A germline-specific reporter reveals conserved primordial germ cell developmental dynamics between jawless and jawed fish species

모든 살아있는 동물은 몸속에 비밀스러운 혈통을 간직하고 있는데, 이는 생명의 시작 단계에서 다음 세대가 되기 위해 따로 떼어 놓은 아주 작은 세포 집단입니다. 이것이 바로 원시 생식 세포(primordial germ cells)이며, 정자와 난자의 생물학적 조상입니다. 동물의 나머지 신체 부위는 피부, 근육, 또는 뼈를 형성하기 위해 분화하고 전문화되는 세포들로 구성되는 반면, 이 생식 세포들은 유전 정보를 전달하는 단 하나의 임무를 수행하기 위해 별도로 구분되어 존재합니다. 수십 년 동안 과학자들은 생쥐나 제브라피쉬와 같은 동물에서 이 세포들이 어떻게 형성되고 이동하는지를 연구하며, 유악류(jawed vertebrates)의 번식을 지배하는 규칙들을 밝혀냈습니다. 그러나 우리의 지식에는 거대한 공백이 남아 있었습니다. 우리는 척추동물의 가장 오래된 분파인 무악류(jawless fish)에서 이 세포들이 어떻게 작동하는지에 대해 거의 알지 못했습니다. 이 고대 생물들 내부에서 이 세포들을 명확하게 볼 수 있는 능력이 없었기에, 연구자들은 번식의 규칙이 아주 오래전에 한 번 발명된 것인지, 아니면 서로 다른 동물 집단에서 별개로 진화한 것인지 결정할 수 없었습니다.

이 수수께끼를 풀기 위해 미시간 주립 대학교의 연구팀은 수억 년 동안 존재해 온 무악류인 칠성장어에 주목했습니다. 문제는 과학자들이 칠성장어 배아 내부의 생식 세포를 추적할 방법이 없었다는 점이었습니다. 이 세포들은 육안으로는 보이지 않았고 다른 세포들과 구별하기도 어려웠습니다. 연구진은 이 특정 세포들을 밝혀내어 실시간으로 성장하고 이동하는 모습을 관찰할 수 있는 도구가 필요했습니다. 그들은 많은 다양한 종의 생식 세포에서만 활성화되는 것으로 알려진 piwil1이라는 유전자를 기반으로 한 유전적 스위치를 설계했습니다. 이 스위치에 녹색 형광 단백질 유전자를 결합함으로써, 그들은 생물학적 신호기를 만들어냈습니다. 이 신호기가 켜지면, 정자나 난자가 될 운명을 가진 세포들에서만 초록색 빛이 나게 됩니다.

연구팀은 먼저 이 새로운 도구가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 잘 연구된 동물인 제브라피쉬에서 테스트를 진행했습니다. 그들은 수정된 제브라피쉬 알에 유전적 구조물을 주입하고 배아가 발달하는 과정을 관찰했습니다. 결과는 즉각적이고 명확했습니다. 녹색 빛은 정해진 위치에 정확히 나타났으며, 원시 생식 세포가 형성되고, 몸을 통과해 이동하며, 발달 중인 생식소(gonads)에 자리 잡는 과정을 표시했습니다. 세포들은 생애 초기부터 성체에 이르기까지 초록색으로 빛났으며, 이는 도구가 안정적이고 신뢰할할 수 있음을 증명했습니다. 결정적으로, 주입은 배아에 해를 끼치지 않았습니다. 주입된 배아들은 주입되지 않은 배아들과 마찬가지로 잘 생존하고 발달했습니다. 이러한 성공은 연구진이 이전에 이러한 특정한 유전적 표지를 갖추지 못했던 생물인 칠성장어에 동일한 도구를 사용할 수 있다는 확신을 주었습니다.

연구진이 빛을 내는 구조물을 칠성장어 배아에 주입했을 때, 그 결과는 고대 생물학에 대한 돌파구가 되었습니다. 제브라피쉬에서와 마찬가지로 칠성장어 배아에서도 초록색 빛이 나타나 원시 생식 세포를 표시했습니다. 세포들은 유사한 경로를 따라 몸을 이동한 뒤, 결국 생식소가 형성될 영역에 모였습니다. 이 관찰은 생식 세포를 식별하고 유지하는 유전적 지침이 매우 깊게 보존되어 있다는 강력한 증거를 제공했습니다. 칠성장어와 제브라피쉬가 5억 년 전 공통 조상으로부터 갈라져 나왔음에도 불구하고, 두 종 모두 생식 세포를 찾고 보호하기 위해 동일한 분자 신호를 사용합니다. 이 연구는 다음 세대를 만들기 위한 근본적인 기제는 유악류에서 독립적으로 진화한 형질이라기보다, 모든 척추동물이 공유하는 고대의 유산임을 시사합니다.

단순히 세포를 추적하는 것을 넘어, 연구진은 이 빛나는 도구를 사용하여 성별이 어떻게 결정되는지에 대한 질문을 조사했습니다. 제브라피쉬에서는 배아가 생애 초기에 보유한 생식 세포의 수가 성별 결정에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 칠성장어에게도 이 규칙이 적용되는지 확인하기 위해, 팀은 제브라피쉬 배아의 빛나는 세포 수를 세고 이들을 성체까지 추적했습니다. 그들은 더 많은 수의 생식 세포를 가진 배아가 암컷으로 발달하는 경향이 있는 반면, 세포 수가 적은 배아는 수컷이 되는 경향이 있다는 것을 발견했습니다. 이는 해당 도구가 세포의 풍부함을 정확하게 측정하고 이를 성별 결과와 연결할 수 있음을 확인시켜 주었습니다. 비록 이 연구가 주로 칠성장어에서의 도구 검증에 초점을 맞추었지만, 실시간으로 이 세포들을 셀 수 있는 능력은 세포 수와 성별 사이의 이러한 관계가 무악류에서도 존재하는지 살펴볼 수 있는 미래 연구의 문을 열어줍니다.

이 빛나는 보고 시스템(reporter system)의 개발은 단순한 기술적 성취 그 이상입니다. 그것은 번식의 진화적 역사를 들여다보는 창을 제공합니다. 이 작업 전에는 무악류의 생식 세포가 어떻게 행동하는지 직접 볼 수 있는 도구가 없었기에 과학자들은 짐작할 수밖에 없었습니다. 이제 연구자들은 동물의 전 생애 동안 이 세포들을 시각화할 수 있는 방법을 통해, 고대 물고기와 현대 물고기의 발달 과정을 나란히 비교할 수 있게 되었습니다. 이 연구는 생식선을 조절하는 조절 기제가 긴 시간 동안 놀라울 정도로 안정적으로 유지되며, 수억 년의 진화를 견뎌왔음을 확인해 줍니다. 이 새로운 능력은 척추동물이 어떻게 번식하는지에 대한 이해를 심화할 뿐만 아니라, 과학자들이 이와 유사한 유전적 도구를 사용하여 개체 수를 조절하기를 희망하는 오대호 지역의 침입 외래종 칠성장어 개체군을 관리하는 잠재적인 경로도 제공합니다. 이 연구는 단순한 빛나는 표지기가 어떻게 지구상 생명의 숨겨진 역사를 밝힐 수 있는지를 보여주는 증거입니다.