태아의 뼈는 이렇게 형성된다
인간 배아의 골격 발달에 대한 첫 번째 세포 지도
자궁 살펴보기:
새로운 세포 지도는 인간 배아에서 뼈가 어떻게 형성되고 이것이 어떻게 조절되는 지를 처음으로 보여준다. 이는 연구팀이 "Nature"에서 보고한 것처럼 처음으로 태아의 뼈가 어떤 순서로, 어떤 유전자와 상호 작용을 통해 발달하는지 정확하게 추적할 수 있다는 의미다. 이 매핑은 또한 특정 약물이 어떻게 뼈 형성을 방해하는지 보여주며, 이는 대안 개발에 도움이 될 수 있다.
▲ 연구팀은 처음으로 인간 배아의 골격이 개별 세포까지 어떻게 형성되고 성장하는지 정확하게 해독했다. © A.Chédotal & R. Blain/ Institut de la Vision, Paris & MeLiS/UCBL/ HCL, Lyon
우리 모두는 단 하나의 세포, 즉 수정란에서 나왔다. 우리 몸의 모든 세포 유형, 조직 및 기관은 자궁에서 형성된다. 그러나 이 매우 복잡한 개발이 어떻게 세부적으로 작동하는지 부분적으로만 밝혀졌다. 연구자들이 부분 유산과 낙태로 사망한 인간 배아를 사용해 장, 척추 및 인간 발의 형성을 재구성했다.
배아 뼈 형성의 청사진
영국 Wellcome Sanger Institute의 Ken To가 이끄는 팀은 이제 대규모 국제 프로젝트인 "Human Cell Atlas"의 일환으로 또 다른 이정표를 달성했다. 이 프로젝트의 목적은 인체의 모든 조직과 기관을 개별 세포, 유전자 및 유전자 활동 수준까지 매핑하는 것이다. To와 그의 팀은 처음으로 인간 배아의 골격 형성을 자세히 분석했다.
이를 위해 연구진은 임신 초기(수정 후 약 5~11주)의 배아 조직 샘플을 들여다봤다. 어린이의 골격과 두개골 형성 부위에 있는 개별 세포에 대해 그들은 유전자, 메신저 RNA 형태의 활동 과 세포 DNA에 대한 후생적 부착을 결정했다. 그들은 특별한 알고리즘을 사용하여 이러한 세포들이 어떻게 함께 모여 그룹과 기능적 단위를 형성하는지 추적할 수 있었다.
▲ 두개골은 예외다. 뼈(보라색)는 사전 연골 구조 없이 직접 형성된다. © A.Chédotal & R. Blain/ Institut de la Vision, 파리 & MeLiS/UCBL/ HCL, Lyon
먼저 연골, 그다음 뼈
그 결과가 인간 골격 형성에 관한 최초의 “청사진”이다. “인간의 골격과 관절이 발달하는 동안 상호작용하는 수많은 과정이 있다. "우리 연구는 이제 팔다리와 두개골의 형성과 관련된 세포 유형과 메커니즘을 특성화했다"고 To는 말했다. 이는 이전에 알려지지 않은 일부 세포 유형과 신호 전달 경로뿐만 아니라 생쥐의 골격 발달과의 차이점도 밝혀냈다.
구체적으로 지도에 따르면 “인간의 뼈 형성은 수정 후 약 6~8주, 즉 배아가 태아가 되는 시기에 시작된다”고 연구진은 보고했다. 팔다리에서 연골 세포는 처음에는 뼈 발달을 위한 "가이드" 및 뼈대 역할을 한다. 임신 8주차부터 이러한 연골 구조는 점차 뼈 조직으로 대체된다.
...하지만 두개골 덮개는 다르게 자라
그러나 태아의 두개골에서는 발달이 다르다. 분석 결과에 따르면 두개골 지붕을 위한 연골 세포의 예비 뼈대가 형성되지 않는다. 대신, 뼈를 형성하는 세포가 어린이의 두개골 막에서 증식한다. To와 그의 동료들은 "이러한 뼈 전구체는 뒷부분의 전두골과 두정골의 반대편 경계에 나타난다"고 보고했다. 이 세포에는 이전에 알려지지 않은 일부 세포 유형도 포함돼 있다.
다음 단계에서는 정확하게 조정되고 공간적으로 다른 유전자 활동으로 인해 개별 두개골 판이 점차 골화되지만 두개골 봉합사는 부드럽고 골화되지 않은 상태로 유지된다. 이러한 메커니즘은 이러한 발달이 어떻게 발생하고 제어되는지 보여줄 뿐만 아니라, 일부 어린이에게 이것이 올바르게 작동하지 않는 이유에 대한 보다 정확한 정보도 처음으로 제공한다. 이 아이들의 경우 두개골 봉합선이 조기에 골화되어 뇌가 제대로 성장할 수 없다.
▲ 이 이미지는 연골과 뼈 세포가 발달하고 있는 배아의 팔을 보여준다. 각 색상 점은 세포다. 색상은 세포 유형과 유전자 활동을 나타낸다. © K. To, L. Fei, J. P. Pett et al./Nature (2024)
약물이 배아 골격을 손상시키는 방법
흥미로운 점은 연구팀이 65가지 일반 약물이 어떻게 인간 배아의 골격 발달에 영향을 미칠 수 있는지 조사했다는 것이다. 이 약들은 기형 및 뼈 성장 장애를 일으킬 수 있으므로 임산부가 복용해서는 안되는 약 중 하나다. To와 그의 동료들은 “이제 우리의 분석을 통해 이러한 기형 유발 인자에 의해 유전자 활동이 변화되는 뼈 세포주를 식별하는 것이 가능해졌다”라고 보고했다.
이러한 발견은 그러한 부작용에 대해 더욱 구체적으로 새로운 활성 성분을 테스트하는 데 도움이 될 수 있으므로 의약품을 더욱 안전하게 만들 수 있다. 연구팀은 현재 조사 중인 약물에 대한 덜 유해한 대안이 이제 보다 표적화된 방식으로 개발될 수 있다고 설명했다.
의학에 대한 참고 자료 및 도구
전반적으로, 연구자들은 배아 골격 발달에 대한 "멀티-오믹(multi-omic)" 지도를 의학의 중요한 도구로 보고 있다. 공동 저자인 Wellcome Sanger Institute의 Jan Patrick Pett는 “지도는 뼈가 어떻게 형성되는지, 성장 장애를 더 잘 치료할 수 있는 방법을 이해하는 데 엄청난 잠재력을 갖고 있다”며 "뼈 형성에 대한 이 청사진 덕분에 우리는 앞으로 실험실에서 뼈와 연골을 더 효율적으로 성장시킬 수 있을 것이다”고 말했다.
배아 뼈 형성에 대한 새로운 지도 외에도 Human Cell Atlas 팀은 다른 기관과 기관 시스템을 개별 세포와 유전자 발현까지 매핑했다. 여기에는 면역 체계, 피부 및 뇌의 일부에 중요한 소화 시스템, 흉선이 포함된다. 매핑 현황에 대한 전문 논문은 총 40편이 게재되었다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-08189-z)
출처: Nature, Wellcome Trust Sanger Institute