배아 발생 과정에서 관찰되는 뷸균등한 세포 분포의 모식도. 배아 발생이 진행되면서 초기에 신체 좌우축 구성의 불균등이 발생하고, 이어서 배엽간 불균등 및 신체 부위 및 장기간 불균등이 발생함.(KAIST 제공)© 뉴스1

KAIST 의과학대학원 주영석 교수 연구팀과 경북대 의대 오지원 교수 공동연구팀이 전장 유전체 기술을 이용해 인간 배아 발생과정을 규명하는 데 성공했다.이는 향후 발생과정의 이상으로 발병하는 희귀난치병을 이해하는데 기여할 것으로 기대된다.

26일 KAIST에 따르면 전장유전체분석은(whole-genome sequencing, WGS)은 질환 및 약물 반응성에 대한 유전적 요인을 총체적으로 연구하는 기법을 말한다.

그동안 대부분의 배아발생 연구는 예쁜꼬마선충(C. elegans), 초파리, 생쥐 등 모델 동물을 이용해 이뤄졌다.

하지만, 종 간의 차이로 이들로부터 인간의 발생과정을 근본적으로 이해하는데는 한계가 있었다.이에 공동연구팀은 DNA 돌연변이에 주목했다. 수정란이 세포 분열을 하는 과정에서 무작위적 돌연변이가 매 세포에 누적되는 것을 발견했다.

이렇게 발생한 돌연변이는 성체의 자손 세포에게도 전달되기 때문에, 전신에 분포한 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 수행했다.

그 결과 연구팀은 인간 배아 발생과정에 발생하는 현상들을 규명하는 데 성공했다.

특히 배아 내 세포들이 발생 초기부터 서로 동등하지 않다는 것을 발견했다.

예를 들어, 2세포기의 두 세포 중 한 세포가 다른 세포에 비해 더 항상 더 많은 자손 세포를 남기는 것으로 나타났다.

하지만 그 비율은 사람마다 달라서 사람의 발생과정이 개인 간 변동성이 높다는 사실을 확인했다.

또 초기 배아 세포들이 각각의 장기 특이적인 세포로 분화하기 시작하는 시점도 특정할 수 있었다.

수정 후 3일 내, 매우 이른 시기의 배아에서도 (2세포-16세포기) 인체의 좌-우 조직에 대한 배아 세포의 비대칭적 분포가 나타나기 시작했다.

이어 3배엽 분화에 대한 비대칭성, 각 조직 및 장기에 대한 비대칭성이 차례로 형성되는 것을 확인했다.

연구팀의 이번 연구는 전장 유전체 빅데이터를 이용해 윤리적인 문제 없이 인간의 초기 배아 발생 과정 추적이 가능하다는 것을 명쾌하게 증명해냈다는 데 의미가 있다.

이를 응용하면 개개인마다 발생과정 중 나타나는 세포들의 움직임을 재구성할 수 있게 된다.

이번 기술은 향후 발생 과정에서 생기는 희귀질환의 예방, 선별검사 및 정밀치료 시스템 구축에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST 의과학대학원 주영석 교수는 “인간 게놈 프로젝트 완성 20년 만에 단일세포 유전체에 존재하는 돌연변이를 정확히 규명할 수 있을 만큼 발전한 유전체 기술의 쾌거”라고 강조했다.

한편, 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처’ 25일자 온라인판에 게재됐다.


km5030@news1.kr