인간배아의 아직 본 적이 없는 발달단계를 모방한 세포덩어리
※ 기사. Human stem cells used to mimic early embryo development
https://www.progress.org.uk/human-stem-cells-used-to-mimic-early-embryo-development/
배아는 신체의 어떤 유형의 세포로도 발달할 수 있는 잠재력을 가지고 있음. 인간의 정자와 난자가 결합하여 생성된 새로운 배아는 첫 몇 주를 뚜렷하지 않게(blobby) 보냄. 어느 쪽이 위이고 어느 쪽이 아래인지 명백하지 않으며, 어떤 세포가 어떤 신체부위를 생기게 할지도 명확하지 않음. 14일이 지나면 배아는 길게 늘어나고, 층(layers)을 형성하며, 신체에 대한 대략적인 설계도(plan)를 드러냄. 21일 정도에는 배아의 구성이 동질의(homogeneous) 세포덩어리에서 머리부터 꼬리까지 축이 있는 구조화된 설계도로 극적으로 변함. 축이 형성되는 동안 위치별로 지시된 분화(differentiation)를 겪으며, 이후 신체의 모든 주요 체계를 만들어낼 3개의 뚜렷한 세포층을 형성함.
그러나 인간의 배아의 낭배형성(gastrulation; 내배엽·중배엽·외배엽이 형성되는 단계)이라고 부르는 이 극적인 변형(transformation) 단계는 체외에서 직접 관찰한 적이 없음. 연구실에서 이 단계까지 성장시키는 것은 기술적으로 어렵고, 윤리적으로도 걱정스러움(fraught). 영국 케임브리지대(University of Cambridge) 연구팀은 인간의 줄기세포로 낭배형성 이후 배아의 일부 특징을 모방한 구조를 만들어냄.
과학자들은 이 핵심 과정을 이해하는 것이 인간의 선천적인 결손과 질병에 대한 새로운 통찰을 드러낼 수 있고, 이러한 것에 관한 산전검사를 개발하는데 잠재적으로 도움을 줄 수 있다는데 동의함. 특히 유전적인 돌연변이와 화학적인 노출이 유산이나 선천적인 결손으로 이어지는지 밝혀내는 데에도 도움이 될 것으로 기대됨.
연구팀은 인간의 줄기세포를 배아와 유사한 무언가로 바꾸기 위하여 생쥐의 세포 대상으로 개발한 방법을 수정함. 2018년에는 생쥐의 배아줄기세포 무리를 Wnt라는 발달신호경로를 활성화하는 화학물질에 노출시키면 3차원 집합체(gastruloids)로 칭하는 가늘고 길며(elongated) 배아와 유사한 구조를 만들 수 있다는 것을 보여줌.
☞ 2018년 연구에 대한 Science 기사 : https://www.sciencemag.org/news/2018/10/mouse-stem-cells-can-self-organize-headless-little-bananas
새로운 연구에서 연구팀은 인간의 배아로부터 추출한 세포주(line of cells)에 유사한 처리법(treatment)을 적용함. 세포는 3일 만에 거의 18~21일이 된 인간의 배아를 닮은 구조로 자체적으로 조직화됨(self-organized). 이 같은 연구결과는 국제학술지 Nature에 6월 11일자로 게재됨.
☞ 저널 제목 'An in vitro model of early anteroposterior organization during human development'. 각종 사진과 동영상까지 볼 수 있음. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2383-9
미국 라이스대(Rice University) 줄기세포생물학자 Aryeh Warmflash는 신체의 중심축(axis)을 따라 자발적으로 조직된 인간의 세포를 명확하게 보여주는 첫 모델이라고 평가함. 3차원 집합체를 연구하면 세포 사이의 신호가 이 자체적인 조직화를 어떻게 추진하는지 밝혀낼 수 있을 것이라고 덧붙임. 하지만 3차원 집합체의 다른 지점에서 세포 내 유전자 발현 양상(patterns)은 다소 조직화되어있지 않으며, “생쥐에게서 본 것만큼 깨끗하지는 않다”고 말함. 예를 들면, 뒤쪽에 더 많이 발현될 것으로 예상되는 유전자가 앞쪽에 나타남.
한편 일부 세포는 완전히 빠져 있음. 이 새로운 3차원 집합체에는 뇌를 형성하는 세포가 없음. 그리고 실제 배아와 다르게, ‘배아바깥(extraembryonic)세포’를 생산하지 못함. 이는 자궁에 착상(implant)하게 도와주고, 궁극적으로 태반을 형성하는 세포임. 특정 화학적 신호로부터 배아를 보호하여(shielding) 뇌 발달을 가능하게 한다고도 여겨짐. 발달생물학자인 제1저자 Naomi Moris는 그 3차원 집합체가 자신의 무게를 견디지 못해 약 3일 후 발달을 멈추고 동그랗게 말린다(curl up)고 설명함.
미국 하버드의대(Harvard Medical School) 철학자(윤리학자) Jeantine Lunshof는 이러한 3차원 집합체가 배아가 아니며, 배아로 발달하지 않을 것도 분명하다고 밝힘. 그러나 그 모델이 배아의 특징을 모방하여 “많은 문제를 해결할 수 있다”고 강조함. 현재 체외 배아연구에 대한 14일 제한을 벗어난 발달단계를 연구할 수 있게 해준다는 것임.