From Genes to Brains: Molecular Evolution and Mammalian Brain Cellular Diversity
이 연구는 18종의 포유류로부터 얻은 단백질 서열 진화 데이터와 29가지 뇌 및 신체 형질을 통합하여, 포유류의 뇌 세포 다양성 및 구조의 양적 변이와 진화율이 상관관계를 갖는 특정 유전자들을 식별한다.
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포유류의 뇌는 생물학적 공학의 경이로움이지만, 단 하나의 설계도로 만들어진 것은 아니다. 생쥐의 뇌와 코끼리의 뇌는 동일한 기본 부위를 공유하지만, 크기, 세포 수, 그리고 세포가 배열된 방식에서는 엄청난 차이를 보인다. 수십 년 동안 과학자들은 뇌의 질량만으로는 불완전한 이야기를 들려준다는 사실을 알고 있었다. 뇌 무게가 같은 두 동물이라도 뉴런의 수와 세포 밀도는 판이하게 다를 수 있기 때문이다. 이러한 변이는 뇌의 진화가 단순히 커지거나 작아지는 문제가 아니라, 세포 구조를 재편성하는 복잡한 과정임을 시사한다. 이 과정을 이해하기 위해 연구자들은 뇌의 물리적 형태를 넘어, 뇌를 구축하는 분자적 지침을 살펴봐야 한다. 이 분야를 이끄는 질문은 유전 부호의 미세한 변화—세포가 기능하는 데 사용하는 단백질—가 서로 다른 종들 사이에서 관찰되는 뇌 구조의 변화와 발맞추어 움직이는가 하는 것이다.
연구팀은 18종의 다양한 포유류를 대상으로 유전자의 역사와 뇌 형태의 역사를 연결함으로써 이 질문에 답하고자 했다. 그들은 뇌 피질이나 소뇌의 뉴런 수와 같은 뇌 구조의 측정값과, 동일한 동물에서 발견되는 단백질의 유전자 서열을 결합하여 방대한 데이터를 수집했다. 종들은 계통도를 통해 서로 연관되어 있기 때문에, 단순히 형질을 비교하는 것은 오해를 불러일으킬 수 있다. 즉, 어떤 유사성이 특정 유전자가 특정 뇌 특징을 유발해서가 아니라, 단순히 두 동물이 최근의 조상을 공유하기 때문에 존재할 수도 있다는 것이다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 이러한 공유된 가족력을 고려하는 방법을 사용하여, 유전자가 시간이 흐름에 따라 변화하는 속도가 뇌의 형질이 변화하는 속도와 일치하는지 확인했다. 그들은 29가지의 서로 다른 뇌 및 신체 측정치에 집중했으나, 이 중 상당수가 서로 너무 밀접하게 연결되어 있어 본질적으로 동일한 정보를 반복하고 있다는 점을 깨달았다. 더 명확한 그림을 얻기 위해, 그들은 이 29가지 형질을 피질 뉴런의 총수, 뇌 질량 대비 피질의 비율, 소뇌 뉴런의 비율을 포함하여 뇌 조직의 변이를 대부분 포착할 수 있는 5가지 대표적 특징으로 압축했다.
그 후 연구진은 18종에 걸쳐 1만 개 이상의 유전자에 대한 유전 부호를 분석하여, 이 유전자들의 진화 속도가 앞서 언급한 5가지 뇌 형질과 연관되어 있는지 조사했다. 그들은 뚜렷한 패턴을 발견했다: 특정 유전자들이 보여주는 진화적 변화가 특정 뇌 특징들과 함께 움직였다는 것이다. 총 25개의 유의미한 유전자-뇌 형질 간 연결을 식별했으며, 여기에는 23개의 고유한 유전자가 포함되었다. 이러한 연결은 무작위가 아니었다. 연구진이 가공되지 않은 뇌 측정치를 분석하든, 비례적 변화를 고려하여 수치를 조정하든 일관되게 나타났다. 19개의 유전자가 두 분석 모두에서 등장했는데, 이는 분자적 진화와 포유류 뇌의 다양화 사이의 강력한 연결고리를 시사한다. 뇌 변화와 가장 빈번하게 연관된 유전자들은 소뇌의 뉴런 비율 및 대뇌 피질의 질량과 관련된 것들이었는데, 이는 뇌 다양성을 주도하는 분자적 동력이 전체 크기를 조절하는 단일 요인이 아니라 특정 뇌 부위에 특화되어 있음을 나타낸다.
이 유전자들이 실제 살아있는 뇌에서 무엇을 하는지 이해하기 위해, 연구팀은 인간의 뇌에서 이들이 어떻게 발현되는지 살펴보았다. 그들은 이 유전자들이 활성화되는 방식과 위치가 매우 다양하다는 놀라운 사실을 발견했다. 어떤 유전자들은 성인 뇌의 여러 영역에 걸쳐 광범위하게 켜져 있는 반면, 어떤 유전자들은 성인 뇌에서 거의 활동하지 않거나 특정 영역에서만 활동을 보였다. 이 발견은 뇌 진화를 주도하는 유전자가 반드시 성인 뇌에서 높은 활성도를 가져야 한다는 생각을 뒤엎는다. 대신, 이 유전자들의 진화적 변화가 단순히 최종적인 성인 상태보다는, 뇌가 발달하는 과정이나 특정 세포 유형에서 어떻게 기능하는지와 관련이 있을 수 있음을 시사한다. 또한 연구는 연구 대상이 된 유전자들이 인간의 모든 유전자를 무작위로 추출한 것이 아님을 밝혔다. 18종 모두에서 유전자가 완벽하게 일치해야 했기에, 최종 목록은 대사나 세포 구조와 같은 기본적인 세포 과정에 관여하는 유전자들로 풍부해진 반면, 너무 빠르게 변하여 넓은 범위의 동물들을 추적하기 어려운 후각이나 면역 체계 관련 유전자들은 제외되었다.
이 연구 결과는 뇌의 진화가 매우 구체적인 과정이라는 그림을 그려낸다. 뇌를 더 크게 만들거나 똑똑하게 만드는 단일 유전자 세트가 있는 것이 아니라, 포유류 뇌의 다양화는 뇌의 서로 다른 부분에 작용하는 서로 다른 유전자들의 집합에 의해 추진되는 것으로 보인다. 이 연구는 유전자의 분자적 역사가 특정 뇌 형질의 물리적 역사와 종종 연결되어 있음을 확인해주지만, 동시에 이 관계가 매우 복잡하며 데이터를 어떻게 바라보느냐에 따라 달라질 수 있음을 보여준다. 연구진이 이 유전자들이 뇌 변화를 직접적으로 일으킨다는 것을 증명할 수는 없었지만, 강력한 통계적 연결은 이들이 포유류의 뇌가 이토록 다양해진 과정에서 핵심적인 역할을 하고 있음을 시사한다. 유전적 변화의 속도와 뇌의 형태 사이의 점들을 연결함으로써, 이 작업은 우리 자신의 복잡한 정신과 동료 동물들의 정신에 대한 분자적 뿌리를 이해하는 새로운 틀을 제공한다.
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