생쥐의 나팔관에서 난자와 배아의 이동 첫 촬영

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-21 13:05:11
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* 나팔관 내부 고해상도 영상을 위해 OCT(Optical Coherence Tomography 광간섭 단층촬영) 사용
* 쥐의 나팔관을 외부에서 들여다보기 위해 그 위에 있는 피부와 근육층을 투명하게 만들어
* 70㎛ 크기의 난자 세포와 갓 수정된 배아가 살아있는 쥐의 나팔관을 어떻게 이동하는지 관찰
* 선형운동이 아니고 회전하면서 이동, 게이트에서 타이밍 조절

나팔관에서 난자와 배아의 이동 첫 촬영
새로운 이미징은 난자와 배아 수송에 대한 놀라운 세부 사항을 보여준다.


놀라운 여행:
연구자들이 처음으로 난자 세포와 배아가 나팔관을 통해 살아서 이동하는 것을 관찰했다.
이 관찰은 번식에 중요한 이 수송이 예상보다 훨씬 더 역동적이고 복잡하다는 것을 보여주었다. 나팔관 벽의 섬모에 의해 앞으로 고르게 굴러떨어지는 대신, 난자 세포와 배아는 앞뒤로 움직이고, 원을 그리거나 "Gate 문"에 의해 느려진다. 이러한 방식으로 나팔관은 수정 및 착상을 위한 올바른 "타이밍"을 보장한다. 

▲ 연구 개요도. "창"이 있는 마우스, 나팔관 보기 및 난자의 움직임 패턴. © Larina 및 Wang / Cell Reports, CC-by-nc-nd 4.0 (출처: 관련논문 In vivo dynamic 3D imaging of oocytes and embryos in the mouse oviduct)


수정과 번식에 관련해 나팔관은 난자를 다루는 장소이자 행위자이다.
난세포와 정자를 포함하고 있어서 수정된 배아를 자궁으로 운반하고 착상을 준비한다.
동시에 태아에게 새로운 생명의 첫 번째 발달 단계를 가능하게 하는 환경을 제공한다.
경로가 막히거나 난자와 배아가 활발하게 이동하지 않으면 자연 번식에 실패하게 된다.

나팔관의 엄청난 중요성에도 불구하고 그 내부의 과정은 지금까지 거의 연구되지 않았다.
휴스턴에 있는 Baylor College of Medicine의 이리나 라리나(Irina Larina)는 "아무도 살아있는 유기체의 나팔관에서 난자 세포와 배아가 움직이는 것을 본 적이 없다. 이러한 지식 격차는 주로 적절한 영상 기술이 없었기 때문이다"고 말했다.

따라서 난세포와 배아가 나팔관을 통해 정확히 어떻게 전달되고 어떤 과정이 관련되는지 명확하지 않았다.

새로운 이미징


최근 손상되지 않은 나팔관의 라이브 뷰가 처음으로 성공적이었다.
Larina와 New Jersey의 Stevens Institute of Technology의 생물물리학자 샹 왕(Shang Wang)은 이 목적을 위한 특별한 방법 조합을 개발했다. 그들은 나팔관 내부의 고해상도 영상을 위해 OCT(Optical Coherence Tomography 광간섭 단층촬영)을 사용했다. 이 경우 광선이 분할되고 샘플을 통해 절반이 방출된다.

이 빔과 참조 빔의 재결합으로 인한 간섭 패턴이 이미지를 제공한다.
OCT의 경우 여러 스캔이 3차원 슬라이스 이미지로 결합된다.
"우리는 OCT가 약 5㎛(마이크로미터)의 해상도로 나팔관의 구조적 세부 사항을 매핑할 수 있음을 이미 생체 내에서 보여주었다"고 연구자들은 설명했다.

그러나 함정이 있다.
광간섭 단층촬영은 조직을 몇 밀리미터만 투과한다. 따라서 연구자들은 살아있는 쥐의 나팔관을 외부에서 들여다보기 위해 그 위에 있는 피부와 근육층을 투명하게 만들어야 했다.
그들은 테스트에서 3D 프린팅으로 특별히 조정된 작은 투명 창을 동물에 이식함으로써 이것을 달성했다. 

▲ 비디오 S1. 스냅샷. 생체 내에서 마우스 난관의 상부 팽대부에 있는

난모세포 복합체의 원형 운동 (출처: 관련논문)


난자의 원형 춤

이를 통해 연구팀은 70㎛ 크기의 난자 세포와 갓 수정된 배아가 살아있는 쥐의 밀리미터 두께의 나팔관을 통해 어떻게 이동하는지 처음으로 관찰할 수 있었다. 녹화 결과 몇 가지 놀라운 세부 사항이 밝혀졌다. 상부 나팔관에서 난세포는 여전히 당단백질로 이루어진 보호막인 투명대와 외피 세포 구름으로 둘러싸여 있다.

OCT가 보여주듯이 이러한 구조는 선형으로 움직이지 않고 회전한다.
"난모세포 복합체의 움직임은 각 궤도에 대해 몇 분이 필요한 잘 정의된 원형 경로를 따랐다"고 Larina와 Wang은 보고했다. "우리가 아는 한, 상부 나팔관에 있는 난자의 순환 운동은 이전에 문서화되지 않았으며 그 기능은 여전히 ​​불분명하다.“

"게이트"는 수정 시기에 도움이 된다.

또한 흥미로운 점은 난자 세포 복합체의 전진 운동은 처음에 일종의 "게이트"에 의해 느려진다. 바로 앞에 있는 나팔관 부분이 수축되고 처음에는 난자 세포가 아닌 체액만 통과할 수 있다. "시간이 지나면서 이 '게이트'가 점차 열리고 난자 복합체의 순환하는 구름이 천천히 더 아래쪽 나팔관으로 이동하는 방법은 놀랍다"고 연구팀은 말했다.

과학자들은 근육 수축으로 형성된 이 관문이 나팔관에서 난세포의 이동을 늦추는 역할을 한다고 생각한다. Larina와 Wang은 "타이밍은 수정에 중요하며 이 느린 관문의 형성은 정자가 자궁과 나팔관을 통해 그 자리에 도달할 수 있는 충분한 시간을 줄 수 있다"고 추측한다. "이 문이 형성되지 않거나 근육 기능 장애로 인해 닫힌 상태로 유지되면 난자 세포는 정자가 도착할 적절한 시간 창을 놓칠 것이다.”
▲ 그림 1. 등쪽 생체내 창을 통해 OCT를 사용한 마우스 난관의 고해상도 3D 이미징 (A) 창의 지느러미 이식에 대한 그림 (B) 창 설정 및 생체 내 생식 기관의 이미지. (C) 생체내 등쪽 창을 통한 난관의 밝은 부분 시각화. (D) 생체내 등쪽 창을 통한 마우스 난관 및 난소의 3D OCT 이미징. (E) 팽대부에서 생체 내 3D OCT 이미지의 단면은 난모세포로 둘러싸인 난모세포를 보여준다. (F) 협부의 생체 내 3D OCT 이미지의 단면은 착상 전 배아를 보여준다. 눈금 막대: 200μm(D 및 E); 300μm(F). (출처: 관련논문 In vivo dynamic 3D imaging of oocytes and embryos in the mouse oviduct)

복잡한 운송 메커니즘 조합

살아있는 나팔관에 대한 조사는 또한 난자 및 초기 배아의 수송 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공했다. 예상대로 난관의 상부에서 나팔관 벽의 섬모는 난자 이동에서 주요 역할을 한다.

그러나 이것은 다음 섹션에서 변경된다.
그곳에서 연구팀은 상부 나팔관 부분의 주기적인 수축으로 인해 난자와 배아가 일괄적으로 앞뒤로 움직이는 것을 처음으로 관찰했다. 더 아래로, 그들은 연동 운동의 파도를 앞으로 추진한다.

"놀랍게도 서로 다른 형태의 움직임이 결합돼 난관을 통한 난자 세포와 배아의 수송을 보장한다"고 Wang은 말한다. “이 역동적인 과정은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하다.”
모양체 운동, 근육 수축 및 연동 운동의 조합만이 생식 세포가 올바르게 운송되고 시간을 정하도록 보장한다.

불임의 가능한 원인에 대한 결론

"우리의 결과는 나팔관을 따라 이러한 다양한 움직임 중 하나를 방해하는 것조차도 생식을 손상시킬 수 있음을 시사한다"며 "우리의 관찰이 재생산의 이 중요한 단계에 대한 지식을 개선하고 재생산 장애에 대해 더 많이 배우는 데 도움이 되기를 바란다"고 라리나는 말했다.

(Cell Reports, 2021; doi: 10.1016/j.celrep.2021.109382)

* 아래 링크된 논문에서 관련 비디오를 볼 수 있다. 
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)00780-4
출처: Baylor College of Medicine

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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