타자 치듯 DNA에 ‘타닥타닥’… 130만 개 ‘세포 족보’ 완성

현미경으로 보며 그리던 계통도 ‘DNA 타자기’로 세포 계통 추적 선천성 기형-암 발생 원리 단서 미국 하워드휴스의학연구소와 다트머스대 공동연구팀이 발생 중인 세포 디옥시리보핵산(DNA)에 타자기처럼 글자를 새기는 분자 추적 기술 ‘DNA 타자기’로 생쥐 배아 세포 약 128만 개의 계통을 추적하는 데 성공했다. 카일 오코너 시애틀 합성생물학 허브 수석연구원 제공 생쥐의 수정란이 처음 둘로 나뉘는 시점부터 장기를 갖춘 몸의 형태가 만들어진 이후까지 이어지는 세포들의 관계를 확인할 지도가 구축됐다. 발생 중인 생쥐 배아 세포들의 ‘가계도’가 복원된 셈이다. 제이 셴두리 미국 하워드휴스의학연구소(HHMI) 교수와 추청샹 다트머스대 의대 시스템생물학과 교수팀은 새로운 세포 계통 추적 기술을 활용해 배아 세포 130만 개의 계통을 추적한 연구 결과를 8일(현지 시간) 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다. 세포가 발생한 순서와 세포 간 관계를 표현한 가계도는 50년 전 현미경으로 ‘예쁜꼬마선충’의 세포 분열을 하나하나 그려 만든 것이 유일하다. 선충은 투명하고 작은 데다, 개체마다 세포분열 순서가 동일해 가계도 구축이 가능했다. 생쥐와 사람은 선충처럼 투명하지 않으며 세포 수가 수십억∼수조 개에 달한다. 계통을 따르지 않고 세포 운명이 주변 신호에 따라 정해지는 ‘조절적 발생’을 한다. 개체마다 제각각인 세포 계통이 어떻게 매번 같은 생체 구조로 수렴하는지가 발생생물학의 오랜 수수께끼인 이유다. 세포의 계통을 분석하는 기존 방식에는 모두 한계가 있다. 발생 단계별로 배아를 채취해 세포를 분석하는 ‘단일세포 아틀라스’는 시간에 따른 세포 상태 변화를 알 수 있지만 세포 사이의 계통 관계를 확인하지 못한다. 유전자 교정을 통해 세포 디옥시리보핵산(DNA)에 유전되는 표식을 새겨 자손 세포에 물려주는 방법이 있지만 유전자 교정 도구인 ‘유전자가위’를 사용하면 DNA 이중가닥이 절단돼 기존 기록이 지워질 위험이 있다. 또 표식이 정해진 순서 없이 새겨져 어떤 표식이 먼저 생겼는지 나중에 추정해야 한다. 연구팀은 셴두리 교수와 최준홍 메모리얼 슬론 케터링 암센터 부교수가 개발한 세포 계통 추적 기술인 ‘DNA 타자기’를 활용했다. DNA 타자기는 세포의 DNA를 기록 매체로 쓰는 분자 기록 장치다. 우선 연구팀은 수정란 유전체에 기록 용지 역할을 하는 인공 DNA 서열인 ‘테이프’를 삽입했다. 테이프 하나에는 기록을 남길 수 있는...