Gain Control of Peripheral Input by Core Brain Thermosensors Drives Drosophila Thermoregulation

모든 생명체는 끊임없이 눈에 보이지 않는 도전에 직면한다. 바로 주변 세계의 온도가 생존에 필요한 온도와 결코 같지 않다는 점이다. 초파리처럼 스스로 내부 열을 생성할 수 없는 동물들에게 그 해결책은 행동에 있다. 그들은 너무 추울 때는 따뜻한 곳을 찾아 나서고, 너무 더울 때는 시원한 곳을 찾아 이동해야 한다. 열태그성(thermotaxis)이라고 알려진 이 과정은 단순한 반사가 아니라 복잡한 계산이다. 동물은 현재 온도가 어떻게 변하고 있는지를 감지해야 할 뿐만 아니라, 자신의 이상적인 온도가 무엇인지도 알아야 한다. 만약 공기가 따뜻해지고 있다면, 그것은 좋은 일일까 아니로 나쁜 일일까? 그 답은 전적으로 동물이 현재 자신의 개인적인 안락 영역(comfort zone)과 관련하여 어디에 위치해 있는지에 달려 있다. 너무 추운 상태라면 온기가 환영받을 것이지만, 이미 너무 더운 상태라면 동일한 온기 신호가 몸을 돌려 피하라는 경고가 된다. 과학자들을 오랫동안 괴롭혀온 미스터리는 뇌가 어떻게 이 계산을 수행하는가 하는 점이다. 아주 작은 신경계가 어떻게 "더 따뜻해지고 있다"라는 신호를 받아들여서, 동물이 한 번도 본 적 없는 특정 온도 수치를 바탕으로 계속 앞으로 나아갈지 아니면 뒤로 돌아설지를 결정하는 것일까?

하버드 대학교, 브랜다이스 대학교, 그리고 케임브리지 대학교의 연구진은 이제 초파리 유충에서 이 문제를 해결하는 회로를 밝혀냈다. 초파리 알에서 부화한 작고 투명한 벌레를 연구함으로써, 그들은 의사 결정자 역할을 하는 특정 뇌 세포 집단을 발견했다. 이 세포들은 단순히 온도를 감지하는 것이 아니라, 신체의 센서로부터 들어오는 정보와 동물의 내부 설정값(setpoint)을 비교하여 무게를 둔다. 연구진은 이 뇌 세포들이 온도가 특정 임계값 위로 올라갈 때만 신체의 신호를 증폭시키는 특정 단백질을 사용한다는 것을 발견했다. 이 메커니즘 덕분에 유충은 언제 온기를 찾는 것을 멈추고 피하기 시작해야 하는지를 정확히 알 수 있으며, 결과적으로 자신이 선호하는 온도를 정의할 수 있게 된다.

이야기는 유충의 몸에 있는 센서로부터 시작된다. 초파리 유충은 등 쪽에 배측 기관 냉각 세포(dorsal organ cooling cells)와 배측 기관 가열 세포(dorsal organ warming cells)라고 불리는 특화된 신경 세포를 가지고 있다. 이 세포들은 매우 정밀하여 초당 100분의 1도만큼의 미세한 온도 변화까지도 감지할 수 있다. 환경이 따뜻해지면 가열 세포가 작동하고, 서늘해지면 냉각 세포가 작동한다. 그러나 이 세포들에는 한계가 있다. 이들은 오직 변화의 방향만을 보고한다. 즉, 뇌에 "더 따뜻해지고 있다"라고 말해주지만, 유충이 현재 너무 추운 상태인지 혹은 너무 더운 상태인지는 알지 못한다. 야생형 유충의 경우, 이 신호는 절대 온도에 따라 서로 다른 행동으로 이어진다. 유충이 섭씨 20도의 서늘한 상태에 있다면 온기가 느껴지는 것은 기분 좋은 일이며 동물은 계속 똑바로 나아간다. 만약 유로가 섭씨 29도의 따뜻한 상태에 있다면, 동일한 가열 신호는 불쾌하게 느껴지며 동물은 몸을 돌려 피한다. 연구진은 이 전환이 일어나는 지점이 뇌의 어느 부분인지 알고 싶었다.

정답을 찾기 위해 과학자들은 온도가 중심점을 기준으로 매끄러운 파동처럼 오르내리도록 만들었을 때 유충이 어떻게 행동하는지 관찰했다. 그들은 유충이 온도가 상승할 때 더 자주 방향을 틀지만, 이는 중심 온도가 이미 높을 때만 일어난다는 것을 발견했다. 중심 온도가 낮을 때 유충들은 온기가 느껴지는 것을 무시하고 계속 똑바로 나아갔다. 연구진은 다음으로 이 행동을 제어하는 유전자를 조사했다. 그들은 온도가 상승할 때 열리는 단백질 채널을 생성하는 TrpA1이라는 유전자에 집중했다. 그들은 이 유전자가 없으면 유충이 이미 더운 상태일 때 가열로부터 피하는 능력을 상실한다는 것을 발견했다. 해당 유충들은 열 속으로 계속 똑바로 나아갔으며, 자신이 안락 영역을 지나쳤음을 인식하지 못했다.

다음 단계는 이 유전자가 정확히 어디에서 작동하는지 찾아내는 것이었다. TrpA1 유전자는 통증 센서나 장을 포함하여 파리의 여러 부분에서 활성화된다. 연구진은 어떤 조직이 회전 행동을 담당하는지 확인하기 위해 각 조직에서 유전자를 체계적으로 차단했다. 그들은 신체의 통증 센서나 장에서 유전자를 차단했을 때는 행동에 아무런 영향이 없다는 것을 발견했다. 결정적인 위치는 뇌에 있는 단 여섯 개의 세포 집단(양쪽에 각각 세 개씩)이었다. 연구진은 이들을 측측 후방 뇌 열감각기(Lateral Posterior Brain Thermosensors, LPBTs)라고 명명했다. 이 특정 뇌 세포들을 침묵시키면 유충은 유전자 결함이 있는 돌연변이와 똑같이 행동했다. 즉, 더울 때 가열로부터 피하지 못했다. 반대로 빛을 이용해 이 세포들을 인위적으로 활성화하면, 유충은 온도가 변하고 있지 않음에도 불구하고 즉시 방향을 틀었다. 이는 이 여섯 개의 세포가 회전을 결정하는 명령 센터임을 입증했다.

하지만 이야기는 위치를 찾는 것으로 끝나지 않았다. 연구진은 이 세포들이 어떻게 작동하는지 이해해야 했다. 그들은 이 뇌 세포들이 단순히 온도가 높아질 때 반응하는 열 감지기일 것이라고 예상했다. 그러나 활동에 반응하여 빛을 내는 현미경으로 세포를 관찰했을 때, 그들은 더 복잡한 것을 보았다. 세포들은 스스로 발화하지 않았다. 그들은 신체로부터 오는 신호를 필요로 했다. 만약 연구진이 신체의 가열 및 냉각 세포로부터 오는 신호를 차단하면, 뇌 세포들은 온도 변화에 전혀 반응하지 않았다. 뇌 세포들은 독립적인 온도계 역할을 하는 것이 아니라, 통합자(integrator)였다. 그들은 신체의 센서로부터 오는 소리를 들으면서 자신들의 내부 맥락을 더하고 있었다.

이 통합의 핵심은 뇌 세포 내부의 TrpA1 단백질이었다. 연구진은 뇌 세포들이 이 단백질을 사용하여 신호의 볼륨을 조절하는 메커로니즘인 '이득 제어(gain control)'를 수행한다는 것을 발견했다. 온도가 선호하는 설정값인 섭씨 25도 미만일 때, 뇌 세포들은 신체의 가열 신호에 반응하지만 그 반응은 완만했다. 온도가 이 지점을 넘어 상승함에 따라, TrpA1 단백질이 작동하여 신체의 신호를 증폭시켰다. 이 증폭은 뇌 세포를 훨씬 더 강하게 발화시켜 회전 행동을 유발했다. TrpA1 단백질이 없으면 뇌 세포는 가열을 감지할 수는 있지만, 더울 때 회전을 일으킬 만큼 신호를 충분히 증폭시키지는 못했다. 이 단백질은 신호를 만들어내는 것이 아니라, 절대 온도를 기준으로 회로의 민감도를 조절하는 역할을 했다.

이 발견은 정교한 생존 전략을 보여준다. 유충은 세상에 대한 복잡한 지도나 과거 온도에 대한 기억을 가질 필요가 없다. 대신, 뇌 세포가 신체의 즉각적인 뉴스("더 따뜻해지고 있다")와 현재 상태에 대한 내부 측정값("우리는 이미 따뜻하다")을 결합하는 단순한 회로를 사용한다. TrpA1 단백질은 이 두 가지 정보를 연결하는 스위치 역할을 한다. 내부 측정값이 높게 나타나면, 스위치는 가열 신호의 볼륨을 높여 동물이 방향을 틀도록 강제한다. 이 메커니즘을 통해 동물은 경로를 끊임없이 조정함으로써 안정적인 체온을 유지할 수 있다. 연구진은 주변 신호를 중앙의 조절 기능과 결합하는 이 동일한 논리가 포유류를 포함한 다른 동물들이 체온을 조절하는 방식일 수 있다고 제안한다. 초파리에게 있어, 단 하나의 단백질을 사용하여 민감도를 조절하는 이 작은 여섯 개의 세포 집단은 온기를 찾는 것을 멈추고 시원함을 찾아야 할 때를 아는 근본적인 문제를 해결한다.