벌레든 인간이든 혹은 푸른 고래이건 모든 다세포 생명체는 단세포 난자로부터 시작된다.

이 홑 세포로부터 유기체를 구성하는데 필요한 수많은 세포들이 생겨나고, 각각의 새로운 세포는 적절한 시기에 적절한 위치에서 이웃 세포들과 조화를 이루며 정확한 기능을 수행한다.

이 ‘위업’은 자연계에서 가장 주목할 만한 일 가운데 하나로서, 수십 년간의 연구에도 불구하고 생물학자들은 그 과정을 아직도 완전히 이해하지 못 하고 있다.

하버드대와 하버드의대 연구진은 과학저널 ‘사이언스’(Science) 26일자 온라인판에 발표한 세 편의 획기적인 연구에서 발달 중인 제브라피쉬와 개구리 배아의 모든 세포들을 체계적으로 프로파일링하여 하나의 세포가 어떻게 완전한 유기체를 구축해 나가는지를 나타내는 로드맵을 보여주었다. (관련 동영상)

연구팀은 단일 세포 시퀀싱 기술을 사용해 배아가 생겨난 첫 24시간 동안 개별 세포들의 ‘운명’을 추적했다. 이들의 분석은 배아 세포들이 새로운 세포 상태와 유형으로 옮겨감에 따라 어떤 유전자들이 언제 켜지고 꺼지는지에 대한 포괄적인 모습을 나타내 주었다.

이번 연구는 이와 함께 두 개의 중요 모델 종에서 서로 다른 유형의 세포를 생성해 내는 유전적 ‘처방전(recipes)’ 목록과, 발달 생물학 및 관련 질병 연구에 필요한 새로운 자원을 제시했다.

‘사이언스’지에 발표한 논문 세 편 중 두 편의 공동 교신저자인 앨런 클라인(Allon Klein) 하버드의대 시스템 생물학 조교수는 “세포들이 생명의 최초 단계에서 내리는 결정에 대한 수십년 간의 고된 연구를 단일 세포 시퀀싱으로 하루에 반복할 수 있었다”고 밝혔다.

연구팀은 생의학적으로 유기체 발달에 관한 이 같은 기초 자원은 유기체 게놈의 기초 자원을 확보하는 것만큼 중요하다고 말한다.

클라인 교수는 “발달 생물학이 일종의 정량적인 ‘빅데이터- 중심’ 과학으로 변모함에 따라 앞으로 발달 생물학의 미래가 어떻게 될 것인가에 대한 생각을 우리가 개발한 접근법을 이용해 그려보고 있다”고 말했다.

세 번째 논문의 교신저자인 알렉산더 샤이어(Alexander Schier) 하버드대 분자 및 세포 생물학 교수는 “이번 연구는 생명의 초기 단계에 대해 새롭게 조명하는 것 이외에 수많은 질병을 새로 이해하는 문을 열었다”고 평가했다.

그는 “우리는 세포가 시간이 지남에 따라 유전자 발현을 변화시키는 어떠한 복잡한 생물학적 과정도 이 접근법을 사용해 재구성할 수 있다고 생각한다”며, “배아의 발달뿐 아니라 암이나 뇌의 퇴행성 변화도 마찬가지”라고 설명했다.

단일 세포 시퀀싱 기술로 수만 개 세포 프로파일링

발달 중인 배아의 모든 세포는 유기체의 완전한 게놈 복사본을 가지고 있다. 건물의 기초를 놓을 때 설계도에서 자신의 업무와 관련된 부분만 사용하는 건설노동자처럼 세포들도 적절한 시간에 배아가 올바로 발달할 수 있도록 필요한 유전자를 발현시켜야 한다.

이번 연구에서 클라인 교수는 시스템 생물학과 마크 커슈너(Marc Kirschner)_주임교수와 션 메거슨(Sean Megason) 부교수를 비롯한 동료들과 협력해 제브라피쉬와 서부 발톱 개구리(Xenopus tropicalis)에 대한 분석작업을 수행했다. 이 두 종은 생물학에서 가장 잘 연구된 실험동물이다.

연구팀은 하버드의대 클라인, 커슈너 및 동료교수들이 개발한 단일 세포 시퀀싱 기술인 인드랍스(InDrops)를 활용해 한 번에 세포 하나씩 배아의 모든 세포에서 유전자 발현 데이터를 수집했다. 24시간 동안 여러 시점에서 두 종에 대해 20만개 이상에 달하는 세포를 공동으로 프로파일했다.

이들은 새로운 세포의 상태와 유형을 표시하는 유전자 발현의 정확한 순서와 함께, 배아가 발달함에 따라 근본적으로 모든 세포의 혈통을 지도화하기 위해 새로운 실험적 전산 기술을 개발했다. 여기에는 트레이서세크(TracerSeq)로 불리는 세포 사이의 혈통 관계를 추적할 수 있는 인공지능 DNA 바코드 기술 도입도 포함됐다.

메거슨 교수는 “유기체가 어떻게 만들어지는지 이해하기 위해서는 유전체의 정적인 서열뿐만 아니라 세포가 운명을 결정할 때 어떤 유전자가 켜지고 꺼지는지 알아야 한다”며, “이것은 체계적이고 정량적으로 의문을 풀어갈 수 있는 최초의 기술적 접근법”이라고 설명했다.

샤이어 교수가 공동으로 이끈 이 연구에서 연구팀은 하버드의대와 ‘MIT 및 하버드 브로드 연구소’가 개발한 단일 세포 시퀀싱 기술인 드랍-세크(Drop-Seq)를 사용해 제브라피쉬 배아가 가장 잘 보이는 12시간 동안 연구를 수행했다. 샤이어 교수팀은 브로드 연구소의 핵심멤버인 아비브 레게브(Aviv Regev) 박사와 함께 URD라 불리는 전산 방법으로 세포의 궤적을 재구성했다.

샤이어 교수팀은 3만8000개 이상의 세포를 프로파일한 다음 25개 세포 유형으로 분류해 이 세포들이 특화됨에 따라 유전자 발현이 어떻게 변화하는지를 나타내는 세포 ‘가계도’를 개발했다. 또한 이 데이터를 공간적으로 추론해 제브라피쉬의 초기 배아에서 다양한 세포 유형들의 공간적 기원도 재구성할 수 있었다.

연구 위해 최신 도구 개발

두 종 모두에서 연구팀의 연구 결과는 이전에 알려졌던 배아 발달 진행의 상당부분을 반영했고, 새로운 접근법이 연구에 큰 역할을 했다. 그러나 이 분석들은 세포들이 초기 전구체 혹은 ‘일반적(generalist)’인 상태에서 협소한 기능을 가진 더욱 특화된 상태로 진행되는 단계들을 전례 없이 포괄적으로 세밀하게 나타내 주었다.

연구팀은 찾아내기가 어려운 희귀한 세포 유형과 아형들을 식별해내 새롭고 매우 특이한 유전자 발현 패턴들을 다른 세포 계통과 연결시켰다. 이들은 여러 케이스에서 세포 유형들이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 일찍 나타난다는 사실을 발견했다.

인체 질병에 대한 의문을 풀어보려고 노력하는 과학자들에게 이 데이터들은 큰 관심의 대상이 될 수 있다. 예를 들어 재생의학 연구자들은 결함이 있는 세포와 조직 혹은 기관을 제 기능을 발휘할 수 있는 것으로 교체하기 위해 수십 년 동안 줄기세포를 특정한 방향으로 분화시키려는 노력을 기울여왔다. 특정 유형의 세포 탄생을 촉진하는 유전자 발현 변화의 순서에 대해 새로 수집된 세부 정보들은 이런 노력들을 더욱 가속화시킬 수 있다.

클라인 교수는 “이런 데이터세트를 사용해 특정 세포 유형을 만들기를 원하면 이제 세포들이 배아에서 형성될 때 취하는 각 단계들에 대한 처방(recipe)을 활용할 수 있다”며, “우리는 어떤 의미에서 복잡한 분화 과정이 실제로 배아에서 어떻게 일어나는지에 대한 표준치를 확립했고, 이런 유형의 과정들을 체계적으로 재구성할 수 있는 사례를 구축했다”고 밝혔다.

그는 생물학 탐구의 핵심 개념 중 하나, 예를 들면 어떤 일이 일어나는지를 연구하기 위해 시스템을 혼란스럽게 하는 아이디어일 경우 이를 단일 세포 시퀀싱과 결합하면 전에는 얻기 어려웠던 통찰력을 얻을 수 있다고 설명했다.

클라인과 메거슨 및 동료 연구자들은 원리 증명을 위해 크리스퍼/카스9 유전자 편집기술을 사용해 돌연변이 형태의 코딘(chordin)을 가진 제브라피쉬를 만들었다. 코딘은 발달 중인 배아의 앞뒤 방향 결정에 관여하는 유전자다. 샤이어 교수팀은 유사한 접근법으로 외눈 핀헤드로 알려진 서로 다른 패턴을 만드는 유전자에서 돌연변이를 가진 제브라피쉬를 프로파일링했다.

연구팀은 단일 세포 시퀀싱 분석을 통해 이전에 알려진 코딘과 외눈 핀헤드 돌연변이에 대한 서술을 확인하고, 이들 돌연변이가 배아 전체에서 발달 중인 세포와 초기 조직에 대해 미치는 영향을 상세히 기술하거나 예측할 수 있었다.

이들 그룹은 예기치 않게 필수적인 신호경로가 상실되었음에도 불구하고 단일 세포 수준에서 유전자 발현은 돌연변이나 야생형에서 동일하다는 사실을 발견했다. 그러나 서로 다른 세포 유형의 비율은 바뀌었다.

샤이어 교수는 “이번 연구는 최근 기술이 발전한 덕분에 수천 개 개별 세포들에서의 유전자 발현을 분석할 수 있었기 때문에 가능했다”며, “이제는 연구 규모가 훨씬 커져서 배아 발생과정에서의 거의 모든 세포와 모든 유전자 발현의 궤적을 재구성할 수 있다”고 밝혔다. 그는 이것이 마치 별 몇 개를 보는 것에서 우주 전체를 보게 된 것과 같다고 비유했다.

기존의 학문적 정의 재고 필요

이들 연구팀은 또한 생물학에서 오랫 동안 과제가 되어온 기본적인 질문들에 답하기 위해 데이터를 어떻게 발굴해야 하는지를 보여주었다.

클라인과 커슈너, 메거슨 교수와 동료 연구진은 제브라피쉬와 개구리 배아 간의 세포 상태를 비교했을 때 거의 유사점을 관찰했다. 그러나 분석 결과 놀라운 점들도 많이 발견됐다. 그런 관찰 중 하나는 한 종에서 세포 상태를 표시하는 유전자들이 다른 종들에서는 같은 세포 상태에 대해 빈약한 유전자 마커로 나타나는 점이었다. 연구팀은 여러 경우에서 유전자의 DNA 서열과 DNA가 부호화하는 단백질 구조가 종들 간에 거의 동일하지만 발현 패턴은 매우 다르다는 사실을 발견했다.

클라인 교수는 “이는 발달 및 생물학에 대해 우리가 가진 직관에 반하는 것이어서 매우 놀랐다”며, “정말로 불편한 관찰이었고, 어떤 ‘세포 유형’이라는 것이 무엇을 의미하는 것인지에 대한 우리의 생각에 직접 의문을 제기토록 한다”고 설명했다.

연구팀은 이러한 차이가 이전에 드러나지 않은 이유는 전산 분석이 기본적으로 사람이 하는 것과 다른 방식으로 데이터에 ‘주의를 기울이기 때문’이라고 짐작한다.

메거슨 교수는 “이것은 얼마 간의 편견 수준을 반영하는 것으로, 과학자들은 종들 간에 보존된 어떤 것을 발견했을 때 이것을 하나의 표지로 추켜세운다”며, “그러나 종종 보존되지 않은 다른 모든 특성들은 무시되고, 정량적인 데이터들이 이런 편견을 그냥 지나치게 하는데 일익을 담당한다”고 지적했다.

연구팀이 관찰한 또다른 주목할 만한 연구 결과는, 세포가 다른 별개 유형으로 분화되는 과정은 일반적으로 공통 조상 세포로부터 서로 다른 세포 유형들이 갈라져 나오는 나뭇가지 구조에서 일어나는 것으로 생각되나, 관찰 결과 나뭇가지뿐 아니라 ‘순환(loops)’ 구조를 형성할 수 있다는 점이다.

예를 들면 평활근과 특정 뉴런 및 두개 얼굴뼈를 포함해 다양한 조직 유형을 만드는 세포군인 신경관은 처음에는 신경과 피부 전구체에서 나타나지만, 뼈나 연골 전구체와 거의 동일하게 보이는 세포들을 생성하는 것으로도 잘 알려져 있다.

이 새로운 관찰 결과는 다른 상황에서도 유사한 순환이 발생할 수 있음을 시사한다. 클라인교수는 같은 상태에서 상이한 발달 이력을 가질 수 있는 세포들이 있다는 것은 발달을 나뭇가지처럼 보는 계층적 견해가 너무 단순하다는 것을 말해준다고 지적했다.

세 연구팀은 또한 일종의 중간적인 ‘의사 결정’ 상태에 있는 세포 집단도 확인했다. 샤이어 교수팀은 세포들이 어떤 핵심적인 발달 지점에서 하나의 발달 궤도를 벗어나 다른 궤도로 바꿈으로써 운명을 변화시킨다는 사실을 발견했다.

클라인과 메거슨, 커슈너 교수팀은 발달 초기에 몇몇 세포들은 두 개의 명백히 다른 발달프로그램을 활성화시켰다는 관찰을 했다. 이 중간 세포들은 결국 하나의 정체성을 택하게 되지만, 이 발견은 세포들이 자신들의 운명을 어떻게 발달시켜 나가는지에 대한 추가적인 정보를 더해주는 한편, 세포의 운명을 지시하는 유전자를 넘어서는 다른 요소들이 존재할 수 있음을 암시한다.

커슈너 교수는 “다분화(multilineage) 세포들을 생각할 때 우리는 세포들의 최종 운명이 유전적 프로그램 하나보다는 어떤 자연 선택의 힘이나 환경과의 상호작용에 의해 결정되는 것은 아닌지 숙고를 시작해 봐야 한다”고 말했다.

미래 연구를 위한 기반 마련

저자들은 이번에 새로 생성된 데이터 세트와 연구의 일부로 개발된 새로운 도구와 기술들은 앞으로의 다양한 연구를 위한 기초가 될 것이라고 말한다.

발달 생물학자들은 여러 종들에서 양질의 데이터를 많이 수집하고, 배아의 발달을 제 시간에 맞춰 관찰하며, 수많은 작은 변화들을 실험할 수 있다. 이 모든 것은 생물학과 질병의 기본 규칙에 대한 이해를 향상시키는데 도움이 된다.

저자들은 이 연구자원들이 공동작업과 상호 협력의 중요한 사례를 제공한다고 보고 있다. 왜냐하면 대부분의 연구실이 생성된 모든 데이터와 정보를 활용할 수 있는 전문지식을 갖추고 있지 못 하기 때문이다.

커슈너 교수는 “이번 연구는 연구 공동체가 갖는 진정한 의미를 창출해, 연구팀 모두가 발생학 연구의 초기 시절로 되돌아가 서로 질문을 하고 귀 기울이며 상호 교류를 했다”며, “세 논문이 매우 훌륭하게 상호 보완적이어서 각각 서로 다른 방법으로 복잡한 데이터세트를 생성하고 분석하고 해석하는 방법을 나타냈다”고 설명했다.

연구팀은 다음 연구에서는 세포의 운명 결정이 어떻게 이루어지는지를 더욱 잘 이해할 수 있도록 새로운 개념 정리를 내놓겠다고 말했다.

메거슨 교수는 “이제 우리는 세포 발달의 로드맵을 갖게 되었지만 이 로드맵은 발달 과정의 신호가 무엇인지는 말해주지 못 한다”며, “우리가 해야 할 일은 세포를 특정 도로 아래로 유도하는 신호와 세포가 그런 결정을 내리도록 하는 내부 메커니즘을 파악하는 것”이라고 지적했다.

앞으로의 연구가 어떻게 전개되든 이번 연구의 데이터세트는 깊은 자취를 남길 것으로 보인다.

클라인 교수는 “유기체에 대한 연구가 주는 아름다움이 바로 이것”이라며, “10년, 20년이 지난 후에도 우리는 여전히 제브라피쉬와 개구리가 같은 패턴을 따라 발달할 것이라고 확신할 수 있다”고 밝혔다.

세 연구팀의 모든 데이터 세트와 도구들은 대화형 온라인 브라우징 리소스로 사용할 수 있도록 해 놓았다.