'DNA 타자기'로 수정란부터 128만 세포까지, 생쥐 발생 계보도 복원

한 개의 수정란이 어떤 순서로 갈라져 수백 가지 세포 유형이 되는지는 포유류에서 직접 관찰하기 어렵다. 배아가 어미 몸속에 있어서다. 미국 워싱턴대·시애틀 합성생물학 허브의 제이 셴두어(Jay Shendure) 교수팀은 사이언스(Science)에 이 문제를 '세포 안의 기록장치'로 우회한 연구를 발표했다.

세포가 스스로 족보를 쓰게 하다

DNA 타자기(DNA Typewriter)는 CRISPR 기반 편집 도구가 특정 DNA 구간에 짧은 서열을 차례대로 써 넣도록 설계된 분자 기록장치다. 세포가 분열할 때마다 기록이 누적되므로, 나중에 각 세포의 기록을 읽으면 어느 세포가 어디서 갈라져 나왔는지 거슬러 올라갈 수 있다. 연구진은 이 장치를 생쥐 배아에 적용해 약 2주의 발생 기록을 남긴 뒤 단일세포 전사체 분석과 결합해, 128만 개 세포의 유전자 발현과 계보를 동시에 얻었다.

그 결과 수정란을 뿌리로 하고 시간이 보정된 하나의 계통수가 만들어졌다. 첫 분열에서 생긴 두 딸세포는 편집 폭발로 또렷이 구분돼 서로의 대조군 역할을 했다. 연구진은 낭배형성(gastrulation) 시기에 특정 세포 가계가 유독 불어나는 '클론 우세'를 정량화했고, 계통수에서 형제인 세포들이 우연보다 훨씬 자주 같은 유형이라는 점, 유형이 다른 형제 세포는 최종 분화 지점을 표시한다는 점을 확인했다. 세포 유형들이 언제 갈라졌는지 보여주는 시간표도 복원했다.

의미와 한계

포유류 발생을 '계보에 닻을 내린 지도'로 그릴 수 있음을 처음 대규모로 보여준 사례로, 선천성 질환이나 발생 이상의 기원을 추적하는 기초 자료가 될 수 있다. 다만 생쥐 배아 한 개에서 얻은 결과이고, 기록장치를 유전적으로 넣어야 하므로 사람에게는 쓸 수 없는 방법이다. 기록 밀도와 세포 포획률의 한계로 계통수 일부는 추정에 의존한다.