비늘, 가시, 깃털, 털은 척추동물 피부 부속기의 예로, 놀랍도록 다양한 미세 기관들의 모음이다. 이러한 부속기는 자연적으로 다양한 형태를 지니고 있지만 배아 단계에서는 초기 발달 과정을 공유한다. 연구자들은 몇몇 유전자의 발현을 특정한 방식으로 변형하여 닭의 발을 덮고 있는 비늘을 깃털로 영구적으로 변형하는 방법을 발견했다.

(2023년 5월 18일 사이언스 데일리 기사 번역)

육상 척추동물의 피부는 털, 깃털, 비늘 등 다양한 각질화된 부속기로 장식되어 있다. 종마다 형태는 다양하지만 피부 부속기의 배아 발달은 일반적으로 매우 유사한 방식으로 시작된다. 실제로 이러한 모든 구조는 피부 표면이 국소적으로 두꺼워지고 특정 유전자를 발현하는 세포에서 발달한다. 이러한 유전자 중 하나인 소닉헤지혹(Shh)은 세포 내부와 세포 간에 메시지를 전달할 수 있는 통신 시스템인 신호 경로를 제어한다. Shh 신호는 신경관, 사지 싹, 피부 부속기 등 다양한 구조의 발달에 관여한다.

공통 조상

제네바 대학교 자연과학대 유전학 및 진화학과의 미셸 밀린코비치(Michel Milinkovitch) 교수 연구실은 척추동물의 다양한 피부 부속기를 생성하는 물리적, 생물학적 과정에 관심을 갖고 있다. 특히 그의 연구팀은 이전에 털, 깃털, 비늘이 파충류 공통 조상으로부터 물려받은 상동 구조라는 사실을 입증한 바 있다.

닭 배아의 깃털은 과학자들이 피부 부속기 발달을 이해하기 위한 모델 시스템으로 사용한다. ‘브라마’ 및 ‘세이블풋’ 품종과 같은 특정 품종의 닭이 다리와 발등에 깃털을 가지는 것으로 알려져 있지만, 이 형질의 유전적 결정과정은 완전히 이해되지 않았다.

일시적인 변화가 영구적인 변화를 이끌어내다

이러한 변화를 일으키는 신호 경로가 완전히 밝혀지지 않았기 때문에 미셸 밀린코비치 박사 연구팀은 Shh 경로의 잠재적 역할을 조사했다. “우리는 강력한 토치로 달걀 껍질 안쪽의 혈관을 비추는 ‘에그 캔들링’이라는 고전적인 기법을 사용했습니다. 이를 통해 Shh 경로를 특이적으로 활성화하는 분자를 닭 배아의 혈류에 직접 주입하여 정확하게 처치할 수 있었습니다.”라고 미셸 밀린코비치 연구실의 박사후 연구원이자 이번 연구의 공동 저자인 로리 쿠퍼(Rory Cooper)는 설명한다.

두 과학자는 이 특정 단계에서 행하는 단일한 처치가 일반적으로 비늘로 덮여 있는 부위에 풍부한 어린 다운형 깃털을 형성하는 데 충분하다는 것을 관찰했다. 놀랍게도 실험적으로 유도된 깃털은 재생이 가능하며 이후 자율적으로 성체 깃털로 대체되기 때문에 몸의 나머지 부분을 덮고 있는 깃털과 비슷하다.

활성 분자가 없는 ‘대조군’ 용액을 주입한 배아와 비교한 결과, RNA 염기서열 분석 결과 Shh 경로가 분자 주입 후 즉각적으로 그리고 지속적으로 활성화되는 것으로 나타났다. 이는 Shh 경로의 활성화가 비늘이 깃털로 전환되는 과정의 기초가 된다는 것을 확인시켜 준다.

“우리의 연구 결과는 비늘에서 깃털로의 진화적 도약이 게놈 구성이나 발현에 큰 변화를 필요로 하지 않는다는 것을 보여줍니다. 그 대신, 한 유전자의 발현에 일시적인 변화가 일어나면 비늘 대신 깃털이 형성되는 일련의 발달 사건이 일어날 수 있습니다.”라고 미셸 미린코비치는 말한다. 따라서 처음에는 비늘과 깃털의 발달 연구에 초점을 맞춘 이 연구는 자연에서 관찰되는 엄청나게 다양한 동물 형태를 생성하는 진화 메커니즘을 이해하는 데 중요한 의미를 가진다.

참고문헌: Rory L. Cooper, Michel C. Milinkovitch. Transient agonism of the sonic hedgehog pathway triggers a permanent transition of skin appendage fate in the chicken embryo. Science Advances, 2023; 9 (20) DOI: 10.1126/sciadv.adg9619

(본문은 DeepL 을 이용해 번역하고 편집자가 다듬었습니다.)

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