소뇌 패턴 형성에 대한 이해

안녕하세요, 저는 시카고 대학교 인간 유전학부 및 신경과 조교수인 Kathy Millan입니다. 저는 뇌 발달, 구체적으로는 두개골 뒤쪽에 위치한 뇌의 일부인 소뇌 발달에 대해 연구하고 있습니다.

이 부위는 운동 발달에서의 역할로 가장 잘 알려져 있지만, 실제로는 매우 다양한 과정에 관여하는 것으로 밝혀졌습니다. 또한 뇌의 매우 흥미로운 부분이기도 합니다. 패턴 형성(Pattern Formation)이란 생물학적 시스템에서 패턴이 발달하는 것을 말합니다. 그리고 이는 발생 생물학자들이 거의 모든 것을 의미하는 다소 포괄적인 의미로 사용하는 단어 중 하나입니다.

그리고 그것이 정확히 무엇을 의미하는지는 명확하지 않습니다. 아마 모든 발달 생물학자가 저마다 다른 설명을 할 것입니다. 제가 생각하는 의미는 뇌, 특히 소뇌가 어떻게 위아래를 구분하고, 어떻게 좌우를 정의하는가 하는 점입니다.

구조의 어느 부분이 어떤 부분으로 발달할지 어떻게 결정될까요? 그리고 그러한 결정적인 초기 배아 단계의 기초적 결정이 내려진 후, 모든 세포 구조를 어떻게 하나로 모아 소뇌라고 불리는 정교한 패턴의 뇌 부위를 형성하게 될까요? 따라서 우리는 소뇌의 발달과 발달 중인 소뇌의 패턴 정보에 매우 큰 관심을 가지고 있습니다.

소뇌는 매우 정교한 패턴을 가진 조직이기 때문입니다. 세포층의 수가 많지 않고 세포 유형 또한 다양하지 않습니다. 따라서 뇌의 다른 부위와 비교했을 때, 소뇌는 상대적으로 단순한 구조라고 할 수 있습니다.

또한 소뇌는 운동 조절이라는 매우 구체적인 기능, 혹은 여러 기능 중 하나를 수행하기 때문입니다. 마우스나 인간에게 소뇌 이상이 있을 때 나타나는 표현형 중 하나가 바로 운동 조절 장애입니다. 따라서 지난 100여 년의 마우스 유전학 연구 동안, 어느 정도 특성이 규명되고 발견된 다수의 자연발생 마우스 돌연변이들이 있었으며, 운동 이상을 보이는 마우스들이 잭슨 연구소(Jackson Labs)의 보관소에 분리된 상태로 보관되어 왔습니다.

또한 그러한 마우스들 중 상당수, 아마도 약 60종 이상의 자연발생 계통이 소뇌 발달 이상을 보입니다. 이러한 자원은 소뇌의 패턴 형성을 유도하는 발달 기전이 무엇인지 살펴보기에 매우 가치 있고 풍부한 자원입니다. 따라서 저희 연구실에서 집중하고 있는 한 가지는 인간 게놈 프로젝트와 마우스 게놈 프로젝트를 통해 확보한 모든 도구를 활용하고, 이러한 분자 시약을 사용하여 그 모든 자연발생 돌연변이체에서 돌연변이가 일어난 유전자를 찾아내는 것입니다.

그리고 이러한 돌연변이체를 찾음으로써, 우리는 유전자를 찾기 위해 표현형 중심의 접근 방식을 취합니다. 즉, 무작위로 유전자를 선택하여 녹아웃(knock-out)시키는 것이 아닙니다. 우리는 표현형을 먼저 찾고 그 유전자를 찾아내는데, 이러한 접근 방식을 통해 관심 대상인 시스템과 특히 관련성이 높은 유전자들을 구체적으로 찾을 수 있기 때문입니다.

따라서 저희 연구실과 다른 많은 연구실에서는 이러한 자발적 마우스 돌연변이체들을 다수 클로닝해 왔습니다. 이러한 표현형 중심의 접근 방식을 통해, 해당 자발적 마우스 돌연변이체들은 매우 흥미로운 새로운 생물학적 발견으로 이어졌습니다.

우리는 어떤 종류의 유전자를 찾게 될지에 대해 어떠한 선입견도 갖지 않고 있습니다. 특정 dal ho 유사체나 채널 돌연변이를 특별히 찾고 있는 것이 아닙니다. 우리는 표현형이 지시하는 유전자를 찾아내고 있습니다.

그 덕분에 우리는 많은 새로운 생물학적 지식을 배우고 있습니다. 예를 들어, 제 연구실에서 연구했거나 제가 포스트닥 시절 동료인 Jim Linig와 함께 연구했던 유전자나 표현형 중 하나로, 'dre'라는 마우스 돌연변이가 있습니다. 이는 독일어로 팽이처럼 도는 것을 의미합니다. 이 마우스 돌연변이는 1929년 독일에 처음 나타났으며, 이후 Jackson Labs에 축적되어 왔습니다.

이 특정 유전자 좌위에는 여러 개의 대립유전자가 있으며, 소뇌가 비정상적으로 형성된 것으로 알려져 있었습니다. 따라서 모든 소뇌 세포 유형은 존재했으나, 소뇌의 패턴이 비정상적이었습니다. 중앙 부분이 결손되어 있었는데, 이 중앙 부분을 벌미스(vermis)라고 합니다.

그리고 우리는 이 마우스들에게서 성체 표현형으로 이어지는 초기 배아 표현형이 있다는 것을 발견했습니다. 이 표현형은 limb homeo domain containing box 1을 의미하는 LMX1A라는 유전자의 변이로 인해 나타난 결과였습니다. LMX1A 유전자는 중추신경계에서 무엇이 위쪽인지, 즉 무엇이 등쪽(dorsal)인지를 정의하는 가장 결정적인 유전자 중 하나이기 때문에 발생생물학에서 매우 흥미롭고 중요한 유전자로 평가받고 있습니다.

이 희귀한 돌연변이가 없었다면, 이 유전자가 실제로 어떤 기능을 하는지 아무도 알지 못했을 것입니다. 사실, 이 유전자는 췌장의 인슐린 생성 세포에서 다른 이유로 발견되었으며, 다른 연구자들은 당뇨병에서의 잠재적 역할에 대해 연구해 오고 있었습니다.

하지만 사실 LMX1A 노화 그 자체만으로는 췌장 발달이나 섬세포 발달에 아무런 역할도 하지 않는 것으로 밝혀졌습니다. 실제로 발달 과정에서 이 유전자의 주요 역할은 중추신경계의 등쪽 패턴 형성을 유도하는 것입니다. 우리가 처음 DR 유전자인 LMX1A 유전자를 클로닝했을 때, 이 유전자가 중추신경계의 등쪽 부분에서만 발현된다는 사실을 깨달았습니다.

실제로 이는 중추신경계의 등쪽 부분이나, 소뇌 주변에서 roof plate라고 불리는 부위에서만 발현되는 것이 아닙니다. 이는 생쥐 배아의 전체 축 길이(axial length)를 따라 중추신경계의 등쪽 부분 전체에서 발현됩니다. 사실, 지금까지 우리가 살펴본 모든 척추동물의 전체 축 길이를 따라 발현되고 있습니다.

그리고 이 유전자가 등쪽 어디에서나 발현되기 때문에, 우리는 이것이 중추신경계의 다른 부분의 등쪽에서도 역할을 할 것이라고 추론했습니다. 그래서 우리는 실제로 척수에서 DR 생쥐의 표현형을 특성화하는 데 많은 시간을 할애했는데, 척수는 소뇌보다 3차원적 구조가 훨씬 덜 복잡하기 때문에 중추신경계 발달을 이해하는 데 훨씬 더 적합한 모델 시스템이기 때문입니다. 척수는 3차원적 구조가 훨씬 적습니다.

병아리로 전환하여, 저희는 척수에서 LMX1A의 역할이 무엇인지 밝히기 위해 실제로 수많은 시약을 활용할 수 있었습니다. 그리고 척수 연구에서 다시 소뇌 연구로 전환했습니다. 솔직히 병아리 모델링 기술이 없었다면 LMX1A 유전자가 하는 일에 대해 제대로 이해하지 못했을 것이라고 생각합니다. 제 실험실의 박사후 연구원인 Victor Chiko가 실제로 이러한 실험들을 주도하여 수행한 인물이었습니다.

그분은 병아리 전기천공법(Chick electroporation) 시스템을 이용하여 LMX1A 유전자의 기능과 중추신경계에서의 주요 역할을 실제로 밝혀낸 분입니다. 솔직히 병아리 전기천공법이 없었다면 우리가 이룬 만큼의 진전을 이룰 수 없었을 것이라고 생각합니다. 병아리 전기천공법은 발달 중인 병아리 신경계에서 유전자를 빠르게 과발현시키고, 2~3일간의 배양 후 결과를 얻어 분석 가능한 표현형을 확인할 수 있기 때문에 매우 가치 있는 기술입니다.

만약 형질전환 동물을 만들기 위해 실제로 생쥐에서 유전자 조작을 시도한다면 수개월이 걸릴 것이며, 녹아웃 등의 경우에는 최소 1년 반이 소요될 것입니다. 따라서 닭 배아 시스템은 유전자 발현을 조작하고 표현형을 빠르게 확인할 수 있다는 점에서 매우 가치 있는 시스템입니다. 예를 들어, 발달 중인 닭의 신경계, 특히 발달 중인 척수에서 LMX1 유전자를 과발현시키면, 중추신경계 또는 척수의 전체 등쪽 부분이 중추신경계의 등쪽 부분인 지붕판(roof plate)으로 변하게 됩니다.

따라서 Victor가 수행한 여러 다른 실험들과 종합하여 알 수 있었던 점은, LMX1A 단독으로 지붕판(roof plate)의 전체 분화 프로그램을 주도한다는 것이었습니다. 이는 지붕판이 발달 중인 신경계에서 매우 중요한 신호 전달 중심지이기 때문에 중요합니다. 지붕판이 없다면, 인접한 신경관 세포가 배측 감각 신경세포로 전환되도록 지시하는 형태 형성 물질(morphogen)을 분비할 수 없게 됩니다.

그리고 그러한 신호가 없으면, 해당 세포들은 중간 세포 유형이라는 기본 상태로 돌아가게 됩니다. 그러면 척수뿐만 아니라 실제로 발달 중인 소뇌에서도 대부분의 배측 뉴런을 잃게 됩니다. 닭의 신경관 외에 다른 시스템을 사용했다면 이러한 결론에 쉽게 도달하기 어려웠을 것이라고 생각합니다.

우리는 생쥐 시스템과 병아리에서의 기초 생물학적 측면뿐만 아니라, 인간에게 발생하는 소뇌 기형 때문에 소뇌 발달에 매우 깊은 관심을 가지고 있습니다. 이러한 인간의 소뇌 기형은 현재 매우 제대로 이해되지 않은 상태입니다. 따라서 인간 뇌 기형 분야의 세계적 전문가 중 한 분인 동료 William Dobbins 박사와 협력하여, 인간 소뇌 기형 유전자를 찾기 위한 프로젝트를 함께 시작했습니다.

저희는 여러 가지 접근 방식을 취하고 있습니다. 가장 중요하게 수행한 작업 중 하나는 DNA 데이터베이스와 임상 데이터베이스를 구축한 것입니다. 여기에는 정의된 인간 소뇌 기형을 가진 500명 이상의 환자를 모집하여 MRI 영상을 수집하고, 이를 DNA 샘플과 상관 분석함으로써 유전자 탐색을 위한 리소스로 활용할 수 있도록 했습니다. 왜냐하면 인간 소뇌 기형은 전혀 제대로 분류되어 있지 않기 때문입니다. 솔직히 말씀드리면, 저희 연구를 통해 접하는 매 10건의 스캔 중 최소 한 건은 이전에 기술된 적이 없거나 제대로 인식되지 않았던 기형 사례라고 할 수 있습니다.

가장 흔한 인간 소뇌 기형은 댄디-워커 기형(Dandy Walker malformation)이라고 불리며, 임상의들에게 가장 잘 알려져 있습니다. 하지만 이는 인간 소뇌 질환 분야에서 일종의 포괄적인 오진 분류에 가깝다는 것이 밝혀졌습니다. 많은 의사들이 비정상적인 소뇌를 발견하면 이를 댄디-워커 기형으로 분류하곤 합니다.

따라서 저희는 Dandy Walker 기형 연구에 환자들을 모집하며, 이를 통해 매우 다양하고 흥미로운 소뇌 기형 사례들을 발견하고 있습니다. 저희는 이 자원을 활용해 새로운 소뇌 발달 유전자를 찾고 있는데, 발달 생물학자로서 제가 생각하기에 인간은 하나의 거대한 돌연변이 유발 실험장과 같기 때문입니다. 즉, 새로운 발달 유전자를 찾기에 매우 훌륭한 원천이 됩니다.

따라서 저희는 해당 유전자들을 찾기 위해 여러 가지 접근 방식을 취하고 있습니다. 그중 하나는 소뇌 발달에 역할을 하는 것으로 밝혀진 마우스 유전자들을 대상으로 인간의 해당 유전자들을 시퀀싱하는 것입니다. 실제로 저희는 최근에 최초의 인간 LMX1A 변이를 확인하였습니다.

지금까지는 기초 과학 연구를 임상 연구에 적용한 사례가 매우 제한적이었습니다. 하지만 이러한 상황은 매우 빠르게 변화하고 있습니다. 새로운 유전자들을 지속적으로 발견함에 따라, 환아 가족들에게 새로운 유전 상담 정보를 제공할 수 있게 되었습니다.

솔직히 말해서, 그 부분이 저희 연구가 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 지점이라고 생각합니다. 따라서 제가 바라보는 5년 후 이 분야의 비전은, 마우스 모델의 특성 분석과 인간 소뇌 기형 연구를 통해 훨씬 더 많은 유전자가 발견되는 것입니다. 우리는 소뇌 발달에 관여하는 유전자 집합에 대해 더 많은 것을 알게 될 것입니다.

그 다음 목표는 이러한 유전자들이 서로 어떻게 상호작용하며, 실제 생물학적 기전을 어떻게 구동하는지를 밝히는 것이 될 것입니다. 소뇌를 형성하기 위해 일어나는 모든 다양한 세포 사건들을 이 유전자들이 어떻게 이끄는지에 대한 것입니다. 솔직히 말해서, 소뇌에는 주요 신경세포 유형이 5~7가지밖에 없기 때문에, 소뇌는 전체 중추신경계를 연구하기 위한 정말 이상적인 모델이라고 생각합니다.

이들은 모두 다양한 정형화된 방식으로 배열되어 있습니다. 우리는 이러한 전구세포의 규명과 초기 분화를 유도하는 분자들에 대해 점점 더 많은 것을 배우고 있습니다. 또한 이러한 세포들이 어떻게 증식하는지에 대해서도 점점 더 깊이 이해하고 있습니다.

따라서 저는 5년 이상의 시간이 더 걸릴 것이라고 생각하지만, 궁극적으로는 신경관 발달부터 소뇌 발달 전 과정에 이르기까지를 통해 소뇌의 성숙한 형태를 구현할 수 있을 것으로 봅니다. 소뇌는 상대적으로 단순한 시스템이기 때문에, 전체 소뇌의 형성을 주도하는 분자와 발달 사건들을 실제로 밝혀낼 수 있을 것이라는 희망이 있습니다. 이는 인간의 유전적 진단 분야뿐만 아니라 소뇌 발달 연구 분야에서도 매우 중요하며, 더 나아가 이러한 메커니즘을 뇌의 다른 부위에도 적용할 수 있을 것이라고 생각합니다.

소뇌는 비교적 단순한 구조이지만, 발달 과정의 많은 사건들이 소뇌에만 국한되는 것은 아닙니다. 우리는 소뇌를 통해 배운 내용을 대뇌 피질과 같이 중추신경계의 더 복잡한 다른 영역으로 확장하여, 학습한 교훈과 경로들이 뇌의 나머지 부분에 어떻게 적용되는지 파악할 수 있습니다.