고양이는 어떻게 줄무늬를 갖게 됐을까?

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-10 22:07:54
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* 단일 유전자 Dickkopf 4는 최초의 모발 또는 모낭 세포가 형성되기 훨씬 전에 어두운 모피가 나중에 자랄 곳과 자라지 않을 곳을 결정
* 성장 인자 Wnt, 부가 두꺼워지고 어두운 색소가 있는 모낭의 형성을 촉진
* 패턴 형성의 메커니즘은 컴퓨터 개척자이자 수학자 앨런 튜링(Alan Turing)의 이론을 확인

고양이는 어떻게 줄무늬를 갖게 됐을까?
연구원들은 고양이 털의 색상 패턴에 대한 유전자를 확인하고 Turing의 이론을 확인했다.


줄무늬, 반점 및 미묘한 전환:
고양이의 털은 매우 다른 패턴을 가지고 있다. 연구자들은 최근 고양이 털의 패턴이 어떻게 발생하는지 처음으로 명확하게 확인했다. 이에 따르면, 단일 유전자인 Dickkopf 4는 최초의 모발 또는 모낭 세포가 형성되기 훨씬 전에 어두운 모피가 나중에 자랄 곳과 자라지 않을 곳을 결정한다. 이 패턴 형성의 메커니즘은 유명한 컴퓨터 개척자이자 수학자 앨런 튜링(Alan Turing)의 이론을 확인하게 한다. 

▲ 고양이 털의 규칙적인 줄무늬 뒤에 있는 분자 메커니즘은 무엇일까?

호랑이의 줄무늬, 표범과 치타의 검은 반점, 또는 우리 집고양이의 다양한 모피 무늬:
고양이과 가족은 진화 과정에서 모피 패턴에 수많은 변형을 만들어 냈다. 피부에 있는 여포 세포의 색소 생성이 이에 대한 책임이 있다. "검은 털이나 백색증과 같은 단순한 색상 변화를 제어하는 ​​유전자는 모든 포유류에서 동일하다"고 앨라배마에 있는 HudsonAlpha Institute for Biotechnology의 수석 저자인 그레고리 바쉬(Gregory Barsh)가 설명했다.

교대 패턴의 퍼즐

그러나 고양이의 규칙적인 줄무늬와 점 뒤에 어떤 유전자, 메커니즘 및 분자가 있는지 아직 명확하지 않다. 그 이유 중 하나는 생쥐와 쥐와 같은 고전적인 모델 동물에는 이러한 복잡한 색상 패턴이 없다. 수학자이자 컴퓨터의 선구자인 앨런 튜링(Alan Turing)은 이러한 교대 패턴이 어떻게 발생하는지 숙고했고 적어도 이론적으로는 해결책을 제시했다.

1952년 Turing은 패턴 형성의 기초로 이른바 반응-확산 메커니즘(Reaktions-Diffusions-Mechanismus)을 가정했다.
그 후, 두 가지 다른 분자가 피부에서 생성된다 - 활성화제와 억제제.
활성화제는 세포가 어두운 색소를 생성하도록 한다. 동시에 이것은 억제제의 형성을 촉발해 주변 피부 영역으로 더 빠르고 더 멀리 퍼지고 그곳에서 활성제의 생산을 중단한다. 결과적으로 이러한 피부 영역은 밝게 유지된다.

이 메커니즘의 배후에 있는 유전자와 분자는 지금까지 적어도 고양이에게는 알려지지 않았다.
▲ 피부 조직학 기반 토폴로지 맵(얇은, 노란색, 두꺼운, 검은색) (출처: 관련논문, 그림 1: 고양이 태아 피부의 표피가 두꺼워지는 패턴 Developmental genetics of color pattern establishment in cats)

모피의 줄무늬가 생기기 훨씬 전에 피부가 두꺼워짐

연구를 위해 Barsh와 그의 팀은 처음에 적어도 간접적으로 고양이 사냥을 시작했다. 그들은 일반적으로 버려지는 고양이 배아에서 조직 샘플을 얻기 위해 길 잃은 고양이의 소독장소에 눈을 돌렸다. 연구원들이 고양이들의 피부를 조사했을 때, 그들은 최초의 색소 세포와 여포가 형성되기 전에도 두께에서 눈에 띄는 차이를 보였다는 것을 발견했다. 배아의 피부는 나중에 어두운 모피 띠가 나타나는 곳에서 더 두꺼웠다.

Barsh의 동료 Kelly McGowan은 "이 관찰은 멜라닌 세포가 표피로 이동하기 전에도 세포가 나중에 특정 코트 색상을 개발하도록 예정되어 있음을 시사한다"고 말했다. 이 분화가 이미 배아 세포에서 어떻게 조절되는지 알아내기 위해 제1저자인 크리스토퍼 캘린(Christopher Kaelin)은 고양이 배아의 개별 피부 세포에서 유전자 활성을 분석했다. 그는 두꺼운 영역과 얇은 영역이 형성되기 직전의 시점을 일치시켰다.

튜링 억제제로서의 Dickkopf 4

분석에 따르면 특정 유전자는 나중에 두꺼워지고 나중에 모피의 어두운 부분이 나타나는 피부 영역에서 특히 활성화된다. 무엇보다도 그들은 성장 인자 Wnt를 생산한다. 이것은 피부가 두꺼워지고 어두운 색소가 있는 모낭의 형성을 촉진한다.

동시에 이 영역에서 또 다른 유전자가 상향 조절된다.
Dickkopf 4(Dkk4) 유전자는 단백질을 생성해 주변으로 빠르게 확산되고 그곳에서 억제제 역할을 한다. 인접 영역에서 Wnt 유전자의 활성을 억제한다. 피부의. "Dkk4를 포함한 이러한 분자는 70년 전 Turing이 그의 반응-확산 모델에서 예측한 바와 같이 활성화제 및 억제제로 기능한다"고 Kaelin은 말했다.
▲ 그림 6: Dkk4 돌연변이가 태아 피부의 색상 패턴 및 Dkk4 발현에 미치는 영향. (출처: 관련논문)

Abyssinians의 직물 조직같은 모피에 대한 설명도

유전자 분석은 또한 Abyssinian 또는 Ceylon 고양이와 같은 일부 고양이 품종의 비정상적인 털 색깔이 어떻게 유래하는지 밝혀냈다. 이 고양이에서 모든 줄무늬 또는 면봉은 억제되지만 개별 털은 줄무늬가 있다.

이것은 "ticking"이라고도 한다. Kaelin과 그의 동료들은 이미 알려진 agouti 유전자 돌연변이 외에도 Dickkopf4 유전자의 돌연변이를 가지고 있다는 것을 발견했다. 이 돌연변이는 분자 "스페이서"의 기능을 방해한다.

결과적으로 이 고양이의 피부 색소 생성은 규칙적인 영역에서 켜지거나 꺼지는 것이 아니라 더 조밀하고 불규칙하게 분포된다. 이것은 줄무늬나 반점이 부족하게 하고 대신에 띠 모양의 모발을 유발한다. Barsh는 "일반적인 패턴은 크기가 줄어들고 더 이상 줄무늬나 점으로 인식될 수 없을 정도로 증가했다"고 설명했다.
(Nature Communications, 2021; doi: 10.1038/s41467-021-25348-2)

출처: HudsonAlpha Institute for Biotechnology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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