MERFISH-based pooled genetic screening reveals cell non-autonomous phenotypes in intact tissue

세포는 고립되어 살지 않습니다. 단 하나의 장기 내에서도 세포들은 위치, 모양, 그리고 이웃과의 끊임없는 소통이 그들의 행동을 결정하는 복잡하고 구조화된 이웃 관계 속에 존재합니다. 수십 년 동안 과학자들은 단일 유전자를 변화시키는 것이 세포에 어떤 영향을 미치는지 연구할 수 있었지만, 세포의 원래 위치와 주변 조직과의 관계를 보존하면서 이를 수행하는 것은 큰 난관이었습니다. 전통적인 방식은 세포를 체외로 꺼내어 분해한 뒤 시험관 안에서 유전 코드를 읽는 과정을 필요로 합니다. 이 과정은 세포가 어디에 있었는지, 그리고 그 이웃이 누구였는지에 대한 지도를 파괴합니다. 유전적 변화가 살아있는 조직 속에서 어떻게 파동처럼 퍼져나가는지를 진정으로 이해하기 위해서, 연구자들은 온전한 장기 내부를 들여다보고, 어떤 세포가 변형되었는지 식별하며, 그 변화가 바로 옆의 세포들에 어떤 영향을 미치는지 공간적 맥락을 잃지 않고 확인하는 방법이 필요했습니다.

하버드 대학교와 하워드 휴즈 의학 연구소의 연구진은 이 문제를 해결하는 새로운 이미징 기술을 개발했습니다. 그들은 살아있는 생쥐의 간 조직 내부에서 대규모 유전자 스크리닝을 직접 수행할 수 있는 방법을 만들어냈습니다. MERFISH라고 불리는 고해상도 이미징 시스템을 사용하여, 연구진은 개별 세포의 유전적 정체성을 추적하고, 내부의 분자 상태를 측정하며, 이웃에 대한 정확한 위치를 지도화할 수 있었습니다. 핵심 혁신은 신호를 증폭하기 위한 복잡한 화학적 단계 없이도 세포가 어떤 변화를 겪었는지 식별하는 유전적 '바코드'를 읽어내는 방법이었습니다. 이러한 단순화 덕분에 연구진은 이전 방식보다 훨씬 더 많은 유전적 마커와 세포 메시지를 탐지할 수 있었으며, 단 한 번의 실험으로 150만 개의 세포를 프로파일링할 수 있었습니다. 그 결과, 변형된 세포가 자신을 어떻게 변화시키는지뿐만 아니라, 그 세포가 주변의 전체 환경을 어떻게 재편하는지를 보여주는 상세한 3차원 지도가 탄ю되었습니다.

연구진은 효소를 이용한 증폭(신호가 약할 때 이를 키우기 위해 흔히 사용되는 화학적 과정) 없이 작동하도록 도구를 개선하는 것부터 시작했습니다. 이전 작업에서는 연구하고자 하는 세포에 부착된 유전적 바코드를 배가하기 위해 효소를 사용해야 했으나, 이는 데이터의 명확성을 떨어뜨리는 단계를 추가했습니다. 연구진은 더 짧고 조밀한 유전적 바코드를 설계하고 세포 내부의 자연적인 분자 풍부도에 의존함으로써, 단순한 하이브리다이제이션(hybridization)을 통해 이를 직접 검출할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 직접적인 접근 방식은 훨씬 더 효율적이었습니다. 이 방식은 기존 방법과 비교했을 때 거의 10배 더 많은 유전적 바코드와 2.5배 더 많은 세포 메시지를 회복했습니다. 이러한 개선은 더 많은 세포에 확신 있게 유전적 정체성을 부여할 수 있게 해주었으며, 이전에는 보이지 않았던 미세한 유전자 활성 변화까지 포착할 수 있게 했습니다.

개선된 시스템을 갖춘 연구진은 여러 유형의 세포가 함께 협력하는 복잡한 장기인 생쥐의 간을 연구 대상으로 삼았습니다. 그들은 간세포(hepatocytes)로 알려진 약 200개의 특정 유전자를 표적으로 하여, 어린 생쥐의 간에 유전적 지시 라이브러리를 도입했습니다. 각 간세포는 고유한 유전적 바코드를 부여받았는데, 이는 연구진이 해당 특정 세포에서 어떤 유전자가 변형되었는지 정확히 알 수 있게 해주는 라벨 역할을 했습니다. 생쥐가 성장하고 유전적 변화가 나타난 후, 연구진은 간 조직을 절편으로 만들고 이미징 시스템을 사용하여 장기 전체를 스캔했습니다. 그들은 각 세포의 유전적 정체성을 식별하고, 그 안의 수백 가지 유전자 활성을 측정했으며, 조직 내에서의 정확한 위치를 기록했습니다. 총 150만 개 이상의 세포를 분석하여, 유전적 변화를 세포 상태 및 공간적 위치와 연결하는 방대한 데이터셋을 구축했습니다.

연구 결과 두 가지 뚜렷한 유형의 효과가 드러났습니다. 첫째, 연구진은 간세포의 유전자를 변화시키는 것이 해당 세포 특유의 행동 변화를 일으킨다는 점을 확인했는데, 이는 '세포 자율적 반응(cell-autonomous response)'이라 불리는 현상입니다. 예를 들어, 단백로 접힘(protein folding)에 관여하는 유전자를 억제했을 때, 영향을 받은 간세포들은 명확한 스트레스 반응을 보이며 손상에 대응하는 유전자를 켜는 동시에 정상적인 간 기능과 관련된 유전자는 끄는 모습을 보였습니다. 이러한 변화는 변형된 세포에 국한되었으며, 이웃 세포들은 영향을 받지 않았습니다. 이는 새로운 방법이 복잡한 살아있는 장기 환경 내에서 유전적 섭동(perturbation)의 직접적인 결과를 정확하게 포착할 수 있음을 입증했습니다.

더 놀랍게도, 연구진은 간세포의 단일 유전자를 변화시키는 것이 주변 세포들에도 변화를 촉발할 수 있다는 사실을 발견했는데, 이는 '세포 비자율적 반응(cell non-autonomous response)'이라 불리는 현상입니다. 한 세포의 유전적 변형이 신호를 보내 주변 환경을 재편한 것입니다. 한 가지 눈에 띄는 사례로, 간세포에서 Vhl이라는 유전자를 억제했을 때, 해당 세포들은 저산소 환경에 처한 것처럼 행동하기 시작했습니다. 이 변화는 주변 세포들에 연쇄적인 효과를 일으켰습니다. 변형된 간세포 바로 옆에 있는 혈관 세포와 지지 세포들이 새로운 혈관을 구축하고 자체 성장을 활성화하는 유전자들을 발현하기 시작했습니다. 이러한 변화는 변형된 간세포와 가장 가까운 세포에서 가장 강력하게 나타났으며, 거리가 멀어짐에 따라 점차 약해졌는데, 이는 근원으로부터 방사되는 영향의 명확한 구배(gradient)를 보여주었습니다.

또 다른 발견으로, 연구진은 세포 펌프인 V-ATPase와 관련된 유전자를 억립했을 때 특정 유형의 면역 세포가 국소적으로 축적되는 것을 발견했습니다. 간세포의 V-ATPase 기능이 손상되었을 때, 플라즈마사이토이드 수지상 세포(plasmacytoid dendritic cell)와 유사한 유형의 면역 세포가 그 바로 옆에 높은 수로 모여들었습니다. 이러한 축적은 다른 유전적 변화에서는 관찰되지 않았으며, 이는 세포 펌프의 결함과 이들 면역 세포의 모집 사이에 특정한 연결 고리가 있음을 시사했습니다. 연구진은 이 면역 세포들이 변형된 간세포로부터 매우 짧은 거리 내에 집중되어 있으며, 건강한 주변 조직에는 존재하지 않는 뚜렷한 클러스터를 형성하고 있음을 관찰했습니다.

이 새로운 접근 방식의 힘은 유전적 변화, 세포 자신의 반응, 그리고 이웃의 반응 사이의 점들을 연결하면서도 조직의 물리적 배치를 보존하는 능력에 있습니다. 살아있는 장기 내에서 이러한 상호작용을 지도화함으로써, 연구진은 유전적 섭동이 단순히 진공 상태에서 일어나는 것이 아니라, 외부로 파동처럼 퍼져나가며 국소적인 세포 공동체의 구성과 행동을 변화시킨다는 것을 보여주었습니다. 이 연구는 유전적으로 변형된 세포가 어떻게 미세 환경을 재편하는지 조사할 수 있는 단순하고 확장 가능한 방법을 제공하며, 조직을 분해하지 않고도 세포의 물리적 배열이 기능에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 질병이 장기 내에서 어떻게 퍼지거나 억제될 수 있는지에 대한 새로운 통찰을 열어줍니다.