓였던 것처럼 보인다 [118, 119, 120, 121].


하지만 현지 환경 적응을 이끌었던 가장 중요한 원동력은 아마도 현지 환경의 감염원일 텐데 [122], 이러한 사례에는 면역세포가 인지한 외래 펩타이드(foreign peptide)를 세포 바깥에 표시하는데 관여하는 주요 조직 적합 유전자 복합체(major histocompatibility complex)를 발현하는 유전자 [123] 그리고 아프리카에서 이형접합체 보균자(heterozygous carrier)일 때 말라리아(malaria)에 대한 저항성을 나타내도록 하는 베타-글로빈(β-globin) 및 G6PD 유전자가 포함된다 [124, 125]. [지역 환경에 적응한 인류의 사례를 소개하는 상세한 리뷰는 참고문헌 126에서 찾을 수 있다.]


자연선택에 대한 유전체 분석에서 얻을 수 있는 교훈

인간 유전체에 작용한 자연선택을 규명한 전체 유전체 수준의 여러 연구로부터 우리는 몇 가지 교훈을 얻을 수 있다. 첫째, 인간에 대한 자연선택을 조사한 초창기 연구 대부분은 자연선택이 새로운 돌연변이에 대해 즉각적으로 작용했다고 주장했지만, 수많은 사례를 고려했을 때 자연선택은 지속적인 변이 — 즉, 이러한 돌연변이가 선호되기 전 일부 시기 동안 나타났던 대립유전자에 대해서만 작용했음이 명백해지고 있다 [127]. 더욱이, 이러한 변이는 많은 경우에 다른 호미닌과의 이종교배로 이입되었다 [128, 129]. 네안데르탈인과 데니소바인으로부터 이입되었으며 자연선택의 작용으로 해부학적 현생인류에게 선호되었다고 밝혀진 유전자 변이 목록이 점점 더 증가하고 있다 [129]. 예를 들어, 티베트인의 고지대 적응에 영향을 준 EPAS1 단상체(haplotype)는 데니소바인으로부터 유입된 것으로 보이며, 주요 조직 적합 유전자 복합체와 MC1R 유전자에 대한 자연선택은 네안데르탈인으로부터의 유전자 이입 때문에 촉진되었으리라 생각한다 [130, 131]. 아프리카에서 출발해 전 세계로 이동한 인류가 새로운 환경에 마주하면서, 이미 현지 환경에 적응한 다른 종류의 호미닌과의 이종교배를 통한 유전자 이입은 이들 현생인류가 현지 환경에 재빨리 적응할 수 있도록 촉진했던 중요한 요소였으리라 생각한다. 특히, 감염에 대한 면역 및 저항에 관련된 유전자에 대해서는 사실로 보이는데, 해부학적 현생인류가 아직 면역을 확보하지 못했으며 서로 다른 호미닌 사이에서 감염이 가능한 병원체를 만났을 가능성이 있기 때문이다.


두 번째, 인간 유전체에 영향을 줬던 자연선택 대부분은 사람 때문에 발생한 환경 변화에 대응해 나타났다. 여기에는 문화의 혁신으로 추진된 섭식의 변화 및 사회 구조의 변화와 도시의 출현 때문에 급증한 집단 내 감염원 유입의 증가가 포함된다 [132]. 우리가 주변 환경을 바꿀수록, 그 결과로 야기되는 환경 조건의 변화는 새로운 선택압(selection pressure)을 유도한다. 따라서 생물학적 진화와 문화적 진화는 긴밀하게 연결되어 있다.


세 번째로, 자연선택 과정에 놓였던 유전자 변이와 인간 건강에 강한 영향을 주었던 변이 사이에는 종종 밀접한 관련이 있다. 따라서 의학 유전학에서 인간 진화 연구가 차지하는 중요성은 점점 커지고 있다. 예를 들어, 고지대 적응을 위해 선택되었다고 밝혀진 변이는 고혈압 연구에 유의미한 모델을 제시한다 [133]. 비슷하게, FADS 유전자군의 유전자 변이처럼 섭식 적응과 관련되어 자연선택을 겪은 유전자 변이는 유전체 정보를 통해 알 수 있는 개인 맞춤형 식량(personalized diets) 개발을 촉진할 수 있다.


네 번째, (토착 아프리카인, 유럽인, 아메리카인 그리고 오스트레일리아인과 같은) 대륙에 살고 있는 인간 집단 사이의 대립유전자 빈도에 엄청난 차이를 보이는 유전자는 피부, 머리카락 그리고 눈의 색소처럼 육안으로 볼 수 있는 형질과 연관되어 풍부하게 나타난다 [103]. 흥미로운 사실은 지리적으로 서로 다른 곳에 살고 있는 인간 집단 사이에서 색소 형성과 관련된 유전자 차이가 이들 사이의 평균적인 유전체 차이보다 더 많이 난다는 점이다. 따라서 머리카락 및 피부 색깔처럼 육안으로 나타나는 형질을 근거로 예상한 것보다 전 세계 다양한 지역에 분포하는 인간은 유전적으로 더욱 비슷하다.


마지막으로 눈 색깔, 머리카락 색깔, 또는 락토스 분해효소의 존속에 영향을 준 유전자처럼 상당한 영향을 끼친 유전자 변이는 흔치 않다. 대신에, 그러한 형질은 매우 복합적인 것처럼 보이며 유전체 전역에 존재하는 수많은 유전자좌(locus)의 영향을 받을 수 있다. 개별적인 유전자 위치에 작용하는 자연선택과는 달리 — 복합적인 형질에 작용해서 나타나는 자연선택의 결과인 — 다유전자성 적응(polygenic adaptation)은 심지어 몇 세대밖에 지나지 않았어도 재빨리 나타날 수 있지만, 개별 유전자좌에 작용한 자연선택의 족적(足炙)은 극단적으로 희미해서 표준적인 분석방법으로는 찾아낼 수 없다 [134]. 가장 잘 규명된 인간의 다유전자성 적응 사례로 북유럽인 키의 적응 증가 [135], 비유럽인 대비 유럽인 키의 소폭 적응 증가 [136], 그리고 사르데냐인 키의 감소에 작용한 자연선택을 들 수 있다 [137]. 키에 작용한 자연선택은 인간 유전체 대부분을 통틀어 유전자좌에 작은 영향을 끼쳤을 수 있다 [138]. 또한 다유전자성 적응은 북유럽인 유아의 머리 및 신체 크기 증가를 포함한 다양한 형태적 형질에 영향을 끼쳤을 수 있다 [138]. 인간에게 작용한 자연선택을 구성하는 요소 상당수가 다유전성일 가능성이 있지만, 이러한 부분은 자연선택 중인 유전체 영역이 어디인지를 조사하는 연구를 통해 밝혀져야만 한다.


인간 진화 유전체학을 위한 도전

인간의 유전체 자료를 기반으로 한 진화적·인구학적 추정은 때때로 상당한 논쟁을 불러일으킨 주제였다. 인류의 진화는 오직 한 번 있었던 자연의 실험이므로, 지난날의 인구 변동을 추론하는 일은 태생적 한계를 지닌 역사적 과학이다. 더욱이, 인류의 조상이 지리적으로 어디에 위치했는지는 현대인의 유전체로는 직접 추정할 수는 없어도, 고대인의 표본이 발견된 장소를 통해 간접적으로 추정하는 것이 일반적이다. 유전학적 분석이 사람 사이의 조상 관계에 대한 정보를 알려줄 수 있지만, 조상 DNA가 지리적 위치에 관한 정보까지 담고 있진 않다. 또한, 분지와 유전자 혼합이 발생했던 시기를 결정짓는 연대측정은 시간을 재는 시계만큼 유용하다. 돌연변이율은 인간 유전체 전체를 통틀어 사람마다 다를 수 있어서, 인구통계학적 연구에 사용해야만 하는 돌연변이율은 상당한 논쟁의 대상이었다. 연간 0.5 × 109 염기쌍(0.5 × 109 bp/yr)이라는 수치로 합의된 돌연변이율이 과거 몇 년 전에 출현했지만 [43], 돌연변이율 추정값은 그 값을 도출하기 위해 사용한 방법에 따라 달라진다. 이러한 추정값은 훗날 수정될 가능성이 있는데, 그 결과로 말미암아 과거에 진행되었던 연구에서 유전체 자료를 통해 추측한 진화적 사건의 연대측정에 영향을 줄 가능성이 있다. 이러한 한계에도 불구하고 현대인과 고대인 유전체 모두를 대상으로 한 분석의 진보는 인류 진화에 대한 우리의 이해를 여러 측면에서 변화시켰다.


네안데르탈인, 데니소바인 및 해부학적 현생인류 사이에 이종교배가 실재(實在)했음을 뒷받침하는 증거가 누적됨에 따라 인류 진화에서 유전자 이입이 차지하는 역할에 초점이 맞춰졌다. 거의 30년 전에 mtDNA 증거가 학계에 보고된 후 종종 인용되었던 아프리카 기원 모델의 가장 엄격한 버전이 주장하는 것처럼 [1] 해부학적 현생인류가 아프리카 외부의 다른 호미닌과 완전히 독립적으로 진화하지 않았다는 사실이 이런 연구를 통해서 발견되었다. 현생인류와 호미닌 사이에 있었던 이종교배의 수준은 — 때때로 느슨한 대체 모델(leaky replacement model)로 언급되는 — 인류 진화의 진정한 모델이 다지역 기원 모델과 아프리카 기원 모델 사이에 있다고 제시한다 [139]. 사실, 현대인의 유전체에서 나타나는 네안데르탈인과의 유전자 혼합 수준은 이들 호미닌의 유전자 이입이 있었던 시기에 현생인류의 유전체 안에 혼합되어 있었던 네안데르탈인의 유전자 양보다 상당히 과소평가되어 있다고 본다 [55, 140].


상당한 양의 네안데르탈인 DNA가 유전자 부적합성 때문에 또는 단순히 네안데르탈인에게 있었던 높은 수준의 근친교배 때문에 누적된 해로운 돌연변이 때문에 현대인의 유전체에서 제거되었다는 증거가 많이 있다 [51]. 네안데르탈인 유전자 혼합 비율 변화가 선형으로 나타난다는 사실을 고려했을 때 유전자 혼합이 발생했을 시기에 현생인류 유전체 안에 포함된 네안데르탈인 유전자의 비율이 약 5% 정도였을 것이라고 추측된다 [63]. 하지만 자연선택은 유전자 혼합 비율을 시간에 따라 선형적으로 줄이진 않았는데, 더욱 면밀한 수학적 분석에 따르면 인간의 유전체 안에 존재했던 네안데르탈인 DNA 비율은 원래 10% 정도였던 것으로 보인다 [140]. 네안데르탈인의 유효 집단 크기(effective population size)는 그 당시 인간 집단의 약 10% 정도였을 것이므로, (자연선택을 고려했을 때) 관찰된 유전자 이입은 인간과 네안데르탈인 사이의 유전자 혼합 정도가 유효 집단 크기에 비례해 진행되었음을 시사한다 [140]. 달리 말하면, 네안데르탈인은 환경에 대해 적응을 하지 못했거나 또는 인간과의 경쟁 또는 전쟁 때문에 멸종하지 않았을 것이다. 대신, 현생인류라는 종(種)에 단순히 흡수되었을 것이다. 예를 들어, 유라시아에서 발굴된 좀 더 오래전에 살았던 고대인의 유골을 대상으로 한 시퀀싱 분석을 통해 흡수 모델(absorption model)을 테스트할 수만 있다면 많은 논쟁의 대상인 네안데르탈인이 사라진 이유를 드디어 해결할 수도 있다. 비슷한 질문을 데니소바인에게도 할 수 있다. 예를 들자면, 오늘날 오스트랄라시아인에 존재하는 데니소바인에서 유래했다고 짐작되는 유전자 계보의 수준과 양상에 [해로운 돌연변이에 대한 역선택(negative selection)인] 정화선택(purifying selection)이 어떤 기여를 했는가? 데니소바인의 지리적 분포는 어떠했나? 그리고 인간과 데니소바인 사이의 유전자 이입은 어디에서 발생했나? 훗날 데니소바인 표본을 더 찾아내 그 유전체를 분석한다면 이러한 질문에 답하는 데 도움이 될 것이다.


미래에 고대 호미닌의 유전자 혼합을 연구할 수 있다면 복잡하게 얽힌 인류 진화의 이야기를 풀어나갈 수 있다. 아마도 가장 흥미로운 것은 전 세계 어딘가에 한 번도 발굴된 적이 없는 지역에서 찾아낸 표본의 유전체 자료로, 아직 밝혀지지 않은 고대인 혈통이 훨씬 더 많이 존재했는가와 같은 질문을 포함한 인류 진화 이론을 명확히 하는 데 도움이 될 수 있다. 진실로, 오늘날 아프리카인 집단으로부터 얻은 예비 자료는 유전자 확산이 적어도 하나 이상의 다른 고대 호미닌 혈통에서 일어났다고 말한다 [25, 26, 27].


한 세기가 넘은 시간 동안 연구자들은 현대 인간 집단 사이에 존재하는 생물학적·문화적 차이가 이들 집단의 오랜 고립 때문에 진화해 나타났는지 그리고 (문화적) 혁신은 지식의 확산을 통해 일어나는지 [141], 또는 인류의 이동과 집단 사이의 유전자 혼합이 유전적 차이와 문화적 변화를 이끈 원동력이 되었는지를 두고 토론해왔다 [142]. 일부 인간 집단은 오랜 시간 동안 여전히 고립된 채 살고 있지만 [44, 97], 지금까지 확보한 유전체 자료 분석을 놓고 판단한다면 인간 집단의 이동과 유전자 혼합이 과거에 생각했던 것보다 다양한 유전적·문화적 양상을 낳게 하는 데 상당히 큰 역할을 했음이 분명하다 [56, 57, 58, 60, 66]. 또한, 이러한 유전체 연구는 수많은 현대인이 가지고 있는 유전자 특징의 지리적 분포가 인류 진화의 역사에 상대적으로 늦게 정립되었다고 말한다 [60]. 그런데도 전 세계 많은 지역, 특히 아시아와 아프리카와 같은 곳에서 오늘날과 같은 유전적·문화적 차이의 분포를 이끈 역사적 사건에 대한 우리의 이해는 여전히 매우 파편화되어 있다.


고대인 유전체 연구는 빠르게 발전해왔으며, 지난 수년 동안 우리의 관심은 단일 유전체 연구에서 수백 구의 고대인 개체를 포함하는 집단 유전체 연구로 이동했다. 비록 이러한 일이 인간 진화 유전체학에 풍부한 통찰을 제공해왔지만, 이 분야는 여전히 걸음마 상태다. 전 세계 어딘가에 있는 한 번도 발굴된 적이 없는 지역에 초점을 맞추면서 현대인과 고대인 모두의 유전체를 시퀀싱하고 분석하고자 지속해서 노력한다면 오늘날 인류의 문화적·유전적 차이를 형성했던 사건을 묘사하는 더욱 완벽한 그림을 그리는 데 일조할 수 있다.


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