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4만 년 전 뼈에서 DNA를 읽을 수 있을까? 네안데르탈인 유전체를 복원한 고대 DNA 이야기

13분 읽기

📌 이 글에서 알 수 있는 것

  • 수만 년 된 뼈의 DNA를 읽기가 왜 그렇게 어려웠는지
  • 네안데르탈인·데니소바인 유전체가 어떻게 복원됐는지
  • ‘내 몸의 네안데르탈인 DNA %‘를 어떻게 읽어야 하는지

🦴 오래된 뼈 속 DNA는 어떤 상태일까

생물이 죽으면 DNA를 고치던 세포의 수선 장치도 멈춥니다. 그 뒤 DNA는 물과 미생물에 의해 조금씩 끊어지고 화학적으로 변합니다. 뉴질랜드의 멸종 조류 모아의 뼈 158개를 분석한 연구에서 242 bp 길이 미토콘드리아 DNA(mtDNA)의 반감기는 평균 약 521년이었습니다(매장 온도 약 13°C 기준)1.

그래서 고대 DNA 연구는 “남아 있는 아주 적은 조각을, 오염 없이, 진짜인지 확인하며” 읽는 일입니다. 이 글은 그 방법이 어떻게 만들어졌는지 따라갑니다.

고대 DNA 연구 연표: 1984년 콰가 mtDNA 서열, 1997년 네안데르탈인 mtDNA, 2010년 네안데르탈인 초안 유전체와 데니소바인, 2014년 알타이 네안데르탈인 52배 유전체, 2017년 동굴 퇴적물 속 고인류 DNA, 2022년 페보 노벨상. 아래 상자는 짧은 DNA 조각의 5′ 끝에서 C가 T로, 3′ 끝에서 G가 A로 읽히는 손상 패턴(이중가닥 라이브러리 기준)을 보여 준다.
그림 1. 고대 DNA 연구의 주요 장면과 손상 신호. 각 사건의 근거는 본문 각주에 있습니다.

🦓 1984~1990년대: 콰가, 미라, 그리고 ‘공룡 DNA’

1984년 미국 버클리의 앨런 윌슨(Allan Wilson) 연구팀은 1883년 멸종한 얼룩말 친척 콰가의 박물관 표본(말린 근육)에서 DNA를 뽑았습니다. 양은 신선한 근육의 1%에 가까웠고 잘게 끊겨 있었지만, mtDNA 229 bp를 읽어 산얼룩말과 비교할 수 있었습니다2. 이듬해 스반테 페보(Svante Pääbo)는 이집트 미라 23구를 조사해 2,400년 된 어린이 미라 1구에서 사람 DNA를 클로닝했다고 보고했습니다3.

곧 PCR이 퍼지면서 더 오래된 DNA를 찾았다는 주장이 이어졌습니다. 1994년에는 8천만 년 된 백악기 뼈에서 DNA 서열을 얻었다는 논문이 나왔습니다4. 하지만 이듬해 다른 연구진이 이 서열은 사람 DNA 오염일 가능성이 높다고 반박했습니다5. 호박 속 곤충에서 수천만 년 된 DNA를 얻었다는 보고도 있었지만, 엄격한 재현 실험에서는 진짜 곤충 DNA가 검출되지 않았습니다6. 이후 2012년 DNA 분해 속도를 잰 연구는 이런 백악기 DNA 주장이 성립하기 극히 어렵다고 결론지었습니다1.

교훈은 분명했습니다. PCR은 한 분자도 늘릴 만큼 민감해서, 실험자의 피부 세포 하나도 ‘고대 DNA’로 둔갑할 수 있습니다.

🧬 1997년: 네안데르탈인 mtDNA

뮌헨대로 옮긴 페보 연구팀은 1856년 독일에서 발견된 네안데르탈인 표준 표본의 뼈에서 mtDNA를 읽었습니다. 짧게 겹치는 PCR 산물을 여러 번 읽어 이어 붙였고, 여러 대조 실험으로 이 서열이 뼈 자체의 것임을 확인했습니다. 그 서열은 현대인의 변이 범위 밖에 있었습니다7. 저자들은 네안데르탈인이 현대인에게 mtDNA를 남기지 않은 것으로 보인다고 해석했습니다.

다만 mtDNA는 어머니에게서만 물려받는 작은 유전체입니다. 두 집단이 섞였는지 제대로 보려면 핵 유전체 전체가 필요했습니다.

🔬 왜 그렇게 어려웠나: 짧고, 손상되고, 오염되기 쉽다

  • 짧습니다. 고대 DNA는 대개 평균 200 bp 미만으로 끊겨 있고, 뼈에서 뽑은 DNA의 대부분은 죽은 뒤 뼈에 들어온 미생물 DNA입니다8. 짧고 양이 적은 DNA 조각을 다룬다는 점은 혈액 속 cfDNA(세포 밖을 떠다니는 DNA) 검사와 닮았는데, cfDNA의 발견사는 cfDNA 과학사 글에서 다뤘습니다.
  • 끝이 손상돼 있습니다. 시간이 지나면 시토신(C)이 탈아미노화로 우라실(U)로 바뀌고, U는 시퀀싱에서 티민(T)으로 읽힙니다. 이 변화는 조각 끝에 몰립니다9. 네안데르탈인 데이터에서는 시퀀싱으로 읽은 조각(리드)의 한쪽 끝(5′) 첫 자리에서 시토신의 약 40%가 T로 보였습니다8. 현대 DNA 오염에는 이 패턴이 드물어서, 손상 자체가 진짜 고대 DNA라는 증거로 쓰입니다(그림 1 아래).
  • 현대인 DNA가 섞입니다. 네안데르탈인 DNA는 사람 DNA와 매우 비슷해 오염을 가려내기 어렵습니다. 2010년 연구진은 앞선 예비 데이터 중 하나가 현대인 DNA에 11~40% 오염돼 있었다고 밝혔고, 새 실험에서는 클린룸(외부 DNA가 들어오지 않게 관리하는 전용 실험실)에서 시퀀싱용 표지를 붙여 오염 추정치를 1% 미만으로 낮췄습니다8. 임상 유전체 분석도 시료마다 오염률을 따로 확인하는데, 그 기준은 WGS 품질관리 글에서 볼 수 있습니다.

조각의 길이와 끝 모양을 읽어 출처를 가리는 발상은 혈액 cfDNA의 프래그먼토믹스에서도 핵심입니다. 실제로 2016년 cfDNA 조각 패턴 연구는 일부 시료에 고대 DNA 연구에서 가져온 단일가닥 라이브러리(DNA 두 가닥을 풀어 한 가닥씩 라이브러리를 만드는 방법)를 썼습니다10.

💻 2010년: NGS가 판을 바꾸다

PCR은 미리 정한 짧은 구간만 늘립니다. 반면 차세대 시퀀싱(NGS)은 뽑아낸 조각을 모두 한꺼번에 읽어, 나중에 사람 유전체에 맞춰 봅니다. 짧은 조각이 오히려 잘 맞는 방식이었습니다. 짧은 리드와 긴 리드 플랫폼의 차이는 시퀀싱 플랫폼 비교 글에서 정리했습니다.

  • 2010년 5월, 네안데르탈인 초안 유전체: 크로아티아 빈디야 동굴의 네안데르탈인 3개체(직접 연대를 잰 뼈 2개는 보정 전 방사성탄소 연대로 약 3만 8천~4만 4천 년)에서 40억 개 넘는 염기를 읽었습니다8.
  • 2010년 3월·12월, 손가락뼈 하나로 찾은 새 고인류: 2008년 시베리아 데니소바 동굴에서 출토된 손가락뼈 조각(노벨위원회 설명으로 약 4만 년, 뼈가 나온 지층 연대로는 약 5만 년 전)에서1112 나온 mtDNA는 현대인·네안데르탈인과 약 100만 년 전에 갈라진 미지의 계통이었습니다13. 하지만 같은 해 핵 유전체를 1.9배 커버리지(같은 자리를 평균 1.9번 읽었다는 뜻)로 읽어 보니 이 집단은 네안데르탈인과 더 가까운 자매 집단이었고, 연구진은 이들을 데니소바인이라 불렀습니다14.
  • 2012~2014년, 고품질 유전체: 단일가닥 라이브러리 방법으로 데니소바인 유전체를 30배로 읽었고15, 2014년에는 알타이 산맥 네안데르탈인 여성의 발가락뼈에서 52배 유전체를 얻었습니다. 이 여성의 부모는 아버지나 어머니 한쪽만 같은 형제자매(반형제) 수준의 가까운 친척이었습니다12.
시기할 수 있었던 일한계
1980년대클로닝으로 일부 서열 읽기양이 적고 오염을 가리기 어려움
1990년대PCR로 정한 구간(mtDNA) 늘려 읽기한 분자의 오염도 함께 늘어남
2010년 이후NGS로 모든 조각을 읽고 손상 패턴으로 인증커버리지·비용, 남은 DNA 양의 한계

🌍 무엇을 알게 됐나

  • 네안데르탈인과 섞였습니다. 2010년 연구는 현대인 5명의 유전체와 비교해, 네안데르탈인이 아프리카 사하라 이남 사람보다 유라시아 사람과 변이를 더 많이 공유한다는 것을 보였습니다. 아프리카 밖 사람 유전체의 1~4%가 네안데르탈인에서 왔다고 추정했습니다8. 고품질 유전체를 쓴 2014년 추정치는 1.5~2.1%였습니다12.
  • 데니소바인의 흔적은 오세아니아에 짙습니다. 데니소바인은 현재 멜라네시아인 유전체의 4~6%에 기여한 것으로 추정됐습니다14. 2014년 분석도 오세아니아 집단에서 데니소바인 기여를 확인했습니다12.
  • 물려받은 변이가 지금의 형질과 이어져 있을 수 있습니다. 고지대 적응과 관련된 EPAS1 유전자 주변에서, 티베트인 40명과 한족 40명을 비교한 연구는 선택된 하플로타입(함께 유전되는 변이 묶음)이 데니소바인과 티베트인에게서만 보이고 한족에서는 매우 드물다고 보고했습니다16. 반대로 중증 코로나19 위험과 연관된 3번 염색체 약 50 kb 구간이 네안데르탈인에서 왔다는 분석도 있습니다17.

2022년 노벨 생리의학상은 “멸종한 고인류의 유전체와 인류 진화에 관한 발견"으로 페보에게 돌아갔습니다. 노벨위원회는 데니소바인의 EPAS1 변이와, 감염에 대한 면역 반응에 영향을 주는 네안데르탈인 유전자를 예로 들었습니다11.

🪨 뼈가 없어도: 동굴 흙 속의 DNA

고인류 뼈는 드뭅니다. 2017년 연구진은 동굴 퇴적물에서 mtDNA를 골라 농축하는 방법으로, 유라시아 4개 동굴 8개 고고학 층에서 네안데르탈인 DNA를 찾았습니다. 뼈가 나오지 않은 층에서도 검출됐습니다18. 2021년에는 퇴적물에서 핵 DNA까지 분석해, 북부 스페인에서 약 10만 년 전 네안데르탈인 집단이 교체됐다는 신호를 보고했습니다19. 흙에 섞인 DNA로 ‘누가 있었는지’를 읽는 이 방식은 환경 DNA(eDNA) 연구와 이어집니다.

⚠️ 한계와 주의

  • ‘네안데르탈인 DNA %‘는 집단 평균 추정치입니다. 1~4%(2010년, 저커버리지 초안 유전체)와 1.5~2.1%(2014년, 고품질 유전체를 더한 재추정)처럼, 쓴 데이터와 분석 방법에 따라 추정치가 달라졌습니다812. 한 사람의 정확한 비율이 아닙니다.
  • 연관은 원인이 아닙니다. EPAS1처럼 적응 근거가 비교적 탄탄한 사례도 있지만16, 코로나19 위험 구간처럼 상당수는 유전체 연관 분석에서 출발한 결과입니다17. “네안데르탈인 유전자 때문에 ○○하다"는 식의 문장은 조심해서 읽어야 합니다.
  • DTC 조상 검사의 숫자는 검사마다 다를 수 있습니다. 국내 DTC 유전자검사는 영양·생활습관·신체적 특징에 따른 질병 예방이나 유전적 혈통 찾기 목적으로만 할 수 있습니다20. 국내 업체가 네안데르탈인 비율을 따로 제공하는지는 확인하지 못했습니다.
  • 연표는 성공한 갈래만 남깁니다. 이 글의 장면은 지금으로 이어진 연구를 고른 것입니다. 오염으로 무너진 주장과 실패한 시도는 훨씬 많았습니다.

🏛️ 지금 어디까지 왔나

  • 데이터 규모: 고대인 DNA를 모아 정리하는 Allen Ancient DNA Resource(AADR, 공개 데이터를 같은 형식으로 정리한 자료집)는 2022년 말 유전체 단위 자료가 공개된 고대인이 1만 명을 넘었다고 밝혔습니다21.
  • 고대 병원체: 14세기 흑사병 직전 키르기스스탄 묘지 두 곳의 7명에서 페스트균 유전체 2개를 복원해, 흑사병의 기원을 중앙유라시아로 좁힌 연구가 2022년 나왔습니다22.
  • 한국: 2022년 김해 유하리 패총과 대성동 고분군의 4~5세기 8명 유전체가 보고됐습니다. 저자들은 이를 삼국시대 고유전체 자료로는 처음이라고 밝혔습니다. 이들은 북중국 청동기 계통과 일본 조몬 관련 계통이 섞인 모습이었고, 현대 한국인과 강한 연속성을 보였습니다23. 그보다 앞선 신석기·청동기 한반도 고유전체 일부는 2021년 언어 기원 연구에서 보고됐습니다24. 한반도 구석기 고인류의 DNA 연구는 확인하지 못했습니다.

❓ 자주 묻는 질문

Q. 내 몸에도 네안데르탈인 DNA가 있나요? A. 조상이 아프리카 밖 출신이라면 그럴 가능성이 높습니다. 2014년 연구는 아프리카 밖 사람들의 유전체 약 1.5~2.1%가 네안데르탈인에서 왔다고 추정했습니다12. 다만 이는 집단 평균이고, 사람마다 물려받은 구간은 다릅니다.

Q. 공룡 DNA도 읽을 수 있나요? A. 현재 근거로는 매우 어렵습니다. 뼈 DNA 분해 속도를 잰 연구는 영하 5°C의 좋은 조건에서도 약 680만 년이면 DNA 결합이 남지 않는다고 예측했습니다1. 공룡은 약 6,600만 년 전에 사라졌고, 지금까지 유전체를 읽은 가장 오래된 동물 표본은 100만 년 넘은 매머드이며25, 흙 속 환경 DNA로는 약 200만 년 기록도 있습니다26.

Q. DTC 조상 찾기의 네안데르탈인 %는 믿을 만한가요? A. 재미로 보는 참고치로 읽는 편이 안전합니다. 추정치는 비교 집단과 모형에 따라 달라지고, 연구에서도 1~4%와 1.5~2.1%처럼 값이 바뀌었습니다812. 비율이 높거나 낮다고 건강이나 능력이 달라진다는 뜻은 아닙니다.

📚 함께 보면 좋은 글

참고

  1. Allentoft ME 외. The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils. Proc Biol Sci 2012;279:4724-33. doi:10.1098/rspb.2012.1745 ↩︎ ↩︎ ↩︎

  2. Higuchi R 외. DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family. Nature 1984;312:282-4. doi:10.1038/312282a0 ↩︎

  3. Pääbo S. Molecular cloning of Ancient Egyptian mummy DNA. Nature 1985;314:644-5. doi:10.1038/314644a0 ↩︎

  4. Woodward SR 외. DNA sequence from Cretaceous period bone fragments. Science 1994;266:1229-32. doi:10.1126/science.7973705 ↩︎

  5. Zischler H 외. Detecting dinosaur DNA. Science 1995;268:1192-3. doi:10.1126/science.7605504 ↩︎

  6. Austin JJ 외. Problems of reproducibility–does geologically ancient DNA survive in amber-preserved insects? Proc Biol Sci 1997;264:467-74. doi:10.1098/rspb.1997.0067 ↩︎

  7. Krings M 외. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell 1997;90:19-30. doi:10.1016/S0092-8674(00)80310-4 ↩︎

  8. Green RE 외. A draft sequence of the Neandertal genome. Science 2010;328:710-22. doi:10.1126/science.1188021 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎

  9. Briggs AW 외. Patterns of damage in genomic DNA sequences from a Neandertal. Proc Natl Acad Sci U S A 2007;104:14616-21. doi:10.1073/pnas.0704665104 ↩︎

  10. Snyder MW 외. Cell-free DNA comprises an in vivo nucleosome footprint that informs its tissues-of-origin. Cell 2016;164:57-68. doi:10.1016/j.cell.2015.11.050 ↩︎

  11. Nobel Assembly at Karolinska Institutet. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022, press release (2022.10.3) — nobelprize.org ↩︎ ↩︎

  12. Prüfer K 외. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature 2014;505:43-9. doi:10.1038/nature12886 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎

  13. Krause J 외. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature 2010;464:894-7. doi:10.1038/nature08976 ↩︎

  14. Reich D 외. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature 2010;468:1053-60. doi:10.1038/nature09710 ↩︎ ↩︎

  15. Meyer M 외. A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science 2012;338:222-6. doi:10.1126/science.1224344 ↩︎

  16. Huerta-Sánchez E 외. Altitude adaptation in Tibetans caused by introgression of Denisovan-like DNA. Nature 2014;512:194-7. doi:10.1038/nature13408 ↩︎ ↩︎

  17. Zeberg H, Pääbo S. The major genetic risk factor for severe COVID-19 is inherited from Neanderthals. Nature 2020;587:610-2. doi:10.1038/s41586-020-2818-3 ↩︎ ↩︎

  18. Slon V 외. Neandertal and Denisovan DNA from Pleistocene sediments. Science 2017;356:605-8. doi:10.1126/science.aam9695 ↩︎

  19. Vernot B 외. Unearthing Neanderthal population history using nuclear and mitochondrial DNA from cave sediments. Science 2021;372:eabf1667. doi:10.1126/science.abf1667 ↩︎

  20. 국가생명윤리정책원. DTC 유전자검사 서비스를 위한 항목 신청 가이드라인 VER.4.0 (2026.5.18.) — 국가생명윤리정책원 ↩︎

  21. Mallick S 외. The Allen Ancient DNA Resource (AADR) a curated compendium of ancient human genomes. Sci Data 2024;11:182. doi:10.1038/s41597-024-03031-7 ↩︎

  22. Spyrou MA 외. The source of the Black Death in fourteenth-century central Eurasia. Nature 2022;606:718-24. doi:10.1038/s41586-022-04800-3 ↩︎

  23. Gelabert P 외. Northeastern Asian and Jomon-related genetic structure in the Three Kingdoms period of Gimhae, Korea. Curr Biol 2022;32:3232-44.e6. doi:10.1016/j.cub.2022.06.004 ↩︎

  24. Robbeets M 외. Triangulation supports agricultural spread of the Transeurasian languages. Nature 2021;599:616-21. doi:10.1038/s41586-021-04108-8 ↩︎

  25. van der Valk T 외. Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths. Nature 2021;591:265-9. doi:10.1038/s41586-021-03224-9 ↩︎

  26. Kjær KH 외. A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA. Nature 2022;612:283-91. doi:10.1038/s41586-022-05453-y ↩︎

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