겉보기에 무질서해 보이는 세포들이 어떻게 강력한 배아를 형성하는가

배아 발달은 단일 난자가 수정되어 지속적으로 분열을 시작할 때 시작됩니다. 처음에는 혼란스러운 클러스터이지만 점차 고도로 조직화된 구조로 진화합니다. 오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 과학자를 포함한 국제 연구팀이 이 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공하면서 혼란과 질서가 모두 중요한 역할을 한다는 점을 강조했습니다. 결과는 Science에 게재되었습니다.

액체를 작은 시험관에 피펫으로 옮기고, 거대한 데이터 세트를 분석하고, 연구 출판물을 꼼꼼히 살펴보는 것 - 이 모든 작업은 과학자의 일부입니다. 하지만 이 일상을 깨는 것은 필수적입니다. 일상적인 업무 환경에서 벗어나는 시간은 창의적인 아이디어를 불러일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 연구실 휴양은 연구자들이 다른 동료들과 교류할 수 있는 좋은 환경을 제공하며, 종종 새로운 협업으로 이어집니다.

후자는 오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 Bernat Corominas-Murtra와 Edouard Hannezo에게 해당됩니다. 스페인의 협력적 리트리트 연구 그룹의 포스터 세션에서 선보인 데이터 세트에 매료된 Corominas-Murtra는 네덜란드 위트레흐트에 있는 Hubrecht Institute의 Takashi Hiiragi 교수 연구 그룹의 포스트닥인 동료 연구원 Dimitri Fabrèges와 활발한 토론을 시작했습니다. 대화로 시작된 것이 이제 Science 에 게재되었습니다.

국제 연구팀은 초기 포유류 형태발생(유기체가 모양과 구조를 발달시키는 과정)에 대한 포괄적인 아틀라스를 구축하여 마우스, 토끼, 원숭이 배아가 공간과 시간에서 어떻게 발달하는지 분석했습니다. 이 아틀라스를 기반으로 그들은 세포 분열 및 이동과 같은 개별 이벤트가 매우 혼란스럽지만 배아 전체는 서로 매우 유사하게 보입니다. 이 데이터 세트를 사용하여 그들은 포유류 배아가 어떻게 혼란에서 구조를 형성하는지 설명하는 물리적 모델을 제안합니다.

하나에서 여러 개로

동물에서 배아 발달은 난자가 수정될 때 시작됩니다. 이 사건은 분열이라고 알려진 일련의 연속적인 세포 분열을 유발합니다. 간단히 말해서, 하나의 세포가 두 개로 나뉜 다음, 두 개가 네 개가 되고, 네 개가 여덟 개가 되는 식으로 계속됩니다. 결국, 세포 덩어리가 배반포라고 하는 매우 조직적인 구조를 형성하고, 여기에서 모든 미래의 장기와 조직이 발달합니다. 이 전체 과정을 형태발생이라고 합니다.

"이러한 초기 배아 발달 단계는 모든 후속 발달 과정의 무대를 마련하기 때문에 중요합니다." 에두아르 하네조가 설명합니다. 예를 들어, 일부 동물의 경우, 발달 생물학자들이 가장 많이 연구한 모델 유기체 중 하나인 투명한 선충류인 C. elegans 의 경우, 초기 배아의 분열은 매우 잘 조절되고 다른 배아에서 같은 방향으로 배향되어 모든 유기체가 같은 수의 세포를 갖습니다. 그러나 포유류 종에서는 분열이 타이밍과 방향 모두에서 훨씬 더 무작위적인 것으로 보입니다. 이는 이러한 장애에도 불구하고 포유류 배아 발달이 어떻게 재현 가능한지에 대한 의문을 제기합니다.

자세한 배아 지도

이 질문에 답하기 위해, Hiiragi 그룹은 여러 다른 배아를 이미지화하고 정량적으로 분석하여 쥐에서 토끼, 원숭이에 이르기까지 다양한 포유류 종 내부와 종 간의 유사성을 비교했습니다. Dimitri Fabrèges와 동료들은 소위 '모포맵'을 만들었습니다. 이는 고차원 형태학적 데이터를 시각화하는 맵입니다. Hannezo는 "이것은 배아가 시간과 공간에서 어떻게 행동하는지 보여주는 이미지 분석 파이프라인입니다. 배아의 형태발생에 대한 정확한 아틀라스입니다."라고 설명합니다.

이 지도를 통해 과학자들은 발달의 배아 간 가변성과 같은 문제를 다루어 발달 과정을 정량적으로 분석할 수 있었습니다. 이 데이터 세트를 통해 과학자들은 '정상적인' 형태발생이 어떤 것인지 정의할 수 있었습니다.

파브레주는 스페인에서 열린 연구실 리트리트에서 형태지도를 발표했습니다. 데이터에 따르면 수정 후 첫 번째 분열은 생쥐, 토끼, 원숭이에서 조절되지 않았습니다. 세포는 8세포 단계에 도달할 때까지 무작위로 분열되었고, 이 단계에서 모든 배아가 갑자기 똑같아 보이기 시작했습니다. "첫 단계에서는 매우 다르게 보였지만, 8세포 단계가 끝나면서 배아는 서로의 모양으로 수렴하는 것처럼 보였습니다." 하네조가 계속 말했습니다. 하지만 왜 그럴까요? 이 혼돈에 무엇이 구조를 가져오는 것일까요?

배아 루빅 큐브 - 세포 클러스터가 패킹을 최적화합니다

이론 물리학자인 코로미나스-무르트라와 하네조는 이 데이터 세트에 매료되어 이론적 관점에서 이 과정을 이해하고자 했습니다.

그러나 배아의 모양은 매우 복잡하여 두 배아가 유사하거나 다르다는 것이 무엇을 의미하는지 파악하기 어렵습니다. 과학자들은 세포 간 접촉의 구성을 연구하는 것만으로 배아 구조의 전체 복잡성을 효과적으로 근사할 수 있다는 것을 발견했습니다. "우리는 세포의 배열을 이해하거나 어떤 세포가 물리적으로 연결되어 있는지 아는 것(소셜 네트워크의 연결과 유사)을 통해 배아의 형태에 대한 대부분의 중요한 세부 정보를 도출할 수 있다고 생각합니다. 이러한 접근 방식은 데이터 분석과 다른 배아 간의 비교를 상당히 단순화합니다."라고 Corominas-Murtra는 말합니다.

이 정보를 사용하여 과학자들은 배아가 재현 가능한 모양으로 수렴하는 방법에 대한 간단한 물리적 모델을 만들었습니다. 이 모델은 물리적 법칙이 배아가 포유류에서 공유하는 특정 형태를 형성하도록 이끈다는 것을 보여줍니다.

배아의 표면 에너지를 낮추는 몇 가지 선택적 세포 배열을 제외한 대부분의 세포 배열을 불안정하게 함으로써 세포 간의 물리적 상호 작용은 형성을 정의된 모양으로 안내할 수 있습니다. 다시 말해, 세포는 점점 더 서로 달라붙는 경향이 있으며, 이 겉보기에 간단한 과정은 실제로 배아를 가장 최적의 패킹으로 연속적인 재배열을 통해 구동합니다. 마치 배아가 스스로 루빅 큐브를 푸는 것과 같습니다.

혼란도 없고, 구조도 없다

결과는 포유류 배아의 발달이 가변성과 견고성에 의해 어떻게 지배되는지 자세히 살펴봅니다. 혼돈이 없다면 구조가 없습니다. 둘 중 하나가 다른 하나를 필요로 합니다. 둘 다 '정상적인' 발달을 구성하는 필수적인 부분입니다. "우리는 마침내 형태발생의 가변성을 분석할 수 있는 도구를 갖게 되었고, 이는 발달 견고성의 메커니즘을 이해하는 데 중요합니다."라고 Hannezo는 요약합니다. 무작위성은 생명체의 복잡성을 생성하는 주요 힘인 듯합니다.

과학자들은 정상이 어떤 모습인지에 대한 더 많은 지식을 얻음으로써 비정상에 대한 통찰력도 얻습니다. 이는 질병 연구, 재생 의학 또는 생식 치료와 같은 분야에서 매우 유용할 수 있습니다. 미래에는 이러한 지식이 시험관 수정(IVF)을 위한 가장 건강한 배아를 선택하는 데 도움이 되어 이식 성공률을 개선할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241010142527.htm