콧속 ‘냄새 지도’ 첫 완성… 후각 작동 원리 규명

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생쥐 300마리 550만 뉴런 추적 관찰
‘무작위’ 통설 깨고 줄무늬 질서 확인
후각 상실 치료 기술 개발 발판 마련

형광 염색으로 표시한 생쥐 코 단면. 녹색으로 빛나는 부분이 후각 뉴런이고 붉은색으로 표시된 일부는 사멸 중인 세포다. 산디프 다타 교수 연구실 제공

과학자들이 콧속 냄새 감지 세포의 위치와 배열을 정밀하게 나타낸 ‘냄새 지도’를 처음 완성해 후각이 작동하는 기본 원리를 규명했다. 수십 년간 뒤죽박죽이라고 여겼던 구조가 실제로는 코 위에서 아래까지 가지런한 줄무늬 배열인 것으로 나타났다.

산디프 다타 미국 하버드대 의대 신경생물학 교수 팀이 생쥐 300마리 이상의 뉴런 550만 개를 분석해 콧속 냄새 지도를 완성했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘셀’에 지난달 28일(현지 시간) 공개됐다.

시각, 청각, 촉각과 달리 후각 지도가 오랫동안 없었던 건 후각 수용체 유형이 워낙 다양해서다. 후각 수용체는 냄새 분자를 감지하는 후각 신경세포막의 단백질로, 생쥐만 해도 1000가지 이상이 약 2000만 개의 뉴런에 분포한다. 1991년 시작된 연구를 통해 35년간 수용체가 몇 가지 구역에 나뉜다는 것만 확인됐다. 구역 안에서의 세부 배열을 확인하기 어려웠고 ‘무작위적’이라는 통설이 굳어졌다.

연구팀은 단일 세포 시퀀싱과 공간 전사체학을 조합해 550만 개 뉴런의 유형과 위치를 동시에 확인했다. 단일 세포 시퀀싱은 뉴런 하나하나를 떼어내 어떤 후각 수용체 유전자가 활성화돼 있는지 읽어내는 기술이다. 공간 전사체학은 뉴런을 조직에서 떼어내지 않고 유전자 발현과 위치 정보를 함께 파악한다.

분석 결과 후각 수용체들은 유형에 따라 코 위쪽에서 아래쪽까지 촘촘하게 겹치는 줄무늬 형태로 나타났다. 패턴은 모든 생쥐에서 일관됐고 코에서 받은 냄새 신호를 뇌로 전달하는 후각 망울의 지도 구조와도 일치했다. 시각, 청각, 촉각에서 확인된 감각기관-뇌 대응 관계가 후각에서도 성립한 셈이다.

후각 작동 원리의 핵심은 레티노산으로 확인됐다. 레티노산은 유전자 활성을 조절하는 분자로 코안에서도 위치마다 농도가 조금씩 다르다. 이 농도 차이가 각 뉴런이 어떤 후각 수용체를 발현할지 결정한다. 연구팀이 레티노산 농도를 인위적으로 조절하자 수용체 배열 전체가 위아래로 이동했다.

이번 연구는 치료 기술 개발의 발판이 될 것으로 보인다. 현재 후각 상실은 마땅한 치료법이 없는데, 후각을 잃으면 우울증 위험도 높아진다. 냄새 지도가 완성된 만큼 줄기세포 치료법이나 뇌-컴퓨터 인터페이스 같은 기술 개발에 기초 자료로 쓰일 수 있다. 연구팀은 줄무늬 배열 순서의 원인과 인간 후각 조직과의 일치 여부를 후속 연구로 확인할 계획이다. 다타 교수는 “후각은 인간 건강에 심오하고 광범위한 영향을 미친다”며 “이 지도를 이해하지 못하면 새로운 치료법을 개발할 수 없다”고 말했다.

조가현 동아사이언스 기자 gahyun@donga.com