수정란이 어떻게 인체 조직과 장기로 자라는지에 대한 비밀을 국내 연구진이 풀어냈다.

한국과학기술원(KAIST)은 의과학대학원 주영석 교수팀이 경북대 의대 오지원 교수팀과 함께 인간 발생과정을 규명하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

인간 배아에 존재하는 소수의 세포가 총 40조개의 인체 세포를 어떻게 구성하고 각각의 장기로 언제 분화하는지 체계적으로 이해하기 위한 세계 최대 규모의 연구 결과다.

연구진은 기증받은 7명 시신의 단일세포 334개와 조직 379개를 활용해 단일세포 전장유전체 분석을 수행했다.

인체 형성과정을 밝히는 연구는 필연적으로 배아의 파괴를 동반하기 때문에 그동안 예쁜꼬마선충이나 초파리, 생쥐 같은 동물을 이용해 이뤄졌다. 하지만 종 간의 차이 탓에 이들에 대한 연구로 인체 형성과정을 근본적으로 이해하는 데는 한계가 있었다.

연구진은 수정란이 세포 분열을 하는 과정에서 무작위적 디옥시리보핵산(DNA) 돌연변이가 각 세포에 누적되는 것을 확인하고, 전신에 분포한 단일세포의 DNA 돌연변이를 추적해 세포들의 움직임을 고해상도로 재구성했다.

연구진은 인간 배아 발생과정에 나타나는 현상들을 규명하는 한편 배아 내 세포들이 발생 초기부터 서로 동등하지 않다는 것을 발견했다.

예를 들어 2세포기의 두 세포 중 한 세포가 다른 세포보다 항상 더 많은 자손세포를 남기고, 그 비율은 사람마다 달라 인체 형성과정의 개인 간 변동성이 높다는 사실이 확인됐다.

수정 후 사흘 내 배아에서도 인체의 좌우 조직에 대한 배아 세포의 비대칭적 분포가 나타나기 시작하며, 이어 3배엽 분화에 대한 비대칭성과 각 조직·장기에 대한 비대칭성이 차례로 형성되는 것도 관찰됐다.

이번 연구는 전장유전체 빅데이터를 이용해 배아 파괴 등 윤리적인 문제 없이 인간의 초기 배아 발생과정 추적이 가능하다는 것을 증명해냈다는 데 의미가 있다고 연구진은 강조했다.

이를 응용하면 희소질환 예방, 선별검사 및 정밀치료 시스템 구축에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST 주영석 교수는 "인간 게놈 프로젝트 완성 20년 만에 단일세포 유전체에 존재하는 돌연변이를 정확히 규명할 수 있을 만큼 발전한 유전체 기술의 쾌거"라며 "기술혁신을 기반으로 지속해서 더 높은 해상도의 인간 배아 발생과정 추적이 가능할 것"이라고 말했다.

경북대 오지원 교수는 "죽음에 이른 신체로부터 인간 생명의 첫 순간을 규명할 수 있다는 것을 보여준 놀라운 연구"라며 "숭고한 희생정신으로 본인의 신체를 기증한 분들이 없었다면 이번 연구는 불가능했을 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구는 국제 학술지 '네이처'(Nature) 25일 자 온라인판에 소개됐다.