국내 연구진, 인간의 세포분화와 발생 과정 규명

전장유전체 기술 이용, 인간 발생과정 규명 성공 김성규 기자l승인2021.08.26l수정2021.08.26 17:07

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경북대병원 생명의학연구원 오지원 교수와 카이스트 의과학대학원 주영석 교수 공동연구팀이 전장유전체 기술을 이용하여 인간 발생과정을 규명하는데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지 ‘네이처(nature)’8월 25일자 온라인판에 게재됐다.
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03786-8.

이번 연구는 인간 배아에 존재하는 소수의 세포들이 인체에 존재하는 총 40조 개의 세포를 어떻게 구성하고 각각의 장기로 언제 분화하는지 체계적으로 이해하기 위한 것으로 현존하는 세계 최대 규모의 결과이다.

단 하나의 수정란이 인체의 다양한 장기를 만들어내는 인간 발생과정의 원리를 밝히는 것은 의생명과학의 근본적 물음이었다. 하지만 직접적인 연구를 위해서는 필연적으로 배아의 파괴를 동반하기 때문에 그동안 대부분의 배아발생 연구는 예쁜꼬마선충 (C. elegans), 초파리, 생쥐 등 모델 동물을 이용하여 이루어졌다. 특히 예쁜꼬마선충의 배아 발생과정 연구는 2002년 노벨생리의학상의 영예를 안겨주기도 하였다. 하지만 종 간 차이로 이들로부터 인간의 발생과정을 근본적으로 이해하는 데는 한계가 있었다.

이를 극복하기 위하여 본 연구팀은 DNA 돌연변이에 주목하였다. 수정란이 세포 분열을 하는 과정에서 무작위적 돌연변이가 매 세포에 누적되는 것을 발견하였다. 이렇게 발생한 돌연변이는 성체의 자손 세포에도 전달되기 때문에, 온몸에 퍼진 성체 단일세포의 DNA 돌연변이를 체계적으로 분석한다면 이들을 세포의 바코드로 삼아 배아 세포들의 움직임을 재구성해낼 수 있다는 결론을 얻었다.

이를 바탕으로, 7명의 시신 기증자에서 총 334개의 단일세포 및 379개의 조직을 기증받아 세계 최대 규모의 단일세포 전장유전체 분석을 수행하였다. 본 연구로부터 연구팀은 인간 배아발생 과정에 발생하는 현상들을 규명하는 데 성공하였고, 배아 내 세포들이 발생 초기부터 서로 동등하지 않다는 것을 발견하였다.

▲그림 : 배아 발생 과정에서 관찰되는 뷸균등한 세포 분포의 모식도. 배아 발생이 진행되면서 초기에 신체 좌우축 구성의 불균등이 발생하고, 이어서 배엽 간 불균등 및 신체 부위 및 장기간 불균등이 발생함.

연구팀의 이번 연구는 전장 유전체 빅데이터를 이용하여 윤리적인 문제 없이 인간의 초기 배아발생 과정 추적이 가능하다는 것을 명쾌하게 증명해냈다는 데 의의가 있다. 이를 응용하면 개인마다 발생과정 중 나타나는 세포들의 움직임을 재구성할 수 있게 된다. 본 기술은 향후 발생과정에서 생기는 희귀질환의 예방, 선별검사 및 정밀치료 시스템 구축에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

경북대병원 생명의학연구원 오지원 교수는 “죽음에 이른 신체로부터 인간 생명의 첫 순간을 규명할 수 있다는 것을 증명한 놀라운 연구로, 숭고한 희생정신으로 본인의 신체를 기증한 분들이 없었다면 본 연구는 불가능하였을 것”이라고 말했다.

KAIST 주영석 교수는 “인간 게놈 프로젝트 완성 20년 만에 단일세포 유전체에 존재하는 돌연변이를 정확히 규명할 수 있을 만큼 발전한 유전체 기술의 쾌거”라며“기술 혁신을 기반으로 향후 지속해서 더 높은 해상도의 인간 배아 발생과정 추적이 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 보건복지부 세계선도의과학자 육성사업, 서경배 과학재단 및 한국연구재단(리더과제, 우수신진연구, 지역대학 우수과학자, 선도연구센터)의 지원을 받아 수행됐다.


김성규 기자  medical_hub@hanmail.net
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