October 20,2018

사람은 어떻게 컬러로 물체를 볼까

인체 망막 ‘오가노이드’, 색 검출 확인

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사람이 눈에 보이는 자연을 다양한 색감으로 인지할 수 있다는 것은 커다란 축복이자 신비의 하나다.

이 색감을 통해 사람은 자연을 탐구하고, 생존 기술도 익혔으며, 과학과 예술을 발전시켰다.

때문에 색을 볼 수 있는 세포가 어떻게 만들어지는가는 눈을 연구하는 과학자들이 오랫 동안 궁금하게 여겨온 과제다.

최근 미국 존스홉킨스대 생물학자들은 사람이 컬러로 사물을 보도록 하는 세포가 어떻게 만들어지는가를 확인하기 위해 인체 망막 조각에서 망막을 성장시키는 연구를 수행했다.

이들은 세포 수준에서 인간 발달을 연구할 수 있는 실험실 제조 ‘오가노이드(organoid)’를 확립해 눈이 갑상선 호르몬을 조절해 색을 검출한다는 사실을 밝혀냈다. 관련 동영상

이 연구는 과학저널 ‘사이언스’(Science) 12일자에 발표됐다. 이번 연구는 색맹이나 황반변성 치료법 개발에 중요한 교두보를 마련한 것으로 평가된다.

미국 존스홉킨스대 연구팀은 인간의 망막 조직을 성장시켜 어떻게 물체를 컬러로 보는지를 확인했다.  CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

미국 존스홉킨스대 연구팀은 인간의 망막 조직을 성장시켜 어떻게 물체를 컬러로 보는지를 확인했다. CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

인체 눈과 같은 오가노이드 생성

존스홉킨스대의 발달생물학자인 로버스 존스턴(Robert Johnston) 조교수는 “우리가 검토하는 모든 것은 단지 실험실 배양접시에서 자란다는 것뿐이지 정상적으로 발달하는 눈과 같다”고 말하고, “직접 인체를 대상으로 하지 않고도 조작할 수 있는 모델 시스템을 갖게 됐다”고 밝혔다.

존스턴 교수 실험실에서는 세포의 운명은 어떻게 결정되는가 혹은 발달 중인 세포가 특정 유형 세포로 분화하기 위해 자궁에서는 무슨 일이 일어나는가와 같은, 거의 알려지지 않은 인체 생물학을 탐구하고 있다.

이번 연구에서 존스턴 교수팀은 사람들이 파랑, 빨강, 녹색을 볼 수 있게 하는 세포인 세 가지 원뿔 광수용체 연구에 초점을 맞췄다.

대부분의 시각 연구는 생쥐나 물고기를 대상으로 행해진다. 그러나 이 종들은 인간과 같이 낮시간에 역동적으로 활동하거나 색채 감각을 가지고 있지 않다. 때문에 존스턴 교수팀은 줄기세포를 이용해 연구에 필요한 인체 눈을 창출해 냈다.

실험실에서 배양 291일째의 망막 조직. 동영상 캡처. CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

실험실에서 배양 291일째의 망막 조직. 동영상 캡처. CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

색감 세포 핵심 열쇠는 갑상선 호르몬 수치

논문 제1저자인 키아라 엘드레드(Kiara Eldred) 대학원생은 “삼색의 컬러 비전은 대부분의 포유동물로부터 인간을 두드러지게 한다”며, “우리는 이 세포들이 어떤 경로를 통해서 우리에게 특별한 컬러 비전을 제공하는지를 밝혀내려고 노력하고 있다”고 말했다.

몇 달 동안에 걸쳐서 세포들이 자라나 본격적인 망막이 형성되자 연구팀은 파랑색을 검출하는 세포들이 먼저 구체화되고 이어서 빨강과 녹색 검출 세포들이 나타난다는 것을 발견했다.

연구팀은 두 경우 모두 분자 스위치의 핵심이 갑상선 호르몬의 입출이라는 것을 알게 됐다.

중요한 것은 이 호르몬의 수치가 갑상선에 의해 조절되는 것이 아니라(물론 갑상선이 배양접시에 있지도 않지만), 전적으로 눈 자체에 의해 조절된다는 사실이었다.

어떻게 세포들이 갑상선 호르몬의 양에 따라 파랑, 빨강, 녹색이 되는지를 이해함으로써 연구팀은 그 결과를 조종할 수 있었고, 망막이 완전한 인체 눈의 일부일 때 파랑이나 빨강, 녹색 만을 볼 수 있었을 그런 망막을 창출했다.

갑상선 호르몬이 빨강-녹색 원뿔체 형성에 필수적이라는 발견은 조산아들의 시력 장애율이 높은 것에 대한 통찰력을 제공해 준다. 조산아들은 모체로부터의 공급 부족으로 갑상선 호르몬 수치가 낮다.

배양 접시에서 자라는 망막조직을 모니터로 확인하는 모습.  CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

배양 접시에서 자라는 망막조직을 모니터로 확인하는 모습. CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

오가노이드 성장, 인간처럼 아홉 달 걸려”

엘드레드 연구원은 “세포가 최종적으로 어느 기관으로 분화될 지의 운명에 답할 수 있다면 광수용체 손상 환자들의 색감을 회복시키는데 가까이 다가갈 수 있다”며, “과연 우리가 색을 볼 수 있게 해주는 것은 무엇인가 하는 질문은 시각적으로나 지적으로 멋진 물음”이라고 말했다.

이번 연구 결과들은 실험실 연구에서의 첫 단계다. 연구팀은 앞으로 오가노이드를 활용해 컬러 비전과, 황반 같은 다른 각막 부분 생성과 관련된 메커니즘에 대해 더 많은 것을 탐구할 예정이다.

황반 변성은 실명의 주요 원인 중 하나이기 때문에 새로운 황반을 성장시킬 수 있는 방법을 알면 임상 치료로 이어질 수 있다.

존스턴 교수는 “이 연구가 흥미로운 것은 우리가 작업을 통해 인체 발달 메커니즘을 연구할 수 있는 인체 오가노이드 모델 시스템을 확립한다는 점”이라고 말했다.

그는 “여기에서 실제로 매우 힘든 일은 이 오가노이드들이 인간의 아기처럼 발달하는데 아홉달이나 걸린다는 것”이라며, “따라서 우리가 실제로 연구하는 것은 태아 발달”이라고 밝혔다.

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