출생 시 인간의 뇌에는 임신 기간이 비슷함에도 불구하고 갓 태어난 침팬지나 고릴라보다 약 3배 더 많은 뉴런이 존재합니다.
다른 유인원들과 비교했을 때 인간의 뇌는 왜 이렇게 큰 걸까요?
이를 알아보기 위해 영국 케임브리지에 있는 의학연구위원회(MRC) 분자생물학 연구소의 연구원들은 최근 인간, 고릴라, 침팬지의 초기 뇌 발달을 모방하기 위해 미니어처 뇌 오가노이드를 성장시키고 연구했습니다.
2021년 3월 Cell 저널에 게재된 이 연구는 인간이 다른 유인원보다 더 큰 뇌를 발달시키는 방법을 최초로 규명한 연구입니다.
인간이 다른 유인원보다 더 큰 두뇌를 발달시키는 방법
연구진은 인간이 다른 유인원으로부터 분화한 후 인간의 뇌가 왜 그렇게 크게 확장되었는지 더 잘 이해하기 위해 인간, 고릴라, 침팬지로부터 세포를 수집하는 것으로 시작했습니다.
그리고 이 세포들을 초기 배아에서 발견되는 유도만능줄기세포(iPSC)와 유사하도록 유전적으로 재프로그래밍하여 초기 뇌 발달을 모델링하는 3D 조직인 뇌 오가노이드를 성장시키는 데 사용했습니다.
인간 줄기세포로 개발한 뇌 오가노이드는 실제 뇌와 마찬가지로 고릴라와 침팬지 줄기세포로 개발한 뇌 오가노이드보다 훨씬 더 크게 성장했습니다.
연구진은 그 이유를 이해하기 위해 신경 전구세포를 탐구했습니다.
신경 전구 세포의 역할
뇌 발달의 초기 단계에서 신경 전구세포로 알려진 줄기세포는 뉴런을 생성합니다.
초기 원통형인 신경 전구세포는 동일한 딸세포로 쉽게 분열할 수 있습니다.
이 초기 발달 단계에서 더 많이 분열하고 증식할수록 나중에 뇌에 더 많은 뉴런이 포함될 수 있습니다.
신경 전구 세포가 성숙함에 따라 증식이 느려지고 모양이 길어져 아이스크림 콘이 늘어난 것과 비슷해집니다.
연구진은 뇌 오가노이드 모델을 사용하여 고릴라와 침팬지에서 신경 전구 세포의 모양이 원통형에서 늘어난 아이스크림 콘으로 바뀌는 것이 약 5일에 걸쳐 일어난다는 사실을 발견했습니다.
인간은 이보다 더 오래 걸렸으며, 총 7일 정도 걸렸습니다.
인간의 전구세포는 원통형 모양을 더 오래 유지하기 때문에 증식할 수 있는 시간이 더 길어져 더 많은 뉴런을 생성할 수 있습니다.
세포 모양의 전환이 지연되는 것은 인간의 뇌가 고릴라와 침팬지의 뇌보다 약 3배 더 많은 뉴런을 가지고 있는 이유를 설명할 수 있습니다.
ZEB2 유전자의 차이점
이러한 성장 차이를 일으키는 유전적 메커니즘을 더 자세히 이해하기 위해 연구진은 인간, 침팬지, 고릴라 뇌 오가노이드의 유전자 발현을 조사했습니다.
그 결과 ZEB2라는 유전자에서 중요한 차이점을 발견했습니다.
고릴라 뇌 오가노이드에서는 이 유전자가 인간 오가노이드보다 더 빨리 ‘켜지는’ 것으로 나타났습니다.
연구진은 이 차이를 탐구하기 위해 고릴라 뇌 오가노이드에서 ZEB2 유전자의 효과를 지연시켰습니다.
이로 인해 전구 세포가 더 천천히 성숙하여 고릴라 뇌 오가노이드가 인간 뇌 오가노이드와 유사하게 더 크게 성장할 수 있었습니다.
또한 인간 뇌 오가노이드의 ZEB2 유전자는 그 반대의 효과를 일으켜 오가노이드가 유인원 오가노이드와 유사하게 더 작은 크기로 성장하게 했습니다.
연구를 주도한 MRC 분자생물학 연구소의 매들린 랭커스터 박사는 다음과 같이 설명했습니다: “본질적으로 이 유전자가 켜지면 세포는 덜 ‘끈적끈적’해져서 다른 곳으로 떠날 수 있습니다.”
초기 인간 뇌 세포에서 ZEB2 유전자의 활성화가 지연되면 세포가 서로 달라붙고 더 오래 증식하여 더 많은 뉴런을 생성하여 더 큰 뇌를 만들 수 있습니다.
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연구진은 이 연구에 사용된 뇌 오가노이드는 모델일 뿐 실제 뇌의 정확한 복제품이 아니며 뇌 기능을 완벽하게 재현하지 못한다고 지적합니다.
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