Quantification of cellular contributions to multi-cellular pattern formation

생명은 패턴을 바탕으로 구축됩니다. 얼룩말의 줄무늬부터 줄기의 잎 배열에 이르기까지, 생물은 끊임없이 복잡하고 반복적인 구조로 스스로를 조직합니다. 패턴 형성(pattern formation)이라고 알려진 이 과정은 단 하나의 세포에서 하나의 완전한 유기체로 성장하는 방식, 부상 후 치유되는 방식, 그리고 불행하게도 암과 같은 질병이 퍼지는 방식의 근간이 됩니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 조직화의 배후에 있는 엔진을 이해하기 위해 노력해 왔습니다. 그들은 세포가 정체성을 바꾸거나, 이동하거나, 분열하거나, 혹은 죽을 수 있으며, 이러한 행동 중 어떤 것이라도 자연에서 보이는 대규모 설계를 만들어낼 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 과제는 바로 어떤 세포 작용이 주어진 상황에서 주요한 동력이 되는지를 정확히 파악하는 것이었습니다. 패턴이 세포들이 특정 지점으로 이동하기 때문에 만들어지는 것인지, 아니면 어떤 영역에서 세포가 더 많이 분열하기 때문에 만들어지는 것인지 말입니다. 지금까지 이 질문에 답하기 위해서는 대개 연구자가 특정 메커니즘을 먼저 추측하고, 그 추측을 바탕으로 복잡한 수학적 모델을 구축한 다음, 그 모델이 현실과 일치하는지 확인해야 했습니다. 만약 추측이 틀렸다면, 조사 전체를 처음부터 다시 시작해야 했습니다.

Aix Marseille 대학교와 EMBL Heidelberg의 연구진이 개발한 새로운 접근 방식은 이러한 추측 게임을 완전히 건너뜁니다. 세포가 어떻게 행동해야 한다고 이론을 세우는 대신, 그들은 세포가 실제로 무엇을 하고 있는지 관찰하고 각 구체적인 행동이 최종 패턴에 얼마나 기여하는지를 측정하는 방법을 만들었습니다. 그들은 이 도구를 'CREDIT'라고 부르며, 이는 '궤적으로부터 추론된 창발적 발달의 세포 역할(Cellular Roles in Emergent Development Inferred from Tracks)'의 약자입니다. 이 방법은 살아있는 세포의 고품질 비디오 영상에 의존하며, 이를 통해 과학자들은 시간이 흐름에 따라 모든 개별 세포의 정확한 위치를 추적하고 각 세포가 생성하는 특정 단백질의 양을 측정할 수 있습니다. 이러한 궤적을 분석함으로써, 연구진은 전체 패턴을 구성 요소로 수학적으로 분리하여, 설계의 얼마만큼이 세포의 이동 때문인지, 얼마만큼이 세포의 분열 때문인지, 그리고 얼마만큼이 세포의 내부 화학 변화 때문인지를 정량화할 수 있습니다.

연구진은 먼저 정답을 미리 알고 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 방법을 테스트했습니다. 그들은 세포의 이동, 분열, 사망의 '볼륨'을 높이거나 낮출 수 있는 가상의 세계를 만들었습니다. 이러한 통제된 시뮬레이션에서 이 도구는 지배적인 힘을 정확하게 식별해 냈습니다. 가상의 세포들에게 패턴을 형성하기 위해 이동하라고 명령했을 때, 도구는 이동이 원인이라고 답했습니다. 세포들에게 특정 지점에서 분열하여 설계를 만들라고 명령했을 때, 도구는 분열이 동력임을 식별했습니다. 이 검증은 이 방법이 시스템의 기저 규칙을 알 필요 없이, 단순히 세포의 기하학적 구조와 결과적인 패턴을 관찰하여 원인을 추론한다는 것을 입증했습니다.

방법의 신뢰성이 입증되자, 연구팀은 이를 실제 생물학적 데이터에 적용했습니다. 첫 번째 대상은 생쥐 배아 세포 클러스터, 구체적으로 척추와 근육 형성에 중요한 역할을 하는 전절 성절(presomitic mesoderm) 조직이었습니다. 이 실험에서 세포들은 T/Brachyury라는 단백질의 뚜렷한 클러스터와 패턴을 형성했습니다. 이전 연구들은 세포들이 화학적 신호에 의해 이 지점들로 이동하거나, 혹은 세포들이 패턴을 만들기 위해 단백질 수준을 변화시킨다고 제안했습니다. 그러나 연구진이 새로운 분석을 실행했을 때, 결과는 명확하고 결정적이었습니다. 패턴은 거의 전적으로 세포의 물리적 움직임에 의해 주도되었습니다. 세포들은 돌아다니며 집합체를 형성했고, 이 움직임만으로도 관찰된 패턴을 만드는 데 충분했습니다. 세포의 내부 단백질 수준 변화는 설계를 형성하는 데 미미한 역할만을 수행했습니다. 이 발견은 이 특정 발달 단계에서 기계적 힘과 세포의 이동이 주요 설계자라는 생각을 뒷받침합니다.

연구진은 다음으로 매우 다른 시스템인 유방암 세포 배양물에 주목했습니다. 이 배양 접시에서 암세포들은 줄기세포가 보통 거주하는 환경과 유사한 '니치(niche)', 즉 클러스터를 형성합니다. 이 클러스터들은 암 줄기세포와 연관된 특정 단백질인 ALDH1A1에 의해 표시됩니다. 이러한 클러스터가 어떻게 형성되는지 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 이들이 종종 치료에 저항하는 종양의 원인이 되기 때문입니다. 이 경우, 새로운 방법은 완전히 다른 이야기를 보여주었습니다. 여기서 패턴은 세포가 특정 위치로 이동하는 것에 의해 주도되지 않았습니다. 대신, 분석 결과 이 암 줄기세포 니치의 형성은 거의 전적으로 세포 분열에 의해 주도되었습니다. 세포들이 특정 영역에서 더 빈번하게 분열하면서 밀집된 클러스터를 만들어낸 것입니다. 흥미롭게도, 연구진은 세포의 단백질 수준 변화가 오히려 패턴 형성을 방해하여 설계를 약간 무너뜨리는 부정적인 역할을 한다는 것을 발견했지만, 이러한 부정적 효과는 세포 분열의 강력한 힘에 의해 압도되었습니다.

이 새로운 접근 방식의 힘은 단순함과 편향성 없는 태도에 있습니다. 이는 과학자들이 조사를 시작하기 전에 특정 메커로니즘이 작동하고 있다고 가정할 필요가 없게 합니다. 이 방법은 세포를 공간 속에서 움직이는 기하학적 객체로 취급하며, "지금 이 순간 세포가 전체적인 그림을 바꾸기 위해 무엇을 하고 있는가?"라는 단순한 질문을 던집니다. 발달의 복잡한 춤을 뚜렷하고 측정 가능한 기여도로 분해함으로써, 이 방법은 그 답이 항상 같지는 않다는 것을 밝혀냅니다. 생쥐 배아에서는 이동이 핵심이지만, 암세포에서는 분열이 핵심입니다. 이러한 차이는 생물학자들에게 다음 연구 단계에서 정확히 어디를 살펴봐야 할지를 알려줍니다. 만약 패턴이 이동에 의해 주도된다면 연구자들은 세포 사이의 기계적 힘을 연구해야 합니다. 만약 패턴이 분열에 의해 주도된다면 세포 주기를 조절하는 신호를 찾아야 합니다.

이 작업은 가설 중심의 과학에서 데이터 중심의 발견으로의 전환을 의미합니다. 수년 동안 이 분야는 관찰 결과를 기존 모델에 끼워 맞추려는 시도에 머물러 있었습니다. 이 새로운 도구는 데이터가 스스로 말하게 하며, 사전에 규칙을 알 필요 없이 모든 세포 과정의 기여도를 정량화합니다. 이는 생명이 어떻게 스스로를 조직하는지에 대한 명확하고 편향되지 않은 지도를 제공하며, 패턴으로 가는 길은 생물학적 맥락에 따라 이동에 의해서도, 분열에 의해서도, 혹은 두 가지의 조합에 의해서도 닦일 수 있음을 보여줍니다. 이미징 기술이 발전하여 과학자들이 세포를 3차원으로 실시간 추적할 수 있게 됨에 따라, 이러한 기하학적 분석은 배아의 초기 단계부터 질병의 진행에 이르기까지 생명의 숨겨진 메커니즘을 이해하는 표준적인 방법이 될 것입니다.