Ancient Somatosensory Circuit Architectures Employ Flexible Molecular Strategies

가장 작은 물고기부터 가장 큰 고래에 이르기까지, 척추가 있는 모든 동물은 세상을 느끼기 위해 신경계에 의존합니다. 이 체계는 부드러운 촉감, 날카로운 통증, 그리고 공간 내 사지의 위치를 구분해내야 합니다. 포유류에서 이 역할은 배측근 신경절(dorsal root ganglia)이라고 불리는 세포 집단에 밀집된 방대한 양의 특화된 신경 세포들이 담당합니다. 이 세포들은 문지기 역할을 하며 피부와 근육으로부터 척수로 신호를 보내고, 그곳에서 정보 처리를 위한 특정 뉴런 층에 연결됩니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 복잡한 회로가 어떻게 구축되는지 궁금해해 왔습니다. 모든 척추동물이 어떤 신경 세포가 통증 센서가 되고 어떤 세포가 촉각 센서가 될지를 결정하는 데 동일한 분자 설계도를 사용하는 것일까요? 아니-면 서로 다른 계통의 동물들이 동일한 문제를 해결하기 위해 자신들만의 고유한 지침을 발명한 것일까요?

이를 밝히기 위해 연구진은 척추동물의 고대 계통을 대표하는 생물인 작은 가오리(little skate)에 주목했습니다. 이 납작하고 연골이 있는 물고기는 상어 및 가오리와 먼 친척 관계로, 인간으로 이어지는 혈통에서 수억 년 전에 갈라져 나왔습니다. 포유류와 달리 가오리는 육상 동물에서 발견되는 많은 특화된 신경 섬유가 부족한 비교적 단순한 신경계를 가지고 있습니다. 과학자들은 가틸을 연구함으로써, 인간과 다른 육상 동물에서 보이는 복잡한 기계 장치로 진화하기 전의 원래 척추동물 신경계가 어떤 모습이었는지 과거를 들여다볼 수 있습니다. 핵심적인 질문은 이 회로의 물리적 배치가 모든 척추동물의 깊고 변하지 않는 특징인지, 아니-면 이들을 구축하는 분자적 지침이 시간이 흐름에 따라 급격하게 변했는지였습니다.

NYU 그로스만 의과대학과 협력 기관의 과학자 팀은 전례 없는 세밀함으로 작은 가오리의 신경계를 지도화하는 작업을 수행했습니다. 그들은 두 가지 핵심 영역, 즉 감각 신경 세포가 거주하는 배측근 신경절과 이 세포들이 신호를 보내는 배측 척수에 집중했습니다. 수천 개의 개별 세포의 유전적 활동을 동시에 읽을 수 있는 첨단 기술을 사용하여, 연구진은 가오리 감각계의 분자 지도를 만들었습니다. 또한 고해상도 이미징 기법을 사용하여 조직 내에서 이러한 유전자들이 정확히 어디에서 활성화되는지 확인하여 세포의 물리적 배열을 밝혀냈습니다.

연구진은 가오리 신경계의 물리적 구조가 포유류와 놀라울 정도로 유사하다는 것을 발견했습니다. 인간과 마찬가지로, 가오리의 감각 신경 세포들은 긴 전선인 축삭(axons)을 척수의 상부 층으로 보냅니다. 그곳에서 이 전선들은 특정하고 조직화된 층에서 멈춥니다. 통증과 촉감을 감지하는 세포들은 가장 윗부분 층에 자리 잡으며, 더 깊은 압력을 감지하는 세포들은 그보다 약간 낮은 곳에 위치합니다. 다양한 유형의 감각을 처리하는 데 필수적인 이 층상 구조는 수억 년 동안 보존되어 온 고대의 특징으로 보입니다. 가오리의 척수는 육상 동물의 배치와 일치하는, 서로 다른 종류의 입력을 위한 뚜렷한 구역을 가진 안정적인 비계(scaffold)처럼 구축되어 있습니다.

그러나 과학자들이 이 신경 세포들이 무엇이 될지를 결정하는 유전적 지침을 살펴보았을 때, 이야기는 완전히 달라졌습니다. 포유류에서는 특정 유전자가 신경 세포의 정체성을 결정하는 코드 역할을 합니다. 예를 들어, ntrk1이라는 유전자는 통증 감지 세포의 주요 표식이며, ntrk2는 촉각 세포를, ntrk3는 근육 위치를 감지하는 세포를 나타냅니다. 연구진은 가오리에서도 유사한 코드를 발견할 것으로 기대했습니다. 하지만 대신, 완전히 다른 시스템을 발견했습니다. 가오리는 이러한 정체성을 열기 위한 동일한 유전적 열쇠를 사용하지 않습니다.

가오리에서는 통증과 촉감을 표시하는 유전자들이 포유류에서는 불가능한 방식으로 뒤섞여 있습니다. 가오리의 단일 신경 세포는 통증과 촉감에 대한 유전적 표식을 동시에 가질 수 있습니다. 연구진은 가서의 많은 신경 세포가 포유류가 엄격하게 분리해 두는 유전자 조합을 발현한다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 근육 위치를 감지하는 유전자를 발현하는 세포는 통증에 대한 유전적 표식도 함께 가지고 있습니다. 이는 신경계의 물리적 배선은 일정하게 유지되었지만, 세포 내부에서 실행되는 분자 소프트웨어는 다시 쓰였다는 것을 시사합니다. 가오리는 유연하고 중첩된 지침 세트를 사용하여 감각계를 구축하는 반면, 포유류는 경직되고 배타적인 코드를 사용합니다.

이 세포들이 어떻게 발달하는지 이해하기 위해 과학자들은 정교한 실험을 수행했습니다. 연구진은 가오리 배아가 성장하는 동안 한쪽 측면의 지느러미를 제거했습니다. 육상 동물의 경우, 사지를 제거하면 그곳에 연결될 신경 세포들이 사멸하거나 성숙하지 못합니다. 연구진은 가오리가 지느러미로부터 오는 신호에 의존하여 자신의 정체성을 결정하는지 알고 싶었습니다. 그들은 신경 세포가 즉시 죽지는 않지만, 정체성을 정교화하는 데 실패한다는 것을 발견했습니다. 지느러미가 없으면 신경 세포는 최종적이고 구체적인 역할을 수행하지 못했습니다. 세포들은 정상적인 가오리에서 보이는 뚜렷한 패턴 대신, 혼란스러운 상태로 남아 뒤섞인 유전자들을 발현했습니다.

이 실험은 유전적 코드가 다르더라도 표적에 대한 필요성은 동일하다는 것을 보여주었습니다. 발달 중인 지느러미는 신경 세포에 신호를 보내 정체성을 확정하고 적절히 연결되도록 지시합니다. 가오리에서 이 신호는 혼합된 유전적 지침을 기능적인 시스템으로 조직하는 데 필수적입니다. 연구진은 또한 SMAD라고 불리는 분자와 관련된 특정 화학적 경로가 이러한 신호에 대한 초기 센서 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 이 경로는 가오리와 닭 모두에서 활성화되며, 이는 신체의 주변부로부터 신호를 듣는 메커니즘이 고대의 공유된 형질임을 시사합니다.

이 연구는 척추동물 신경계가 역설 위에 구축되어 있다는 결론을 내립니다. 회로의 물리적 구조—척수의 층과 신경이 연결되는 방식—는 깊이 보존된, 변하지 않는 토대입니다. 그러나 개별 신경 세포를 만드는 분자 프로그램은 매우 유연하며 서로 다른 방향으로 진화했습니다. 작은 가오리는 자연이 전체 배선도를 처음부터 다시 만들지 않고도, 새로운 환경(심해에서 육지에 이르기까지)에 맞춰 감각계를 적응시킬 수 있도록 이와 같은 유연성을 제공했을 수 있음을 보여줍니다. 고대의 신체 구조와 독특한 유전 코드를 가진 작은 가오리는, 진화가 어떻게 본질적인 것은 보존하면서 세부 사항은 재발명하는지를 보여주는 명확한 관점을 제공합니다.