[221호 과학학술: 예쁜꼬마선충] 모델 생물 예쁜꼬마선충의 발자취

예쁜꼬마선충은 생김새가 인간을 닮지도 않았고, 뇌라고 불리는 신체기관도 없지만 사람의 몸에 존재하는 여러 생물학적 현상을 연구하는 모델 생명체가 된다. 다 자라도 1mm밖에 되지 않는 이 작은 생명체는 유전자의 절반 이상이 인간의 유전자와 유사하다. 이에 많은 연구자들은 현미경으로 예쁜꼬마선충을 탐구하고 있다. 본보에서는 예쁜꼬마선충의 발자취를 보며 그 매력을 살펴보고자 한다.

Caenorhabditis elegans. 한국어로 예쁜꼬마선충이라 불리는 이 벌레는 성체의 크기가 1mm밖에 되지 않는 작은 벌레다. 그런데 이 작은 벌레로 연구한 논문이 작년 한 해에만 1,500건 이상이고, 이 벌레로 연구하는 실험실이 1,000개가 넘는다. 최초로 전체 유전정보가 해독된 다세포 생물이고, 예쁜꼬마선충에게 주어진 상이라고 평가받는 2002년 노벨 생리의학상을 포함한 3번의 노벨상이 이 작은 벌레를 이용한 연구에 수여되었다. 이 작은 벌레에 어떤 매력이 있기에 이토록 많은 과학자가 매달려 연구를 수행하고 있을까?

모델 생물. 예쁜꼬마선충

토머스 헌트 모건(Thomas Hunt Morgan)은 초파리 돌연변이의 유전 연구를 통해 추상적으로 여겨졌던 유전자를 염색체라는 구체적 실체 위에 배열하는 작업으로 새로운 유전학의 시대를 열었다. 그런데 모건의 실험실 풍경은 현대의 실험실과는 사뭇 달랐다. 초파리로 이렇게 위대한 업적을 달성한 모건의 실험실은 비둘기와 닭, 불가사리, 말미잘, 개구리, 쥐와 같은 다양한 동물로 가득 차 발 디딜 틈이 없었다. 초파리 연구를 시작했던 이유도 초파리가 공간을 적게 차지했기 때문이었다. 그때 모건의 실험실이 다양한 생물로 이루어져 있었던 이유는 자신의 관심 주제에 맞춰 각 동물의 장점을 활용한 실험을 수행했기 때문이었다. 예를 들어, 모건은 자신의 관심사인 발생을 연구하기 위해 배아 관찰이 쉬운 개구리 알을 이용하여 실험했다.

그러나 현대의 실험실은 자신이 취급하는 생물, 대부분의 경우 모델 생물(model organism)에 따라 실험실이 구분되어 있다. 모건의 실험실 사례에서 알 수 있듯이 역사적으로 다양한 생물이 연구에 사용되었지만 그 모든 실험 생물이 모델 생물이라 불리진 않는다. 현재 미국 국립보건원에서는 단지 17종의 생물에만 모델 생물 연구비를 지원하고 있다. 예쁜꼬마선충은 대표적인 모델 생물 중 하나다. 모든 모델 생물이 같은 의도로 기획되어 실험 생물로 사용된 것은 아니었지만, 결과적으로 모델 생물이라 불리는 생물은 대체로 비슷한 특징을 공유하고 있다. 이 생물들은 성장이 빠르고, 많은 자손을 낳으며, 키우는 데 비용이 많이 들지 않아 대량으로 많은 생물을 기르고 관찰하는데 적합하다.

모델 생물이라는 용어가 언제부터 사용되었는지는 명확하지 않지만, 예쁜꼬마선충이 유전학 연구 모델로 처음 기획되고, 최초로 염기서열 분석이 완료된 다세포 생물이 되는 과정은 모델 생물의 실제적 의미가 무엇인지 잘 보여준다. 예쁜꼬마선충을 유전학 모델로 처음 제안했던 인물은 시드니 브레너(Sydney Brenner)라는 분자 생물학자였다. 브레너는 DNA의 이중나선구조가 밝혀진 후 크릭과 함께 DNA 염기서열이 단백질 아미노산 서열을 암호화하는 방식에 대한 연구를 수행하였고, 세 개의 염기서열이 하나의 아미노산을 지정한다는 트리플렛 코드(triplet code) 가설을 제안하였다. 이 시대는 분자생물학의 혁명기였고, 다양한 생물학자들이 박테리오파지(bacteriophage) 같은 단순한 생물을 도구로 활용하여 유전자의 작동원리에 대한 이해를 심화시키고 있었다.

분자생물학 연구의 첨단에 있던 브레너는 분자생물학의 고전적인 질문들은 이제 거의 다 풀리거나 곧 풀릴 것이므로, 더 흥미로운 주제로 방향을 바꿔야 한다고 생각했다. 그는 분자생물학이 DNA라는 유전물질이 단백질을 암호화하고 있다는 사실을 밝혀냈지만, 유전물질이 어떻게 생명체라는 복잡한 구조를 만들어내는지 풀기 위해선 다른 방식의 접근이 필요하다고 생각했다. 그는 유전학의 기본적인 방식, 생명의 설계도인 유전자를 비틀어 결과물이 어떻게 달라지는지 관찰하는 방식으로 유전자의 역할을 규명할 수 있을 것으로 생각했다.

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▲예쁜꼬마선충의 신경계 지도 모식도 ⓒThe OpenWorm Project, image generated by neuroConstruct

브레너는 다세포 생물을 이용한 유전학 연구가 가능해지려면 낮은 확률로 발생하는 돌연변이를 찾아내기 위해 적은 비용으로 많은 자손을 확보할 수 있어야 하며, 빠르게 자손을 불릴 수 있도록 생활사 주기가 짧아야 한다고 생각했다. 또한, 완전한 발생과정을 추적하기 위해선 세포 수가 많지 않은 동물이 적합하다고 생각했다. 그는 이러한 조건을 만족하는 동물을 찾기 위해 동물학 책을 뒤져 자웅동체의 한 개체가 300개가량의 알을 낳고, 3.5일 만에 알에서 성체로 성장하는 작은 크기의 동물인 예쁜꼬마선충을 찾아냈다.

브레너는 예쁜꼬마선충을 모델로 자신의 과학적 목표인 발생과 신경계를 유전학적으로 규명하기 위하여 형태와 행동에 문제가 나타난 돌연변이에 초점을 맞추었다. 염기서열에 돌연변이를 유도하는 EMS(ethyl methanesulphonate)라는 물질을 다양한 농도로 처리하면서 돌연변이를 찾던 중 그는 드디어 야생형보다 길이가 짧고, 통통한 첫 번째 돌연변이체를 발견하고, 그 개체에 dpy-1(짧고, 통통하다는 의미)이라는 이름을 붙였다. 이후 브레너 연구실은 5년 정도 지속적으로 돌연변이 유도실험을 수행하여 선충의 움직임이나 크기, 모양에 영향을 미치는 300개 이상의 돌연변이체를 동정하였고, 이들 돌연변이의 염색체상의 위치까지 규명하는 작업을 수행하여 1974년 예쁜꼬마선충의 유전학(The genetics of Caenorhabditis elegans)이라는 이름의 역사적인 첫 논문으로 강력한 유전학 모델인 예쁜꼬마선충을 세상에 알렸다.

돌연변이 동정 이후 예쁜꼬마선충에서는 다양한 돌연변이 유전자를 클로닝(cloning)하려는 시도가 이어졌고, 그 과정에서 유전체 지도의 필요성이 대두하였다. 브레너 연구실에서 세포 계보연구를 수행했던 존 설스턴(John Sulston)은 게놈을 쪼갠 큰 덩어리를 YAC(yeast artificial chromosome)에 클로닝하여 그 덩어리들을 연결하는 방식으로 선충의 실제 물리적 유전체 지도를 만들어 나갔다. 인간 게놈 프로젝트 팀에게 크지 않은 선충 유전체에서 진행된 유전체 지도 프로젝트는 막대한 비용과 기술이 필요한 인간 게놈 프로젝트에서 발생하게 될 기술적 문제점을 예측하고 개선하기에 좋은 연습 프로젝트로 여겨졌다. 그 결과 1998년예쁜꼬마선충의 전체 게놈 정보가 다세포 생물 최초로 밝혀졌다.

예쁜꼬마선충의 게놈 프로젝트 결과는 예상과 매우 달랐다. 인간 염기서열의 1/30 정도 수준인 100만 개의 염기서열로 구성된 선충 게놈에서 초기 예상보다 10배 가까이 많은 2만여 개의 유전자가 발견되었다. 흥미롭게도, 발견된 선충 유전자의 40%가량이 인간에게도 존재하는 상동 유전자였다. 이러한 높은 상동성은 발생, 신경과 같은 생물학의 복잡한 주제를 단순한 모델로 밝혀내기 위해 도입된 동물 모델에서 수행된 유전학 연구가 인간 유전자 연구에 기여할 수 있음을 의미했다. 즉, 예쁜꼬마선충처럼 게놈 프로젝트가 완료된 다양한 동물들이 인간 유전자 연구를 수행하기 위한 모델 생물이 될 수 있음을 의미했다.

프로그램된 세포 계보 추적

브레너는 빠르게 많은 수를 키울 수 있다는 예쁜꼬마선충의 유전학 모델로서의 장점 이외에도 상대적으로 작은 선충의 세포 수에 주목했다. 브레너가 단순한 다세포 동물 모델로 풀고자 했던 복잡한 발생과 신경계의 유전적 조절 원리는 쉽게 돌연변이를 유도하고, 동정하는 것과 더불어 그러한 돌연변이가 실제로 어떠한 발생상의 문제를 일으키는지 관찰할 수 있어야 했다. 예쁜꼬마선충은 투명하여 내부를 관찰하기 편리했고, 완전히 자란 성체의 세포가 959개 밖에 되지 않았기 때문에 브레너는 선충의 세포 계보를 완전히 추적할 수 있을 것으로 생각했다.

예쁜꼬마선충은 알에서 깨어난 이후 L1, L2, L3, L4 유충 시기를 거쳐 이틀 만에 알을 낳을 수 있는 성체가 된다. 훗날 브레너와 함께 노벨상을 받게 되는 설스턴은 현미경으로 세포 분열을 관찰하여 그것을 직접 손으로 그려 기록하는 방식으로 5년에 걸쳐 알부터 완전한 성체까지 이어지는 세포의 계보를 완성했다. 그 과정에서 설스턴은 알에서 L1 유충으로 발생할 때 생성되는 671개세포 중에 113개의 세포가 죽는 세포사멸 현상을 발견했다. 또한, 유충에서 성체가 만들어질 때도 131개의 세포가 정해진 시기에 죽는 세포사멸 현상이 관찰되었다. 이러한 선충의 발생 과정은 개체 간의 차이가 없었고, 죽는 세포의 시기와 장소도 같았기 때문에 이 세포들이 죽는 장소와 시간이 이미 프로그램되어 있는 것처럼 보였다.

캡처

▲예쁜꼬마선충의 생애주기 ⓒZ. F. Altun and D. H. Hall (2012) Handbook of C. elegans Anatomy. In WormAtlas

선충의 완전한 세포 계보가 완성되면서 발생 과정에 영향을 미치는 돌연변이를 찾는 일이 가능해졌다. 항상 정해진 패턴으로 발생이 진행되기 때문에 특정 돌연변이가 어떤 발생과정에 영향을 미치는지 분석할 수 있었고, 레이저로 특정 세포만 죽일 수 있는 기술이 확립되면서 단일 세포 각각의 발생 과정에 영향을 미칠 수 있게 되었다. 설스턴과 함께 세포 계보를 완성하는 데 크게 기여했던 로버트 호비츠(Robert Horvitz)는 프로그램된 세포 사멸 현상에 주목했고, 이 현상의 유전학적 기전을 풀기 위해 세포사멸에 문제를 일으키는 다양한 돌연변이체를 유도하였다. 이 과정에서 다양한 ced(비정상적인 세포 사멸이라는 의미) 돌연변이를 동정하고, 그 유전자 서열을 규명하였다. 이후 이러한 세포 사멸 유전자는 인간을 포함한 다양한 동물에 잘 보존되어 있음이 밝혀졌고, 다른 종에서는 세포 사멸이 정확히 조절되지 않으면 암과 같은 심각한 문제를 일으킬 수 있음이 밝혀졌다.

선충의 세포 계보는 발생학의 큰 질문인 발생과정에서 어떻게 세포가 세포 사멸을 포함한 자신의 운명을 따르도록 프로그램이 되어있는지를 유전학적으로 규명하는 데 유용하게 사용되었다. 특정 세포 계보의 발생 시기에 영향을 미치는 돌연변이를 찾는 과정에서 최초로 발견된 돌연변이체인 lin-4는 단백질을 암호화하지 않는 유전자로 밝혀졌고, 이 유전자가 최초로 밝혀진 miRNA 유전자다. 이후 많은 연구에서 miRNA를 통한 조절이 다양한 종에서 발생을 정확하게 조절하기 위해 채택하고 있는 방식임이 확인되었다. miRNA뿐만아니라 선충의 발생을 조절하는 EGF, Wnt, Notch 신호전달도 인간을 포함한 다양한 종의 발생을 조절하는 것으로 밝혀지면서, 단순한 다세포 생물에서 사용하는 발생 조절 프로그램의 보편성이 주목받게 된다.

벌레의 마음을 찾아서

예쁜꼬마선충이 발생 유전학 연구모델로 적합하다는 사실이 입증되고 있을 때, 브레너는 자신이 선충을 연구모델로 사용하여 달성하고자 했던 또 다른 목표, 유전자가 어떻게 신경계를 조절하는지 규명하고자 했다. 그러기 위해 그는 선충의 행동에 영향을 미치는 돌연변이를 동정하고, 신경계에 어떠한 문제가 발생했는지 확인하면 될 것으로 생각했다. 그는 신경계의 발생 역시 다른 세포처럼 유전자에 의해 프로그램되어 있을 것으로 생각했고, 발생 이후 신경계의 기능에도 유전자가 관여하고 있을 것이라 예상했다. 완성된 세포 계보를 바탕으로 신경계의 발생에 영향을 미치는 돌연변이를 찾는 건 가능한 일이었지만, 유전자가 특정 행동을 프로그래밍하는 방식을 이해하기 위해서는 유전자가 신경세포 간의 연결을 어떠한 방식으로 조절하는지 알아야 했다.

마이크로미터 크기의 신경세포 간 연결을 관찰하기 위해선 세포 계보를 추적하는 것보다 훨씬 더 높은 배율의 현미경이 필요했기 때문에 브레너는 전자현미경을 이용하여 신경계를 규명하고자 했다. 그는 존 화이트(John White) 등과 함께 선충을 50nm크기로 연속적으로 잘라 2만여 개의 사진을 찍었고, 그 사진을 이어 붙이면서 신경세포 간 연결을 규명했다. 선충의 신경계는 해부학적으로 118종으로 분류 가능한 302개의 신경세포가 8,000개 가량의 시냅스를 이루고 있음을 확인하였고, 그들은 이 결과를 340쪽의 논문으로 정리하여‘벌레의 마음(The mind of a worm)’이라는 제목으로 출간했다.

이후 완전히 밝혀진 신경계 지도를 이용한 다양한 연구가 수행되었다. 선충 연구자들은 자신이 관찰하고자 하는 특정 행동에 문제가 있는 돌연변이를 동정하고, 그러한 행동을 조절하는 유전자가 어떤 신경 세포에서 어떠한 기능을 하는지 깊게 연구하기 시작했다. 신경계 지도에 더해 투명한 선충의 강점이 더해져 행동을 조절하는 유전자가 어떤 신경세포에 발현하는지 쉽게 확인할 수 있었고, 조절하고자 하는 신경세포를 레이저로 제거하거나 빛으로 신경 세포를 활성화시킬 수 있는 채널 로돕신(channelrhodopsin)기술 등을 활용하여 신경 세포가 기능적으로 어떻게 연결되어 있는지 규명되고 있다. 그 결과 먹이에 반응하거나 높은 농도의 산소를 회피하거나 안 좋은 환경을 떠나 이동하고자 하는 등 다양한 선충의 행동 각각에 특정한 신경 세포들이 관여한다는 것이 밝혀졌다.

새로운 유전학의 시대

유전자가 개체에서 어떻게 복잡한 신경과 발생과정을 조절하는지 밝히겠다는 도발적인 질문에서 시작된 예쁜꼬마선충 연구는 초기 연구자들의 헌신으로 중요한 3가지 지도인 유전체, 세포계보, 신경계 지도를 만들어냈고, 모델로서 선충이 가지는 장점과 가용한 많은 자원은 자신이 가진 질문을 유전학으로 풀어보겠다는 많은 연구자를 끌어모았다. 대표적으로, 이전까지 물건이 닳는 것처럼 어쩔 수 없는 일로 여겨졌던 생물의 노화가 유전적으로 프로그래밍 된 일이 아닌지 질문을 던지는 사람이 있었다.

평균 수명이 25일인 예쁜꼬마선충의 자손은 대략 25일가량 살게 될 것이고, 쥐나 쥐의 자손은 2년쯤 산다. 그러면 선충을 25일 살게 하는 어떤 프로그램이 존재하는 것은 아닐까? 또한, 선충을 먹이가 부족하거나 온도가 높거나 하는 안 좋은 환경에서 키우면 대안적 발생 단계인 다우어(dauer)로 들어가 좋은 환경이 올 때까지 버티게 되는데 이 상태로 들어간 선충은 6개월 이상 살 수 있게 된다. 신시아 캐년(Cynthia Kenyon)은 다우어를 오래 살게 만드는 유전적 프로그램에 관심을 가졌고, 다우어로 발생하도록 조절하는 유전자를 성체에 작동시키면 선충의 수명이 2배가량 길어진다는 것을 확인하였다. 이 결과를 시작으로 많은 연구자가 선충의 수명을 늘릴 수 있는 유전자를 동정하였고, 그러한 유전자들이 초파리나 쥐와 같은 다른 종에서도 수명을 조절할 수 있음이 확인되었다.

선충은 노화뿐만 아니라 유전학적으로 접근 가능한 현상 대부분의 유전자 조절 네트워크를 확장하는 데 기여하였고, 현재 수많은 연구자가 선충 유전자의 기능적 지도를 완성하기 위해 노력하고 있다. 그런데 최근 시퀀싱 기술의 발전으로 선충을 강력한 유전학 모델로 만들었던 게놈 지도를 모델 생물이 아닌 생물에서도 제작하는 것이 가능해졌다. 또한, CRISPR의 발견으로 원하는 유전자에 돌연변이를 유도하는 일도 쉬워졌다. 모델 생물이 모델의 지위를 잃어갈 위험에 처해있는 시대에 선충은 자신 내부의 다양성에 주목하기 시작했다. 선충 연구는 하나의 길들인 개체에 불과한 야생형(wild type)을 넘어 실제 자연에서 채집된 다양한 선충들이 나타내는 다양한 표현형을 관찰하고 선충의 다양한 적응에 영향을 끼친 유전자를 찾는 일, 나아가 선충이라는 집단이 아니라 똑같은 유전자를 가진 개별 선충 각각에서 나타나는 유전자 발현의 차이를 관찰하는 일과 같은 더 세세한 유전자 조절 기전을 검증하는 새로운 첨단으로 나아가고 있다. 이러한 연구를 통해 우리는 선충을 단순히 인간 유전학의 모델이 아니라 선충 그 자체로 온전히 이해하는 길로 다가서고 있는 것 아닐까.

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김 천 아 / 서울대 생명과학 고급인력양성사업단 연수연구원

작성자: khugnews

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