Transmembrane aminopeptidase Q (Taqpep) is a common mechanism in the establishment of periodic patterning in skin and intestine

당신의 몸을 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 이 도시에는 두 가지 매우 다른 구역이 있습니다. 하나는 피부인데, 이곳은 나무(모낭)를 완벽하고 균일한 격자 형태로 심어야 하는 넓고 평평한 공원과 같습니다. 다른 하나는 **장(intestine)**인데, 이곳은 긴 터널 형태이며 보안 요원(신경 세포)들이 교통 흐름을 원활하게 유지하기 위해 정돈된 리듬의 줄을 맞춰 서 있어야 합니다.

오랫동안 과학자들은 피부 공원의 나무들을 정리하는 '현장 소장'이 장 터널의 보안 요원들을 줄 세우는 사람과는 완전히 다른 인물이라고 생각했습니다. 하지만 이 새로운 연구는 그들이 사실 동일한 현장 소장일 수도 있다는 점을 시사하며, 그의 이름은 바로 Taqpep입니다.

"얼룩덜룩한 고양이"의 단서

이야기는 고양이로부터 시작됩니다. 여러분은 아마도 깔끔하게 소용돌이치는 줄무늬를 가진 태비 고양이를 본 적이 있을 것입니다. 하지만 어떤 고양이들은 줄무늬가 지저도, 뭉쳐 있거나 아예 사라진 "얼룩덜룩한" 또는 "대리석 무늬"의 털을 가지고 있습니다. 과학자들은 이 고양이들이 Taqpep 유전자의 결함된 버전을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 알고 보니 Taqpep은 피부에게 "자, 줄무늬는 여기에 가고, 빈 공간은 저기에 배치해"라고 명령하는 보스였습니다.

여기서 큰 의문이 생겼습니다. 이 똑같은 보스가 장 내부의 신경 세포를 조직하기 위해서도 나타날까요, 아니면 그것은 완전히 다른 직무일까요?

탐정 작업: 현장 소장을 찾아서

스탠퍼드 대학교 팀이 이끄는 연구진은 생쥐의 몸속에서 탐정 놀이를 하기로 했습니다. 그들은 T-aqpep이 장을 조직하기에 적절한 장소와 시기에 머물고 있는지 확인하고 싶었습니다.

그들은 Taqpep이 발달 중인 생쥐의 장에 실제로 존재한다는 것을 발견했습니다. 하지만 여기서 반전이 있습니다. Taqpep은 신경 세포 내부에 있는 것이 아닙니다. 대신, 그것은 장이라는 튜브의 바깥쪽을 감싸고 있는 얇은 외벽 층인 **장막(serosa)**에 살고 있습니다. 이것은 마치 현장 소장이 건물 외부의 비계 위에 서서 내부의 노동자들에게 지시를 내리는 것과 같습니다.

결정적으로, 논문은 신경 줄무늬가 형성되기 바로 직전에 Taqpep이 이 외곽 층에 나타난다는 것을 보여줍니다. 즉, 줄무늬를 위한 "설계도"가 그려지는 바로 그 순간에 그곳에 존재하는 것입니다.

실험: 현장 소장을 망가뜨리다

이 현장 소장이 실제로 필요한지 확인하기 위해, 과학자들은 CRISPR라는 도구를 사용하여 Taqpep 유전자가 "고장 난" 버전의 생쥐를 만들었습니다. 그들은 기능적인 Taqpep을 전혀 생성할 수 없는 생쥐를 제작했습니다.

피부에는 어떤 일이 일어났나?
얼룩덜룩한 고양이들처럼, 변이된 생쥐들도 망가진 모낭을 가지고 있었습니다. 깔끔하고 균일하게 간격이 떨어진 점 대신, 초기 모낭들은 서로 뭉쳐 있거나 크기가 불규칙하고 간격이 일정하지 않았습니다. 논문은 Taqpep이 없으면 피부의 패턴이 엉망이 된다는 것을 확인해 줍니다.

장에는 어떤 일이 일어났나?
이것이 바로 큰 발견이었습니다. 변이된 생쥐의 경우, 장의 신경 줄무늬 또한 망가져 있었습니다.

• 좋은 소식: 신경 세포의 총 개수는 변하지 않았습니다. "보안 요원"들은 모두 여전히 그 자리에 있었습니다.
• 나쁜 소식: 그들의 간격이 혼란스러웠습니다. 정상적인 생쥐에서 신경 줄무늬 사이의 거리는 매우 일관되지만(대부분 200~300 마이크론 사이), 변이된 생쥐에서는 줄무늬가 너무 가깝게 뭉치거나(100 마이크론 미만) 혹은 너무 멀리 떨어져 있었습니다(400 마이크론 이상).

논문은 이 생쥐들에게 다른 주요한 문제가 없었음을 명시적으로 배제했습니다. 생쥐의 장 길이는 정상 생쥐와 같았고, 근육벽의 두께도 동일했습니다. 오직 '패턴'만이 "고장" 난 상태였습니다.

어떻게 작동하는가? (Wnt와의 연결고리)

그렇다면 장 외부의 단백질이 어떻게 내부의 신경들에게 서 있을 위치를 알려주는 걸까요? 논문은 이것이 Wnt라고 불리는 화학적 신호를 통해 작동한다고 제안합니다.

Wnt를 조직 전체로 퍼져 나가는 "접근 금지" 또는 "이리로 와"라는 신호라고 생각해 보세요. 정상적인 생쥐에서 Taqpep은 이러한 파동(ripples)을 관리하여 완벽한 리듬을 형성하도록 돕습니다. 변이된 생쥐에서 연구진은 신경 세포들이 이러한 Wnt 신호에 너무 강하게 반응한다는 것을 발견했습니다. 저자들은 Taqpep이 신호를 제어하는 역할을 하지 못하면, 파동이 엉망이 되어 신경 줄무늬가 무작위로 뭉치거나 퍼지게 된다고 제안합니다.

이것이 의미하는 바 (그리고 의미하지 않는 것)

논문은 Taqpep이 "공통적이고 보존된 매개체"라고 결론짓습니다. 이는 Taqpep이 고양이의 털, 생쥐의 털, 혹은 장의 신경처럼 패턴을 만들어내기 위해 자연이 사용하는 보편적인 도구라는 것을 의미합니다.

하지만 저자들은 몇 가지 사항을 주의 깊게 언급했습니다.

• 정확한 메커니즘은 아직 모릅니다: 그들은 Taqpep이 Wnt 신호가 얼마나 멀리 전달될지를 조절하기 위해 신호를 잘라내는 가위처럼 작용할 수 있다고 제안하지만, 정확히 어떻게 자르는지는 아직 증명하지 못했습니다.
• 모양의 차이: 논문은 피부는 평면(2D)이기 때문에 패턴이 점의 격자 형태로 나타나는 반면, 장은 튜브(1D) 형태이므로 줄무늬 형태로 나타난다고 설명합니다. 동일한 고장 난 현장 소장이 서로 다른 모습의 난장판을 만드는 이유는 "건설 현장"의 모양이 다르기 때문입니다.
• 아직 치료법은 아닙니다: 이 논문은 결과물이 허쉬프룽 병(Hirschsprung's disease, 장의 일부에 신경이 없는 질환)과 다소 유사해 보이지만, 이것이 새로운 치료법이라거나 이 생쥐들이 그 질병을 앓고 있다고 주장하는 것이 아닙니다. 단지 "건너뛰기 병변(skip lesions, 패턴의 간격)"이 비슷해 보인다고 말할 뿐입니다.

요약하자면, 이 연구는 동일한 유전자인 Taqpep이 화학적 신호의 볼륨을 조절함으로써 피부와 장 모두에서 패턴을 조절하는 마스터 조직가 역할을 한다는 것을 시사합니다. 유전자가 고장 나면 리듬이 깨지고, 신체의 아름다운 패턴은 혼돈의 상태로 변하게 됩니다.