The periodical formation of the vaginal closure membrane in guinea pigs is a regeneration process maintained by a special stem cell niche

신체의 비밀 수리팀

당신의 몸을 끊임없이 조직이 만들어지고, 마모되고, 다시 재건되는 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 때때로 신체의 일부가 손상되면, 마치 건설팀이 도로의 구멍을 메우기 위해 거친 콘크리트를 사용하는 것처럼 흉터 조직으로 보수하며 치유됩니다. 하지만 어떤 특별한 경우에는 자연이 '마법 지팡이'를 가지고 있어, 마치 도롱뇽이 새로운 꼬리를 재생하는 것처럼 흉터를 남기지 않고 완벽하게 재생되도록 허용합니다. 과학자들은 이를 '재생(regeneration)'이라고 부르며, 이 과정 뒤에서 일하는 비밀스러운 일꾼들인 '줄기세포(stem cells)'를 항상 추적하고 있습니다. 줄기세포는 문제를 해결하기 위해 필요한 어떤 종류의 세포로도 변할 수 있는 신체의 마스터 빌더(주요 건설자)이자 아주 작은 세포들입니다. 우리는 이 세포들이 피부나 장과 같은 많은 곳에 존재한다는 것을 알고 있지만, 매우 특정한 반복적인 수리 작업이 일어나는데도 우리가 아직 완전히 이해하지 못한 생물계의 신비로운 구석이 있습니다.

이 미스터리는 기니피그와 같은 특정 설치류의 생식기에 열리고 닫히는 작고 일시적인 문과 관련이 있습니다. 인간이나 생쥐의 생식 부위는 항상 열려 있는 것과 달리, 암컷 기니피그는 생애 대부분 동안 질 입구를 봉쇄하는 특별한 막을 가지고 있습니다. 이 문은 교미를 하거나 새끼를 낳을 준비가 되었을 때만 열리며, 며칠 후에는 마법처럼 다시 스스로를 봉쇄합니다. 이것은 성년기가 되어 죽을 때까지 반복해서 일어납니다. 오랫동안 과학자들은 의문을 품었습니다. 이 작은 문이 어떻게 흉터 없이 계속해서 스스로를 구축하고 재건하는 것일까요? 이것은 단순히 단순한 치유 과정일까요, 아니면 숨겨진 슈퍼 세포 팀이 힘든 일을 대신 해주고 있는 것일까요? 이 질문이 중요한 이유는, 만약 우리가 기니피그가 어떻게 이 일을 완벽하게 해내는지 알아낼 수 있다면, 인간의 조직이 더 잘 치유되도록 돕는 방법도 배울 수 있기 때문입니다.

스스로 봉쇄되는 문의 미스터리

이 연구에서 연구원인 샹샨 왕(Shanshan Wang)과 정구이 정(Zhengui Zheng)은 탐정 놀이를 하기로 했습니다. 그들은 기니피그의 '질 폐쇄막(vaginal closure membrane, VCM)'이 어떻게 작동하는지 알고 싶었습니다. 사건을 해결하기 위해, 그들은 기니피그를 그들의 사촌 격인 생쥐와 비교했습니다. 생쥐는 생물학 연구의 표준 동물이지만, 생식 부위가 항상 열려 있으며 이 특별한 자가 봉쇄형 문을 가지고 있지 않습니다. 두 동물 사이의 차이점을 조사함으로써, 과학자들은 기니피그의 문을 작동시키는 비밀 성분이 무엇인지 찾고자 했습니다.

"무모(No-Hair)" 구역과 건설 현장
과학자들이 발견한 첫 번째 단서는 생쥐에게는 없는 특별한 피부 구역이었습니다. 기니피그의 경우, 피부와 질 입구가 만나는 지점에 바로 매끄럽고 털이 없는 조직 패치가 있습니다. 연구원들은 이를 '표피 전이 구역(epidermal transition zone)'이라고 부릅니다. 이 구역을 전용 건설 현장이라고 생각하세요. 나머지 피부가 털로 덮여 있고 다른 업무로 바쁜 동안, 이 특정 구역은 깨끗하고 건설 준비가 된 상태입니다. 연구에 따르면 이 구역은 두껍고 일할 준비가 된 세포들로 가득 차 있습니다. 생쥐의 경우, 이 구역은 존재하지 않으며 피부는 가장자리까지 바로 모낭이 위치합니다.

호르몬 스위치
다음으로, 연구팀은 무엇이 문을 닫게 만드는 트리거(방아쇠)가 되는지 알고 싶었습니다. 그들은 일부 기니피га의 난소(호르몬을 만드는 기관)를 제거하는 작은 수술을 수행하여 어떤 일이 일어나는지 관찰했습니다.

• 난소를 제거했을 때, 문은 여전히 닫혔지만 더 얇아졌습니다.
• 기니피그에게 프로게스테론(호르몬)을 투여했을 때, 문은 두꺼워지고 튼튼해졌으며, 두께는 약 1.45 mm에 달했습니다. 이는 임신 중 두께와 거의 비슷합니다.
• 에스트로겐을 투야했을 때, 문은 열려 있거나 매우 얇아졌습니다(약 0.27 mm).

이는 프로게스테론이 세포를 쌓아 올려 문을 닫으라고 명령하는 '빌더(건설자)'인 반면, 에스트로겐은 문을 열린 상태로 유지하는 '철거팀'임을 시사합니다.

마법의 빌더: 줄기세포
가장 흥고한 발견은 누가 건축을 하고 있는가에 관한 것이었습니다. 연구원들은 세포가 마스터 빌더임을 알려주는 신분증과 같은 '줄기세포 표지자(stem cell markers)'를 찾았습니다. 그들은 기니피그의 무모한 전이 구역에서 이러한 신분증을 착용한 거대한 세포 집단을 발견했습니다. 이 세포들은 Krt19, Oct4, Sox2, Nanog, c-Myc, Klf4와 같은 표지자를 발현했습니다.

여기 반전이 있습니다. 생쥐의 경우, 이러한 '슈퍼 빌더' 신분증은 질 부위에서 대부분 보이지 않았습니다. 그러나 기니피그에서는 전이 구역과 폐쇄막 곳곳에서 이 세포들이 발견되었습니다. 더욱 이상한 점은, 일부 표지자(특히 Oct4와 Nanog)가 세포의 제어 센터인 *핵(nucleus)*이 아니라 *세포질(cytoplasm, 세포 내부의 젤리 같은 부분)*에 떠다니고 있었다는 것입니다. 보통 이 표지자들은 세포에 무엇을 할지 지시하기 위해 핵 안에 있어야 합니다. 이 표지자들이 세포질에 머물고 있다는 사실은 이 세포들이 마치 설계도를 잠시 멈추고 즉시 콘크리트를 섞기 시작한 건설 현장처럼, 매우 활발한 리모델링 상태에 있음을 시사합니다.

건설 속도
과학자들은 또한 세포가 얼마나 빨리 분열하는지도 확인했습니다. 그들은 세포가 새로운 세포를 만들기 위해 DNA를 복제할 때 달라붙는 특수 염료(BrdU)를 사용했습니다. 그들은 기니피그의 교미 시즌(estrus)이 끝난 직후, 무모한 전이 구역의 세포들이 미친 듯이 증식하기 시작한다는 것을 발견했습니다. 이것은 막이 형성되기 시작할 때와 정확히 일치했습니다. 반면, 생쥐의 피부 세포는 같은 시기에 속도가 빨라지지 않았습니다.

이것이 의미하는 바

이 논문은 기니피그의 주기적인 질 문 폐쇄가 단순한 상처 치유가 아니라고 제안합니다. 대신, 그것은 고도로 조직화된 **재생 과정(regeneration process)**입니다.

• 과정: 매번 교미 시즌이 끝나면, 무모한 전이 구역에 있는 특별한 줄기세포 팀이 깨어납니다.
• 트리거: 프로게스테론은 이 세포들에게 신호를 보내 세포를 증식시키고 두꺼운 벽을 쌓도록 합니다.
• 결ผล: 몇 일 이내에 새로운 막이 형성되어 입구를 봉쇄합니다.
• 차이점: 생쥐는 이 특정한 무모한 구역과 특정한 줄기세포 집단이 없으며, 이것이 그들에게 자가 봉쇄형 문이 없는 이유입니다.

연구원들은 이러한 줄기세포와 그 표지자들을 발견했지만, 이 세포들이 완전히 '다능성(pluripotent, 모든 종류의 세포로 변할 수 있음)'을 가지고 있다는 것을 아직 증명한 것은 아니라고 조심스럽게 말합니다. 그러나 증거는 기니피그가 질 입구 바로 가장자리에 필요할 때마다 막을 재건하기 위해 기다리는 강력한 세포들의 독특한 저장소를 가지고 있음을 강력하게 시사합니다.

왜 멋진 일인가

이 연구는 대부분의 사람들이 무시하는 도시에서 비밀 작업실을 발견한 것과 같습니다. 이는 자연이 이 동물들이 흉터 없이 반복적으로 복잡한 조직을 완벽하게 재생할 수 있는 방법을 진화시켜 왔음을 보여줍니다. 이것이 아기 동물이 아닌 성체 동물에서 일어난다는 점이 이 과정을 더욱 특별하게 만듭니다. 과학자들이 이 연구가 당장 인간의 질병을 치료할 것이라고 주장하는 것은 아니지만, 기니피그의 이 "마법의 빌더"들이 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 언젠가 우리 자신의 몸이 더 잘 치유되도록 돕는 법을 배우는 데 도움이 될 수 있으며, 아마도 보통 흉터만 남는 조직을 재생하는 데에도 도움을 줄 수 있을 것입니다. 현재로서는, 우리는 기니피그가 무모한 구역에서 기다리는 숨겨진 줄기세포 군단에 의해 움직이는 비밀스러운 자가 수리형 문을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다.