Serotonergic Control of Spine Morphology During Growth in Zebrafish
이 연구는 제브라피시에서 신경 세로토닌 신호 전달이 골격을 직접적으로 형성하는 방식이 아니라 운동 활동을 조절함으로써 성장기 동안 척추 안정성을 조절하며, 이 신호의 결핍은 변형된 수영 패턴을 유발하여 기계적으로 점진적인 척추 휘어짐을 유도한다는 것을 보여준다.
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인간의 척추는 공학적 경이로움이다. 이는 중력에 맞서 몸을 지탱하기 위해 완벽하게 곧은 상태를 유지하면서도 길어질 수 있어야 하는 유연한 뼈의 기둥이다. 그러나 많은 아이들에게 있어, 이 균형은 청소년기의 급격한 성장기에 무너지곤 한다. 척추측만증이라고 알려진 이 질환은 척추가 3차원적으로 옆으로 뒤틀리고 휘게 만들며, 이는 통증, 호흡 곤란, 그리고 상당한 신체적 변화를 초사할 수 있는 변형이다. 의사들은 이 질환이 종종 가족력을 보이며 여학생들에게 더 빈번하게 나타난다는 사실을 오랫동안 관찰해 왔지만, 곡선을 유발하는 생물학적 불꽃이 무엇인지에 대해서는 여전히 난제로 남아 있었다. 과학자들은 이 문제가 뼈 자체에서 시작되는지, 성장을 조절하는 화학적 신호에서 시작되는지, 아니면 우리가 서고 움직이는 방식을 제어하는 신경계에서 시작되는지를 두고 논쟁해 왔다. 수십 년 동안, 세로토닌이라는 특정 화학 메신저가 유력한 용의자로 지목되어 왔다. 세로토닌은 기분을 조절하는 역할로 잘 알려진 분자이지만, 수면 주기를 조절하는 멜라토닌의 전구체 역할을 하기도 하며, 신경과 근육 사이의 신호를 조정하는 데 도움을 준다. 이러한 다양한 역할 때문에, 연구자들은 신체가 세로토닌을 사용하는 방식의 결함이 굽은 척추의 숨겨진 원인이 될 수 있다고 의심해 왔다.
제브라피쉬를 이용한 새로운 연구는 이 질문에 명확한 답을 제시하며, 초점을 뼈 자체가 아닌 뼈를 안내하는 신경계로 옮겼다. 오리건 대학교의 연구진은 제브라피쉬가 뇌와 척수에서 세로토닌을 생성하는 데 필요한 특정 효소가 부족할 때, 인간에게서 보이는 진행 양상과 유사하게 심각한 척추 곡선을 형성한다는 것을 발견했다. 다니엘 그림스(Daniel Grimes)가 이끄는 연구팀은 단순히 물고기들이 굽은 척추를 가졌다는 사실만을 관찰한 것이 아니라, 문제가 정확히 언제 어떻게 시작되었는지 이해하기 위해 물고기의 초기 생애부터 성체가 될 때까지 세밀하게 추적했다. 그들은 물고기가 태어날 때는 완벽하게 정상적이고 곧은 척추를 가지고 있다는 것을 발견했다. 뼈는 올바른 순서와 모양으로 형성되었으며, 골격의 초기 설계도는 결함이 없었다. 곡선은 물고기가 급격한 유년기 성장기에 접어들 때까지 나타나지 않았는데, 이는 결함이 뼈의 구조적 실패가 아니라 척추가 어떻게 곧게 자라야 하는지를 알려주는 시스템의 실패임을 시사한다.
연구진은 문제가 멜라토닌을 생성하고 척추측만증의 원인으로 오랫동안 의심받아 온 뇌의 작은 구조인 송과체에 있는지 확인하기 위해, 건강한 물고기에서 송과체의 광수용 세포를 제거하는 정밀한 유전 도구를 사용했다. 그들은 이 세포들이 없으면 물고기가 굽은 척추를 가질 것이라고 예상했다. 그러나 대신, 물고기들은 완벽하게 곧은 척추를 가지고 자랐다. 이 결과는 이 특정 질병 모델에서 송과체가 주요 원인이 아님을 효과적으로 배제했다. 마찬가지로, 연구진은 제브라피쉬의 척추를 곧게 유지하는 데 필수적인, 척수관을 따라 흐르는 길고 실 같은 단백질인 라이너 섬유(Reissner fiber)라는 또 다른 구조를 점검했다. 그들은 세로토닌이 부족한 물고기에서도 이 섬유가 형성되어 온전하게 유지되고 있음을 발견했다. 척추는 부서진 뼈나 누락된 섬유 때문에 휘어진 것이 아니라, 골격의 기계적 장치는 건재했다.
진정한 원인은 물고기의 행동과 신경계에서 발견되었다. 연구진은 세로토닌이 부족한 물고기들이 척수 내의 특정 신경 세포 집단이 현저히 적다는 것을 발견했다. 이 세포들은 국소적으로 세로토닌을 방출하여 움직임을 조절하는 데 도움을 주는 역할을 한다. 이러한 부족함 때문에, 물고기들은 과잉 행동을 보였다. 그들은 더 오래 멈추지 않고 헤엄쳤으며, 헤엄치는 세션 사이의 휴식 시간도 짧아졌다. 속도는 변하지 않았지만, 움직임의 패턴이 변했다. 그들은 끊임없이 움직였으며, 건강한 물고기와는 다른 방식으로 등 근육을 사용했다. 연구진은 이러한 끊임없고 변화된 근육 활동 패턴이 성장하는 척추에 작용하는 기계적 힘을 변화시켰다고 제안한다. 마치 강한 바람이 계속 부는 곳에서 자라는 나무가 결국 휘어지는 것처럼, 이 물고기들의 척추는 특이한 수영 습관으로 인해 다른 종류의 물리적 스트레스를 받게 된 것이다. 시간이 흐르면서 이러한 힘은 처음에 곧았던 척추를 뒤틀리고 휘게 만들었다.
이 연구는 척추측만증이 어떻게 시작될 수 있는지에 대한 설득력 있는 새로운 관점을 제공한다. 이는 이 질환이 부서진 뼈가 아니라, 동물의 움직임을 바꾸는 신경계의 미묘한 변화로부터 시작될 수 있음을 시사한다. 척추는 성장하는 동안 경험하는 힘에 민감하다. 만약 움직임을 제어하는 신호가 어긋나면, 기계적 환경이 변하고 척추는 그에 반응하여 휘어진다. 이 발견은 척추측만증이 순수하게 골격의 결함이거나 송과체의 호르몬 불균형의 결과라는 오랜 관념에 도전한다. 대신, 이는 뇌가 움직임을 통한 통제를 통해 골격을 형성하는 복잡한 상호작용을 가리킨다. 연구진은 이러한 신경 세포와 행동의 변화가 척추에 눈에 보이는 곡선이 나타나기 전에 발생했다는 점에 주목했는데, 이는 문제의 근원이 자세와 운동의 신경 제어 장애에 있음을 나타낸다. 세로토닌을 이 과정의 핵심 조절자로 식별함으로써, 이 연구는 왜 어떤 척추는 곧게 유지되고 다른 척추는 그렇지 않은지를 이해하는 새로운 길을 열어주며, 척추의 휘어짐을 예방하는 열쇠가 우리 근육이 어떻게 움직여야 하는지를 알려주는 신호를 이해하는 데 있을 수 있음을 시사한다.
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