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- 지금까지 날개의 성장은 전체 조직의 Dpp 농도에 의존하는 것으로 가정
- 조직에서 Dpp의 확산을 차단했을 때에도 날개는 거의 정상 크기에 도달
- 중요한 것은 Dpp가 중앙에서 주변으로 어떤 정보를 전달하느냐 하는 것이다.
- 복잡한 생명체의 장기 발달을 연구할 수 있는 새로운 가능성을 열어

날개는 어떻게 자랄까? 단백질의 흔적 여행

신체발달 중에 기능 기관이 발생하기 위해서는 세포가 정확하게 의사소통해야 하고 형태와 크기가 작은 부분까지 올바르게 형성돼야 한다.
바젤대학교 연구팀이 파리의 날개 성장을 조사해 오랜 학설을 반박했다. 이전에 가정한 것과는 달리 Dpp라고 하는 신호 분자의 공간적 분포는 파리가 완벽한 날개를 갖도록 하는 데 약간만 책임이 있다. 

▲ 기능 기관이 발생하기 위해서는 세포가 정확하게 의사소통해야 하고 형태와 크기가 작은 부분까지 올바르게 형성돼야 한다.

기관이 어떻게 발달하고 올바른 크기와 모양을 갖게 되는지는 발달 생물학이 다루는 근본적인 문제다. 모르포겐(morphogen : 생물이 발생, 변태, 재생할 때 존재하는 발생원에서 농도 기울기를 가지고 확산하여 형태의 형성을 지배하는 물질) Dpp는 크기와 모양의 올바른 성장을 포함해 장기 발달의 중요한 측면을 제어하는 ​​신호 분자다.

스위스 바젤(Basel) 대학의 바이오센터(Biozentrum) 마르쿠스 아폴터(Markus Affolter)교수 연구 그룹은 Dpp가 초파리 Drosophila melanogaster의 날개 성장을 제어하는 ​​방법을 수년 동안 연구해 왔다. 팀은 이제 이전의 가정과 달리 초파리의 날개 발달이 예상보다 Dpp의 정확한 분포에 훨씬 덜 의존한다는 것을 보여줄 수 있었다. 

▲ 그림 1: 기능적 HA-dpp 대립유전자의 생성. a 날개 디스크와 성체 날개의 개략도. b 내인성 dpp 유전자좌를 조작하는 플랫폼의 개략도. c 동형접합 HA-dpp 파리의 성체 날개. d HA-dpp 동형접합 날개 디스크의 기존 α-HA 염색. e HA-dpp 동형접합 날개 디스크의 세포외 α-HA 염색(Ex HA) 및 α-pMad 염색. HA-dpp/HA-dpp 날개 디스크의 세포외 HA 및 pMad 염색의 평균 형광 강도 프로파일(n = 5). 데이터는 평균 ± SD로 표시 (출처:관련논문 Asymmetric requirement of Dpp/BMP morphogen dispersal in the Drosophila wing disc / nature communications)

Morphogens: 농도는 중요하지 않다.

Morphogen은 농도 구배로 조직에 퍼진다.
모르포겐은 소스의 중앙에 고농도로 존재하는 반면 주변부의 농도는 낮다. 지금까지 날개의 성장은 전체 조직의 Dpp 농도에 의존하는 것으로 가정했는데, 이는 유전자 활성과 성장을 조절하는 데 사용되기 때문이다.

Affolter의 팀은 최근 농도 구배, 특히 날개 바깥쪽 영역에 있는 Dpp의 존재가 예상보다 올바른 성장에서 훨씬 작은 역할을 한다는 것을 발견했다. 연구원들이 조직에서 Dpp의 확산을 차단했을 때에도 날개는 거의 정상 크기에 도달했다.

반면에 Dpp를 통한 신호 전달도 억제하면 날개가 작고 주변부에서 거의 자라지 않는다.
연구 책임자인 Markus Affolter는 "결과는 예상하지 못한 것이었다"고 말했다. “따라서 날개 바깥쪽 영역의 Dpp 확산은 날개 성장에 결정적인 영향을 미치지 않는다. 더 중요한 것은 Dpp가 중앙에서 주변으로 어떤 정보를 전달하느냐 하는 것이다.”

새로운 방법론: 유전자 대신 단백질

Dpp의 확산을 연구하기 위해 연구 그룹은 방법 선택에서 새로운 지평을 열고 있다.
“우리는 유전자 수준만으로 날개의 상황을 조사하는 것이 아니라 살아있는 유기체의 단백질 수준에서 직접 조사한다. 따라서 우리는 유전 정보의 수준에 머무르지 않고 실행 분자인 단백질을 직접 처리한다”고 Ambizione Fellow이자 연구의 첫 번째 저자인 Shinya Matsuda는 설명했다. 이를 위해 과학자들은 살아있는 유기체에서 단백질을 포획하고 조직 내 확산을 제어할 수 있는 작은 항체 단편을 사용한다.

이 방법론이 매우 성공적으로 입증되었다는 것은 발달 생물학 전체의 성과다.
복잡한 생명체의 장기 발달을 연구할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. morphogen Dpp의 기능에 대한 새로운 발견은 또한 기존 패러다임을 테스트하는 데 사용할 수 있음을 보여준다. (Nature communications , 2021, doi: 10.1038 / s41467-021-26726-6)
출처: 바젤대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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