인간은 단 1개의 세포가 최대 3조개의 세포로 분화하면서 만들어진다. 그러나 세포가 분화하면서 서로 다른 각종 장기가 되고 이들이 합쳐진 생명체가 만들어지고 이후에도 손상을 입은 장기가 회복되는 과정은 아직도 과학계의 미스터리다.
이를 풀기 위해 세포에 내재된 분화의 역사를 밝혀내려는 시도가 활발히 이뤄지고 있다고 미 뉴욕타임스(NYT)가 25일(현지시각) 보도했다.
스위스 바젤대 알렉스 시어 박사 연구팀이 DNA에 발생 과정이 담긴 유전자 조각을 삽입하는데 성공했다. 세포가 분화하면서 특정 장기를 만들어내도록 한 것이다.
이들은 또 세포가 다른 세포로부터 특정 단백질을 만들라는 신호를 받는 등 주요 발달 과정에 발생하는 내용들을 유전자에 기록되도록 만들었다.
시어 박사는 언젠가는 우리 몸에 감시 세포를 주입해 건강 상태의 변화를 추적할 수 있게 될 것으로 추정했다. “지금 몸이 아픈 것이 3개월 전에 바이러스에 감염됐거나 7개월 전에 수은에 중독된 것이 원인인지를 밝혀낼 수 있다”고 했다. 감시 세포에 기록된 세포의 역사를 살펴보면 알 수 있다는 것이다.
워싱턴대 유전생물학자 제이 셴듀어 박사는 “이 기술에 모든 걸 걸고 있다. 기존의 생물학과는 완전히 다른 패러다임”이라고 말했다.
셴듀어 박사는 강력한 유전자 편집기술 크리스퍼(CRISPR)를 활용해 연구하고 있다. 세포 DNA에서 특정 유전자 1개를 잘라 내거나 삽입할 수 있을 정도로 정교한 기술이다.
셴듀어 교수팀은 크리스퍼 기술로 세포 분화 역사를 기록하는 작업에 착수했다. 수정된 세포가 투명해 연구하기 쉬운 제브라피시라는 물고기의 DNA에 10여 가지의 유전자를 잘라 내거나 추가했다.
변형된 유전자들이 분화한 세포의 유전자에도 그대로 이어졌다.
성체가 된 제브라피시의 유전자 구조를 읽어낸 뒤 세포가 특정 장기로 분화하도록 하는 신호를 담은 유전자 옆에 식별 코드 유전자를 삽입했다.
삽입된 코드 유전자가 후손에게도 계속 이어졌다. 예컨대 5마리의 조상 제브라피시에 삽입된 혈액 형성 코드 식별 유전자가 거의 모든 후대 제브라피시 혈액 유전자에서 발견됐다.
이들이 2016년 연구 결과를 발표한 뒤 같은 방식으로 연구하는 과학자들이 10명이 달한다는 것이 밝혀졌다. 이들이 현재 공동 연구를 통해 새로운 세대의 세포 기록기를 만들고 있다.
미 캘리포니아공대(칼테크)의 마이클 엘로위츠 교수 연구팀은 세포를 파괴하지 않고도 세포의 분화 역사를 읽어낼 수 방법을 연구하고 있다. 화학물질을 세포에 반응시켜 특정 코드가 있는 지를 알아내는 연구다.
또 엘로위츠 교수팀과 다른 연구팀들이 세포의 특정 분화 사건을 기록할 수 있는 방법을 고안하고 있다. 면역세포가 바이러스를 감지한 기록이나 피부세포가 햇빛에 색소를 만들어낸 기록 등이다.
셴듀어 박사 연구팀은 최근 “DNA 타자기” 수준의 세포 기록기를 만들어냈다. 세포의 DNA에 삽입된 식별 유전자 바로 옆에 다른 식별 유전자를 타자를 치듯이 삽입하는 방식이다. 이들은 10여 가지의 서로 다른 식별 유전자를 만들어냈다. 세포의 분화 역사와 특정 이벤트를 기록할 수 있는 것들이다.
연구는 현재 페트리 접시의 쥐 세포군을 대상으로 이뤄지는 수준이다. 그러나 연구자들은 수정된 1개의 세포가 100억 개로 분화돼 만들어지는 쥐 성체의 모든 세포마다 유전자에 기록기가 달린 “레코더 마우스(recorder mouse)”를 만들기 위해 노력하고 있다.
시어 박사는 과학자들이 조만간 발달 과정에 작용하는 법칙을 찾아낼 수 있을 것으로 전망했다.
