시각질환 연구의 근거, 공룡의 멸종 원인 새로운 해석의 가능성 제시
한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 김정웅 교수(중앙대)·아난드 스와룹(미국 국립보건원) 공동연구팀이 어두운 곳에서 사물을 인지하는 간상 시각세포*는 밝은 빛을 인지하는 원추 시각세포*에서 발생했다는 진화론적 사실을 발견했다고 밝혔다.
*원추 시각세포 (cone photoreceptor) : 주로 밝은 빛과 색을 인지하는 고깔모양의 시각 신경세포
**간상 시각세포 (rod photoreceptor) : 어두운 곳에서 광자 하나까지도 인지할 정도로 민감한 막대모양의 시각 신경세포
인간을 포함한 포유동물의 눈은 70% 가량이 간상세포로 이루어져 있다. 연구팀은 이 간상세포의 발생과정에서 원추세포의 흔적을 찾아내는데 성공함으로써 시각세포 발달에 있어 원추세포가 먼저 발생하고 일부가 간상세포로 진화하여 어두운 곳에 적응하게 됐다는 새로운 학술적 논거를 밝혀냈다.
연구팀은 먼저 간상세포에서만 녹색 형광이 나타나는 유전자변형 생쥐를 사용하여 간상세포를 분리했다. 생쥐의 망막을 발생 시기별로 수집한 후 형광 유세포 분석기***를 이용하여 순수하게 분리 정제한 것이다.
***형광 유세포 분석기 (Fluorescence activated cell sorter, FACS) : 형광으로 표지된 세포 및 작은 단일 입자들을 전기적 특성으로 순수 분리하는 장치로 형광이 표지된 세포와 표지되지 않은 세포를 따로 분리해 담아 낼 수 있다.
이후 차세대 염기서열 분석방법을 이용한 전사체 분석****을 통해 원추세포 특성을 보이는 유전자들의 흔적을 간상세포의 발생과정에서 발견하였다. 이러한 특징은 초기 척추동물인 제브라피쉬(어류)에서는 발견할 수 없었고 포유동물(생쥐)에서만 특이적으로 발생한 것이 실험적으로 확인되었다. 연구팀은 유전자들의 흔적인 이른바 분자화석*****은 간상세포가 원추세포로부터 기원했다는 결정적 증거를 뒷받침한다고 설명했다.
****전사체 분석 : 유전자가 발현이 되면 전사물질인 mRNA로 만들어지는데 소수의 유전자 발현에 대한 분석이 아닌 전체 유전자로부터 발현되는 총 mRNA의 발현정도를 분석하는 방법
***** 분자화석 : 화석은 과거 생명체가 오랜기간 석화하여 만들어진것인데, 연구팅은 이와 유사하게 생체 세포 내에 남아있는 과거의 생체분자(mRNA, DNA, 단백질 등) 흔적들을 분자화석이라 칭하고 이는 최근들어 진화학 연구에 있어서 매우 중요한 증거로 사용되고 있다. 이러한 분자화석 증거들은 최근 ‘진화발생 생물학(Evo-devo, evolutionary developmental biology)’의 주요한 연구자료로 사용되고 있다.
이 연구결과는 지금까지 망막을 구성하는 시각 신경세포가 각각 서로 다른 망막 기원 세포에서 유래했을 것이라는 종래의 학설을 뒤엎는 근거를 제시함으로써 노인성 황반변성증, 망막 색소변성증 등 눈 질환의 새로운 치료 접근 단서를 제공하였다.
또한 이 연구결과를 토대로 백악기 말 지구에 빛이 차단된 오랜 기간 동안 공룡은 멸종하고 포유동물이 살아 남은 이유에 대한 새로운 해석의 가능성을 제시했다. 포유동물은 시각세포의 진화를 통해서 암흑기에 적응하여 주행성 포식자인 공룡을 피할 수 있었고, 반면 주행성인 공룡은 어둠 속에서 먹이를 찾을 수 없어 멸종했을 가능성이 있다는 것이다.
김정웅 교수는 “이번 연구성과는 간상세포가 원추세포에서 기원하였다는 결정적 증거를 제시한 것이다. 노인성 황반변성증 및 망막 색소변성증과 같은 눈 질환의 발병 메커니즘의 이론적 근거를 마련하였으며, 복잡한 뇌 조직 등에도 유사한 연구방법을 적용할 수 있어 기초 생명과학 분야에 활용될 수 있을 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구성과는 권위 있는 과학기술 학술지 디벨롭멘탈 셀(Developmental Cell) 6월 20일자에 게재되었다.
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
-논문명: Recruitment of Rod Photoreceptors from Short-Wavelength-Sensitive Cones during the Evolution of Nocturnal Vision in Mammals, Developmental Cell, June 20 2016, Vol 37 issue 6, p520-532
-저자 정보 : 김정웅(제1저자, 중앙대), 양현진(공동 제1저자, 미국 국립보건원), 아담 필립 오엘(Adam Phillip Oel)(제1저자, 캐나다 알버타대), 매튜 죤 브룩스(Matthew John Brooks)(공동저자, 미국 국립보건원), 리 지아(Li Jia)(공동저자, 미국 국립보건원), 대이비드 찰스 프라쳇즈키(David Charles Plachetzki)(공동저자, 미국 뉴햄프셔대), 웨이 리(Wei Li)(공동저자, 미국 국립보건원), 위리엄 테드 애리슨(William Ted Allison)(공동교신저자, 캐나다 알버타대), 아난드 스와룹(Anand Swaroop)(교신저자, 미국 국립보건원)
□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
시각 신경세포의 발생 및 기원에 대한 연구는 시각에 관련된 많은 질병들의 발병 메커니즘을 연구하는데 중요하며, 생명과학 분야에서 전통적으로 세포의 발생에 대한 중요 연구모델로 사용되어 다른 분야로의 연구 파급효과가 큼.
기존의 발생학 연구방법*에서 주로 사용되었던 연구 방법 뿐만 아니라 세포를 단일 세포수준에서 순도 높게 분리해 낼 수 있는 방법을 사용하여 세포 타입에 따른 연구가 가능해졌으며, 이러한 연구방법은 전체 조직의 기능을 이해하는데 필수적이다.
* 발생학 연구방법 : 기존 발생학 및 분자세포 생물학 연구 방법의 어려움 중 하나는 여러 종류의 세포들이 섞여있는 조직을 이용하여 연구함으로써 특정 기능이 어느 세포에 의해 기인하였는지 확인하기 어려움이 있었음.
2. 연구내용
연구팀은 이러한 세포형태 특이적 기능의 중요성을 인지하고, 망막세포를 모델 시스템으로 하여 빛을 인지하는 단일 시각 신경세포들을 분리하기 위해서 노력함. 이 연구에서는 형광 유세포 분석기*(Fluorescence Activated Cell Sorter, FACS)를 사용하여 녹색 형광으로 표지된 간상 시각세포를 단일 분리하고, 순수 하게 분리된 세포 표본을 이용하여 다양한 생물학적 연구들을 수행함. 그 결과, 순수 분리된 간상세포에 원추세포의 특징이 간상세포의 발생과정 동안 남아 있는 것을 확인하였고, 이를 바탕으로 간상세포가 원추세포에서 기원했을 가능성을 처음으로 제시함.
* 형광유세포분석기 : 형광으로 표지된 세포 및 작은 단일 입자들을 전기적 특성으로 순수 분리하는 장치로 형광이 표지된 세포와 표지되지 않은 세포를 따로 분리해 담아 낼 수 있음.
이러한 ‘분자화석*’의 흔적은 제브라피쉬(어류)와 같이 초기 척추동물에서는 발견할 수 없었고 포유동물(생쥐)에서만 확인할 수 있었는데, 이는 주행성인 공룡(파충류)과 달리 포유동물이 야행성에 적응하기 위해 야간활동에 필수적인 간상세포의 수를 늘리는 방향으로 진화하기 위한 흔적으로 보인다고 밝힘.
* 분자화석 : 화석은 과거 생명체가 오랜기간 석화하여 만들어진것인데, 연구팅은 이와 유사하게 생체 세포 내에 남아있는 과거의 생체분자(mRNA, DNA, 단백질 등) 흔적들을 분자화석이라 칭하고 이는 최근들어 진화학 연구에 있어서 매우 중요한 증거로 사용되고 있다. 이러한 분자화석 증거들은 최근 ‘진화발생 생물학(Evo-devo, evolutionary developmental biology)’의 주요한 연구자료로 사용되고 있다.
3. 연구 성과
이 연구는 그 동안 관찰이 어려웠던 단일 세포수준에서의 연구가 가능함을 보여주는 중요한 연구로 세포학, 발생학, 정밀의학 등의 최신 생명과학 및 의·약학 분야에 중요한 실험적·방법론적 단초를 제공함.
이 연구는 진화의 흔적이 발생과정에 남아있다는 진화발생 생물학(Evo-Devo, Evolutionary developmental biology)의 결정적 증거로 활용될 것이며, 특정 한 두 개 유전자의 발현 양상에 의한 증명이 아닌 최신의 유전체학 연구방법을 활용하여 보여준 대표적 연구사례로 활용될 것이라 기대됨.
망막의 간상 시각세포가 원추세포로부터 기원했을 것이라는 연구팀의 가설에 대한 다양한 증거들을 제시함에 따라 간상세포 및 원추세포의 기능 상실로 발생하는 다양한 눈 질환들의 발병 메커니즘을 연구하는데 중요하게 활용될 것으로 기대됨.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
현대 사회 생활을 하고 있는 문명 인류와 달리 문명전의 인류 혹은 동물에게 있어서‘눈으로 본다’함은 단순히 빛을 인지하는 감각기능 이상의‘생’과‘사’를 결정하는 중요한 기능이다. 이렇게 중요한 빛을 인지하는 감각 세포는 밝은 빛과 색깔을 인지하는 원추세포와 어두운 곳에서 빛을 인지하는 간상세포로 구성되어 있다. 이러한 시각 신경세포가 제대로 역할을 하지 못하면 시력을 상실하게 되고, 많은 시각 관련 눈 질환들이 이 세포들의 기능 상실에 의해서 발생하게 된다.
원추세포는 간상세포에 비해 색깔을 인지할 수 있고, 해상도가 높아 사물을 훨씬 뚜렷하게 인지할 수 있음에도 인간을 포함한 많은 종류의 포유동물들의 망막에 왜 간상세포가 70% 가까이 훨씬 많은 세포들로 이루어져 있는지 의문을 가졌다.
세포생물학 분야 연구에서 가장 큰 어려움 중 하나는 어떠한 생명 현상이 어떠한 종류의 세포로부터 나타나는 것인지 밝혀내는 것이다. 대부분의 생체조직은 그 조직이 정상적으로 활동하기 위해서 다양한 종류의 세포들로 구성되어 있는데, 최근 들어 각 세포 형태 특이적인 기능 및 생명 현상 연구의 중요성이 매우 부각되고 있다.
2. 연구내용
기존의 학설에서는 원추세포와 간상세포의 기원을 정확히 알 수 없었고, 이들 세포가 각기 다른 종류의 원시세포로부터 망막 발생 시기에 따라 세포의 종류가 결정되는 것으로 주장되었다. 그러나 연구팀은 이와 달리 간상세포의 발생과정 동안 원추세포의 흔적이 남아 있는 것으로 미루어보아 (반대로 원추세포 발생과정 동안에는 간상세포의 흔적이 남아 있지 않았음) 간상세포가 원추세포로부터 기원하였다고 새로운 가설을 제시하였다.
연구팀은 망막의 간상세포를 순수 분리하기 위해서 간상세포에서만 녹색 형광이 표지되는 유전자변형 생쥐를 사용하였고, 이 생쥐의 망막을 발생 시기 별로 수집한 후 유세포 분석기를 이용하여 간상세포만을 순수 분리 정제 하였다. 순수한 간상세포만을 이용하여 다양한 유전체 분석실험들을 수행하였는데, 망막에 존재하는 다른 세포들의 흔적은 전혀 보이지 않았으나, 간상세포와 기능적·형태적으로 유사한 원추세포의 흔적이 발견되었고, 연구진은 이를 바탕으로 간상세포가 원추세포로부터 기원했을 것이라는 가설을 최초로 증명하였다.
간상세포에 남아있는 원추세포의 흔적은 포유동물에서는 발견되었으나, 어류에서는 발견되지 않는 것으로 보아 이러한 현상이 척추동물 특이적으로 발생한 것으로 실험적으로 확인하였다. 이러한 실험 결과들을 바탕으로 연구팀은 포유동물이 야행성으로 적응하는 과정에서 기능이 유사한 원추세포를 활용하여 간상세포로 발생시켜서 나타나는 현상일 것이라고 제시하였다. 과거 지구상에는 태양의 빛이 거의 단절된 오랜 기간의 암흑기가 있었는데, 연구진은 포유동물이 이러한 암흑기에 시각세포의 진화를 통해서 적응하여 주행성 포식자인 공룡으로부터 피할 수 있었고, 이에 따라 번성할 수 있었을 것이라고 최신 생명과학 연구기법인 전사체학, 후성유전체학*, 세포기원 추적실험* 등 연구진의 다양한 실험들을 통해서 제시하였다.
* 후성유전체학 : 유전자 발현이 조절되는데 있어서 유전자상의 변화 이외에 다양한 환경적 요인에 의한 변화를 후성유전학이라고 하는데, 이를 전체 유전자 차원에서 연구하는 방법을 후성유전체학이라함.
* 세포기원 추적실험 : 특정 기능을 나타내는 세포의 기원을 연구하기 위해서 이 세포들을 만들 수 있는 원시 세포들을 표지하면 이를 이용하여 분화된 세포의 기원을 추적할 수 있는데, 본 연구에서는 생쥐와 제브라피쉬를 이용하여 세포의 기원을 추적하는 연구를 수행하였다.
3. 기대효과
이 연구는 진화학적 주장에 대한 실험적 근거를 보여주는 좋은 사례일 뿐만 아니라, 연구 방법론적으로 다양한 생물학 분야를 막론하는 주요 결과들을 제시하였다. 특히 발생학, 세포생물학 등의 기초 생명과학분야를 비롯해 시각세포와 관련된 의·약학적 단초들도 제시하고 있어 그 의미와 활용범위가 대단히 넓다고 볼 수 있다.
노인성 황반변성증 및 망막 색소변성증과 같이 시력상실을 동반하는 시각질환의 많은 경우에 있어서 간상세포의 사멸에 의해서 시력상실이 시작된다. 간상세포가 사멸된 이후에도 대부분의 원추세포들은 여전히 살아 남아있는 경우가 많은데, 본 연구결과를 활용하여 각 시각 신경세포의 특성을 이용한 시력개선 연구에 도움을 줄 수 있을 것이다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
현재 우리는 사회생활을 하고 있기 때문에 시각 장애가 삶의 질은 크게 떨어뜨리지만, 생사를 가르는 중요한 요인은 아니다. 그러나 동물에게 있어서 눈으로 본다는 것은 포식자로부터 도망갈 수 있는 생사를 결정하는 중요한 기능이다. 망막 및 시각세포의 발생 및 기원에 대한 연구는 생물학에서도 세포타입의 발생에 관한 매우 중요한 모델로 연구가 되고 있는데, 세포들을 순수 분리하는 것이 매우 어려워서 연구에 제한이 많았다. 하지만 이를 극복하기 위해 기존에 개발된 유세포 분석기를 활용하고, 더 나아가 단일세포만 분리하는 새로운 방법을 개발하여 이 연구 수행이 가능해졌다. 최초 연구를 시작하는 단계에서는 단일세포 타입에 대한 연구가 없었기 때문에 이를 이용하여 여러 가지 유전체 분석을 수행하기로 계획했었으나, 연구과정에서 생물학적으로 매우 의미 있는 진화의 흔적을 발견하게 되어서 우연한 계기로 이 연구를 수행할 수 있었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
이 연구는 유전체 분석을 하기 위한 최초의 연구계획과 달리 연구 진행과정에서 찾아진 새로운 결과들을 바탕으로 기존의 학설과 다른 새로운 가설을 제시하고 이를 증명하기 위한 일련의 긴 여정이었다. 여러 공동연구진들과의 협력 연구를 통해서 하나의 시스템뿐만 아니라, 생쥐, 물고기 등을 이용한 다양한 연구 방법들을 통해서 하나의 가설이 입증되기 위해 어떠한 과정을 거쳐야 하는지 배울 수 있었던 매우 소중한 경험이었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
단일세포를 수집하기 위해서 기존의 개발된 유세포분석기를 사용하여 최초로 진화의 흔적을 간상세포에서 발견하였으나, 여전히 다른 종류의 세포와 섞여 있을 수 있다는 수집된 샘플의 질에 대한 문제가 항상 제기되었다. 이를 극복하기 위해 형광으로 표지된 간상세포를 하나씩 일일이 수집하는 방법을 김정웅 교수가 개발하였고, 순도 100%의 간상세포 집단에서도 추상세포의 흔적이 발견됨을 확인하여 표본의 오염에 대한 우려를 극복하였다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존의 발생학, 세포학적 연구로는 세포타입 특이적인 연구에 한계점이 많았고, 세포오염에 대한 의문점들이 항상 제기되었다. 이 연구는 기술적 방법적으로 기존의 우려들을 모두 극복하고, 최신의 염기서열 분석방법을 통해 소수의 유전자 분석이 아닌, 전체 유전체 차원에서 분석했다는데 의의가 있다. 이에 따라 다차원 유전체 분석이 가능했고, 생체 기능을 시스템적ㅇ로 이해할 수 있는 다양한 방법들을 새롭게 제시하였다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
망막조직을 이루는 세포들은 기능에 따라 매우 아름답게 층을 이루어 분포하고 있는데, 이러한 특징을 이용하여 후생유전학의 새로운 분야를 개척하는 것이 향후 연구의 목표이다.
용 어 설 명
1. 디벨롭멘탈 셀 (Developmental Cell)
셀 자매지로서 생명과학 및 특히 발생생물학 분야의 주요 발견을 다루는 종합 과학 및 기술 전문 학술지. 다학제간 분야 상위 10%인 우수 학술지. (피인용지수 : 9.338)
2. 형광유세포분석기 (Fluorescence activated cell sorter, FACS)
형광으로 표지된 세포 및 작은 단일 입자들을 전기적 특성으로 순수 분리하는 장치로 형광이 표지된 세포와 표지되지 않은 세포를 따로 분리해 담아 낼 수 있다.
3. 간상 시각세포 (rod photoreceptor)
빛을 인지하는 감각 시각세포로 어두운 곳에서 광자 하나까지도 인지할 정도로 민감한 세포임.
4. 추상 시각세포 (cone photoreceptor)
빛을 인지하는 감각 시각세포로 주로 밝은 빛과 색을 인지할 수 있다.
5. 전사체 분석
유전자가 발현이 되면 전사물질인 mRNA로 만들어지는데, 소수의 유전자 발현에 대한 분석이 아닌, 전체 유전자로부터 발현되는 총 mRNA의 발현정도를 분석하는 방법.
6. 분자화석
분자화석은 진화의 흔적을 화석으로부터 찾을 수 있는 것처럼, 진화의 흔적이 남아 있는 생체분자를 말함.
그 림 설 명
(그림1) 포유동물(쥐)에서 간상세포의 수가 특이적으로 증가하는 방향으로 진화
야행성 포유동물인 생쥐는 80% 이상이 어두운 빛을 인지하기 위한 간상세포들로 이루어져 있다. 이와 달리 주행성 물고기는 70% 가량이 밝은 빛을 인지하는 원추세포로 이루어져 있다. 포유동물은 어떻게 어두운 곳에 적응하기 위해서 간상세포의 수를 증가 시켰을까? 연구팀은 원추세포를 만드는 세포들을 이용하여 간상세포의 수를 증가시켰다고 보고했다.
(그림2) 세포 진화의 결과 간상세포에 남아있는 원추세포의 흔적
연구팀은 유전자 변이된 생쥐 모델을 이용하여 원추세포를 추적할 수 있는 단백질을 발현하면 검은색으로 염색되도록 하였는데, 원추세포(녹색으로 표지된 세포)뿐만 아니라, 그 이 외의 간상세포에서도 다량의 흔적이 남아있음을 발견하였다 (좌측 사진, 생쥐의 망막층에서 녹색형광 이외의 검게 염색된 부분이 간상세포에 남아있는 원추세포의 흔적임).
연구팀은 이러한 진화의 흔적을 세포에 남아 있는‘분자화석’이라 명칭하였고, 이는 실제 화석(우측 사진)과 같이 매우 중요한 진화의 증거라고 보고하였다.
