독일 연구진, 대뇌피질의 성장과 주름 만드는 유전자 식별

미국 연구진, 침팬지보다 큰 뇌 발생 유전자 조절인자 지목

---

» 인간 유전자 ARHGAP11B가 발현된 쥐 배아의 뇌 신피질 부분. 청록색이 신피질이며 붉은색은 안쪽에 자리잡은 뉴런들. 이 쥐 배아의 뇌에선 신피질 주름 형상도 나타났다. 출처/ 독일 막스클랑크 연구소

 

‘인간다움.’ 다른 동물과 다른 인간다움을 설명하는 생물학적 특징 중 대표적인 것이 인간 뇌의 크기이고, 특히 진화 과정에 일어난 ‘대뇌 신피질의 팽창’은 주목의 대상이다. 대뇌피질 또는 대뇌겉질은 대뇌 표면에 1.5~4밀리미터 정도 두께로 이뤄진 신경세포의 집합인데, 그 90퍼센트를 신피질이 차지한다. 대뇌피질은 전두엽, 두정엽, 측두엽, 후두엽으로 나뉜다.(아래 위키백과 설명) 언어와 추론 같은 사고능력의 원천이 되는 인간 대뇌 신피질은 영장류인 침팬지와도 큰 차이를 보이는데, 이런 ‘신피질의 팽창’은 어떻게 설명될 수 있을까? (한편에선 신피질의 팽창만을 인간 뇌의 팽창을 설명하는 특징으로 보는 데에는 그릇된 인식이 있다는 지적도 있다. 참조: 강석기, "인류 뇌팽창은 전두엽이 주도했을까", 동아사이언스)

신피질의 팽창을 설명하는 요인으로, 개체의 뇌 발생 과정에서 주요한 역할을 행하는 유전인자들이 최근 잇따라 지목되고 있다.

독일 막스플랑크 분자세포생물학·유전학 연구소와 진화인류학연구소 등의 연구진은 최근 과학저널 <사이언스> 온라인판에 낸 논문에서 인간의 진화 과정에서 대뇌 신피질의 팽창을 일으키는 데 중요하게 작용한 유전자를 찾아냈다고 보고했다. <사이언스> 뉴스 보도를 보면, 연구진은 숨진 태아 조직과 쥐의 배아를 대상으로, 여러 실험 기법을 사용해 두 종 간에 뇌 조직 형성 초기의 유전자 발현 차이를 비교 분석했다. 이런 과정을 거쳐 연구진은 쥐에서는 나타나지 않지만 인간한테서 나타나는 유전자 58종을 추려냈으며, 이 가운데에서 뇌의 신피질을 만드는 신경 전구세포의 증식을 일으키는 유전자로서 ‘ARHGAP11B’를 찾아냈다

연구진은 이 유전자가 발생 단계의 쥐의 뇌에서 발현하도록 하는 실험을 수행했으며, 이 실험에서 인간 유전자 ‘ARHGAP11B’가 발현된 쥐의 뇌 신피질 부위가 일반 쥐보다 훨씬 더 크게 성장했으며 또한 인간 대뇌피질에 나타나는 독특한 특징인 신피질 주름(접힘)도 일부 생성된 것으로 확인했다고 보고했다.

이번 연구진에는 네안데르탈인, 데니소바인 같은 원시인류 유전체(게놈)를 현생 인류와 비교해 인류 진화를 연구해온 스반테 파보(Svante Pääbo) 박사도 참여했다. 연구진은 인간 대뇌 신피질의 성장에 관여하는 ‘ARHGAP11B’ 유전자가 침팬지와 인간이 서로 갈라진 이후에 출현한 것으로 보인다고 밝혀, 이 유전자가 신피질의 팽창에서 중요한 구실을 했을 것으로 보았다.

다음은 논문의 결론 부분이다.

“그러므로 우리는 ARHGAP11B를 인간에만 있는 유전자라고 규정한다. 이는 기저 전구세포를 증폭하며 쥐에서 신피질 접힘을 일으킬 수 있다. 이는 인간 신피질의 발생과 진화적 팽창에서 ARHGAP11B 유전자의 역할을 보여주는 것이기도 하다. 이런 결론은 ARHGAP11B 유전자를 만들어내는 유전자 복제가 인류 계통이 침팬지에서 분기한 이후에, 그러나 현생인류와 비슷한 뇌 크기를 지닌 네안데르탈인에서 분기하기 이전에, 출현했다는 발견과 일치하는 것이다.”

이에 며칠 앞서, 영국 듀크대학교 연구진은 인간 대뇌피질의 팽창에 기여하는 다른 유전인자를 찾아내어 과학저널 <커런트 바이올로지(Current Biology)> 온라인판에 발표했다.

연구진은 인간과 침팬지의 유전체 정보를 대상으로 뇌의 발생 초기 단계에 주로 뇌 조직에서 발현하는, ‘인핸서’(enhancer)라는 유전자 전사 조절인자가 두 종 사이에서 어떻게 다른지 차이를 비교, 분석했다. 침팬지와 인간 사이에서 서로 다른 인핸서 100여 개를 찾아냈으며, 다시 이 가운데 6개(HARE1~HARE6으로 명명, HARE: Human-Accelerated Regulatory Enhancer)를 추려냈다. 이어 연구진은 침팬지와 인간의 서로 다른 유전인자들이 쥐의 배아에서 각각 발현하도록 해 뇌 발생의 차이를 관찰하는 실험을 수행했다.

이 실험에서, 연구진은 '침팬지 HARE5'를 발현시킨 쥐보다 '인간 HARE5'가 발현된 쥐의 대뇌가 12퍼센트 더 크게 성장한 것으로 관찰돼, HARE5로 명명한 인핸서 유전인자가 침팬지와 인간 종의 대뇌 크기 차이를 만드는 데 큰 역할을 하는 것으로 나타났다고 보고했다 (참조 듀크대학 보도자료 & 논문). 연구진은 이번 연구가 부분적 이해일 뿐이라며 인간 뇌의 독특함을 이해하는 데 도움을 줄 더 유력한 다른 후보들이 있을 것이라고 말해 뇌 발생 단계에서 인간다움을 만드는 유전물질에 관한 연구들이 계속될 것으로 내다봤다.

과학저널 <사이언스>는 뉴스에서, 이처럼 뇌 발생 단계에서 인간 뇌의 특징을 보여주는 유전인자들이 잇따라 규명되면서 "인간 종의 인지력을 증진시킨 진화적인 단계의 일부가 드러나기 시작하고 있다"고 풀이했다.◑

  ☞ 용어설명 (위키백과 한글판에서 인용)

“대뇌피질(大腦皮質, Cerebral cortex) 또는 대뇌겉질은 대뇌의 표면에 위치하는 신경세포들의 집합이다. 두께는 위치에 따라 다르지만 1.5~4밀리미터 정도이다. 같은 포유류라도 종에 따라 대뇌피질의 두께는 다양하다. 대뇌피질은 부위에 따라 기능이 다르며 각각 기억, 집중, 사고, 언어, 각성 및 의식 등의 중요기능을 담당한다.
　대뇌피질은 대뇌의 안쪽부분과 비교해 어두운 색을 띠고 있어 회백질(gray matter)이라고 부르고 반대로 안쪽은 백질(white matter)이라한다. 회백질은 신경세포체(cell body)와 모세혈관으로 이루어져 있고, 백질은 신경섬유(axon)에 둘러싸인 미엘린(myeline sheath) 때문에 백색으로 보인다. 대뇌피질은 계통발생학상 신피질(새겉질, neocortex)과 이종피질(부등겉질, allocortex)로 나누기도 하는데 사람의 대뇌피질의 90%가 신피질이고 10%만이 이종피질이다.
　대뇌는 한정된 공간에 안에 있기 때문에 복잡하게 주름져 표면적이 넓고, 표면쪽으로 융기된 부위를 이랑(gyrus)라고 하며, 그사이의 움푹들어간 부위를 고랑(sulcus)이라고 한다. 전체 대뇌피질의 약 2/3는 대뇌고랑을 이루면 안쪽으로 들어가 있어 표면에서 관찰되지 않는다. 대뇌피질은 이랑과 고랑의 모양에 따라 전두엽(이마엽, frontal lobe), 두정엽(마루엽, parietal lobe), 측두엽(관자엽, temporal lobe), 후두엽(뒤통수엽, occipital lobe)으로 나뉜다.”

  ■ '사이언스' 논문 초록

인간 신피질의 진화적 팽창(evolutionary expansion)은 뇌의 뇌실밑 구역(subventricular zone)에서 기저 전구세포 증식을 늘려 태아 피질 발생(fetal corticogenesis) 단계에 더 많은 뉴런을 만들어냄을 보여준다. 이 연구에서 우리는 세포극성 기반 방법(cell polarity-based approach)을 사용해 발생 중인 쥐와 인간 신피질에서 분리한, 서로 다른 전구세포 하위군들의 전사체(transcriptomes)를 분석한다. 우리는 쥐에서 [진화적인 유래가 같은 유전자의] 병렬상동성(orthologs)을 보이지 않으면서, 인간의 방사상 신경교의 첨두와 기저에서 주로 발현되는 유전자 56가지를 찾아냈다. 이 유전자들 가운데 ARHGAP11B는 방사성 신경교에만 발현하는 그 정도가 가장 높았다. ARHGAP11B는 침팬지 계통에서 분기한 이후의 인류 계통에서 RhoGTPase 활성 단백질의 유전자인 ARHGAP11A를 부분적으로 복제한 데에서 유래했다. 배아 단계 쥐의 신피질에서 ARHGAP11B의 발현은 기저 전구체의 생성과 자가-재생산(self-renewal)을 촉진하며 피질 영역을 증가시키고 대뇌피질 접힘(gyrification)을 유도할 수 있다. 그러므로 ARHGAP11B는 인간 신피질의 진화적 팽창에 기여했을 것으로 여겨진다.

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr       

@한겨레 과학웹진 사이언스온