세포는 우리 몸 전체에서 지속적으로 움직이며 조직 발달과 면역 반응 및 정상 기능 유지를 위해 무수한 작업을 수행한다.
세포 이동에 관심을 가진 과학자들이 오랫동안 연구해온 결과, 세포들의 이 같은 바쁜 움직임은 화학적 자극(cues)에 의해 유도되는 것으로 여겨져 왔다.
그런데 세포 이동에는 화학적 요인뿐 아니라 물리적 요인도 주요 요소로 작용한다는 새로운 연구 결과가 나왔다.
미국 캘리포니아대(산타바바라) 데니스 몬텔(Denise Montell) 석학교수가 이끄는 생물학 및 물리학 연구팀은 생물학적 환경의 기하학이 세포 이동에 미치는 영향을 조사한 결과,
물리적 공간이 세포 이동에서 수많은 흔들림(sway)을 유지시킨다는 사실을 발견했다. 즉, 조직의 기하학적 구조가 세포 이동을 유도하는 아주 작은 저항 경로를 만들 수 있다는 것이다.
이 연구 결과는 과학 저널 ‘사이언스’(Science) 20일 자에 발표됐다.
수학적 모델과 초파리 실험을 통해 확인한 이 통찰은 종양학과 신경과학 및 발달생물학 등에서 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
세포 이동은 필수적인 생명 현상
방향이 지시된 세포 이동은 정상적이건 혹은 병리학적인 면에서건 생물학적 과정에서의 필수적인 특징이다.
몬텔 교수(분자, 세포 및 발달생물학)는 “방향성 세포 이동이 없이는 배아가 발달하지 못하고 상처가 치유되지 않으며,
면역 및 신경 시스템이 제대로 형성되거나 작동하지 못한다”고 지적하고, “세포 이동은 또 염증과 암 전이에도 기여하므로
이 기본 메커니즘을 이해하기 위해 수십 년 동안 상당한 관심이 집중됐다”고 밝혔다.
과학자들은 오랫동안 세포가 화학적 유인물질을 감지한다는 사실을 알고 있었다.
많은 학자들은 세포가 필요한 곳으로 이동하는 데는 화학적 유인 구배(chemo-attractant gradient)만 있으면 된다고 생각했다.
그러나 최근 들어 관련 학계에서는 세포가 경로를 선택하는 방식에 물리적 환경이 어떻게 기여하는지에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다.
문제는 인공 환경에서 살아있는 조직의 기하학적 구조를 재구성하는 일이 어렵다는 점이다.
초파리 난소 대상 연구로 성과 얻어
몬텔 교수팀은 세포 이동에 관해 최초로 연구되고 가장 잘 조사된 모델 중 하나인 초파리 난소를 실험 대상으로 삼아, 다른 여러 요인들이 세포 이동에 관여한다는 사실을 알아냈다.
난소 안에는 15개의 보모세포(nurse cells)와 한 개의 난모세포 혹은 발달 중인 난자 세포로 구성된 난실이 있으며, 보모세포는 난자의 성장을 지원한다.
보모세포와 난모세포 주위에는 약 850개의 난포세포가 둘러싸고 있다.
이 가운데 경계세포(border cells)라고 불리는 난실 끝에 있는 6~8개 그룹이 분리된 뒤 보모세포 사이에서
난모세포로 이동해 난자의 최종 발달에서 중요한 역할을 하게 된다.
이 시스템은 일반적으로 세포 이동 연구에 완벽한 모델을 제공할 뿐만 아니라, 경계세포 무리는 암 전이와 매우 유사하게 행동한다.
몬텔 교수는 “처음에는 이 시스템이 매우 모호하고 불가사의하게 보여 파란 염색에서 골라내기가 어려웠다”고 말하고,
“대자연이 사물을 재사용하듯 이 세포들이 이동하기 위해 사용하는 메커니즘은 분자적 세부사항에서까지도 암세포들이
이동하는 방식과 매우 유사한 것으로 확인됐다”고 설명했다.
경계세포의 중심 지향성
경계세포 이동에는 두 가지 구성요소가 존재한다. 먼저 이 세포들은 난실 앞쪽에서 뒤쪽으로 명확하게 움직인다.
다른 하나는 지금까지 덜 평가된 것으로, 약 40개의 다른 측면 경로가 있음에도 불구하고 방 주변으로 이동하지 않고 중앙에 위치한다는 점이다.
연구팀은 화학 유인 물질만으로는 경계세포들이 중심으로 가는 경로를 선택하는 것을 설명할 수 없다는 사실을 발견했다.
다른 무언가가 중심 경로를 따라가는 것을 유지해 줘야 하기 때문이다.
연구팀이 화학 신호를 감지하는 경계세포의 능력을 떨어뜨리자 경계세포들은 더 이상 반대쪽 끝에 있는 난모세포까지 도달하지는 못했으나 여전히 난실의 중앙에 머물러 있었다.
난실은 많은 세포들로 채워져 있어 공 여러 개를 어렵게 배송 상자에 채워 넣는 것과 같은 문제가 발생한다.
수학자들은 수백 년 동안 이런 문제를 다뤄오며 더 많은 세포가 들어갈 수 있는 공간이 있다는 것을 알고 있다.
연구팀은 세포 사이의 틈새를 채우는 형광 액체 속에 난실을 집어넣어 이를 확인했다.
몬텔 교수는 “약간 더 많은 공간이 있기 때문에 경계세포들이 중심을 선택하는 것 같다”며,
“놀라운 것은 물리적 공간이 그 안에서 움직이는 물체들보다 훨씬 작다는 점으로, 바로 이 작은 공간이 차이를 만들어낸다”고 말했다.
세포 간 여분 공간이 최적 경로 생성
논문 공저자로 몬텔 연구실의 전 박사후 연구원인 웨이 다이(Wei Dai) 박사는 현미경으로 난실을 주의 깊게 연구하고 심혈을 기울여 세포들을 3차원 모델로 재현했다.
이 모델을 통해 캘리포니아대(샌디에이고) 유안셍 카오(Yuansheng Cao)와 와우터-얀-라펠(Wouter-Jan Rappel) 연구원,
이스라엘 와이즈만 연구소의 니르 고브(Nir Gov) 같은 물리학자들이 시스템의 수학적 모델을 만들어 시뮬레이션을 실행할 수 있었다.
이어 픽사 애니메이션 스튜디오의 기술 디렉터인 몬텔 교수 아들이 수학 모델 결과를 난실의 3D 재현에 중첩시켰다.
그 결과, 세포 사이의 여분의 공간이 최적의 경로를 생성한다는 가설을 뒷받침했다.
세포의 기하학적 구조가 실제로 경계세포의 경로 결정에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인하기 위해
논문 공동 제1저자인 샤오란 구오(Xiaoran Guo) 박사과정생은 일반적인 15개와 배치되는 31개의 보모세포가 있는 돌연변이 난실을 조사했다.
이처럼 세포 수가 많아 붐비는 경우, 경계세포는 난실의 물리적 중앙부보다는 세포 접합부가 가장 많은 영역을 통과하는 경로를 선택했다.
몬텔 교수는 “조직 기하학(tissue geometry)은 저항이 가장 적은 중심 경로를 생성해 화학 유인 물질이 제공하는 것과 똑같이 중요한 방향 정보를 제공한다”고 강조했다.
이로써 지난 15년 동안 화학 신호가 유일한 유도신호라고 생각했던 것에 새로운 사실을 추가하게 됐다.
“세포 이동에 물리적 환경 영향 고려해야”
몬텔 교수는 세포의 행동 기저에는 수많은 다른 요인들이 있을 것이라고 생각하고 있다.
경계세포는 이동하는 동안 보모세포 사이의 간격과 거의 같은 크기의 세포막 작은 돌출부를 확장시켜 주변을 탐색한다.
보모세포들은 자신들이 닿는 곳에서 단백질과 함께 압축돼 있는 것으로 추가 확인됐다.
경계세포는 여러 세포가 만나는 틈새를 통해 이동함으로써 이런 모든 결합을 깨뜨리고 지나갈 필요가 없는 것이다.
이번 연구 결과는 세포가 좁은 공간을 통해 이동하는 모든 종류의 사례- 예를 들면 뇌의 발달이나,
림프절과 종양을 통한 면역세포의 이동 등-에 대해 과학자들이 물리적 환경의 영향을 고려해야 한다는 점을 명백히 보여주고 있다.
몬텔 교수는 “면역세포를 종양에 주입하는 것은 하나의 도전이 될 수 있는데, 그 일부는 조직 기하학의 도전”이라며,
“누군가 생각했듯이 우리가 정말로 해야 할 일은 종양을 풀어 면역세포를 그 안에 들여보내는 것”이라고 말했다.
그는 이번 발견에 대해 “세포들이 어디에 끌리고 어떻게 움직이는지에 대한 생각에 새로운 개념을 추가했다”고 결론지었다.
