단일 세포는 어떻게 눈이 만들어질 위치를 아는가

수정란에는 눈도, 심장도, 좌우도 없다. 그러나 몇 주 안에 모든 장기가 올바른 위치에 자리한 몸을 만들어낸다. 한 번도 몸을 본 적 없는 세포가 눈이 어디에 속하는지 어떻게 알까? 중국의 Q&A 플랫폼 Zhihu에서 대중화된 이 질문은 한 세기 이상 발생생물학자들을 바쁘게 해왔다.

첫 번째 단서는 색에 관한 믿기 어려울 만큼 단순한 관찰에서 나왔다. 두 가지 색의 털이나 피부를 가진 대부분의 동물은 등이 어둡고 배가 밝다. 이 패턴은 너무 흔해서 — 생쥐, 사슴, 물고기, 새 — 학습된 것이 아니라 발생의 규칙에 새겨져 있을 수밖에 없다. 그 이유는 화학에 있다. 등의 세포와 배의 세포는 서로 다른 환경에 놓여 있고, 각각 다른 신호 분자를 방출한다. 그 분자들은 퍼져나가 구배를 형성하고, 세포는 국소 농도를 읽어 무엇이 될지 결정한다. 색은 단지 가장 눈에 띄기 쉬운 구배일 뿐이다.

이 아이디어에는 유명한 기원 이야기가 있다. 1920년대 독일 발생학자 한스 슈페만과 그의 제자 힐데 만골트는 한 양서류 배아에서 다른 배아로 작은 조직 조각을 이식했다. 이식된 조직은 단지 살아남은 것이 아니었다. 그것은 주변 세포에게 완전한 두 번째 체축을 만들라고 지시하여 두 개의 머리를 가진 올챙이를 만들어냈다. 이 조각은 조직자(organizer)로 알려지게 되었고, 그 실험은 노벨상을 받았다. 그것은 배아가 고정된 설계도가 아니라 세포 간의 대화로 만들어진다는 것을 증명했다.

현대 유전학은 어휘를 채웠다. Hox, Pax6, Sonic hedgehog 같은 이름이 붙은 소수의 유전자들이 몸을 따라 좌표 역할을 한다. 예를 들어 Pax6는 눈 형성을 켜는 데 도움을 준다. 놀랍게도 같은 유전자가 초파리, 생쥐, 인간에서 그 일을 한다. 파리의 잘못된 위치에서 그것을 켜면 다리에 눈이 자란다. 진화는 같은 도구 세트를 반복해서 재사용하며, 각 유전자가 언제 어디서 발현되는지만 바꾼다.

구배는 색 이상의 것을 설명한다. 발달 중인 사지는 어느 쪽 끝이 어깨이고 어느 쪽이 손끝인지 알아야 한다. 신경관은 어느 쪽이 뇌가 되고 어느 쪽이 척수가 될지 알아야 한다. 각 경우에 소수의 세포가 신호를 방출하고, 신호가 확산되며, 이웃 세포는 얼마나 도달했는지에 따라 반응한다. 그것은 설계도라기보다 날씨에 가깝다 — 국소 규칙에서 창발하는 패턴.

중국과 다른 나라의 과학자들은 이제 형광 표지와 단일 세포 시퀀싱을 사용해 이 신호들을 세포 하나하나씩 지도화하며 배아가 실시간으로 발달하는 모습을 관찰한다. 이 작업은 실질적인 무게를 지닌다. 장기가 어떻게 배치되는지 이해하는 것은 연구자들이 줄기세포로 대체 조직을 키우는 데 도움을 주고, 구배가 너무 약하거나 너무 강하거나 이동했을 때 일부 선천적 결함이 발생하는 이유를 설명하는 데 도움을 준다.

오래된 질문 — 세포는 눈이 어디로 가는지 어떻게 아는가 — 는 이제 부분적인 답을 얻었다. 그것은 정확히 알지 못한다. 그것은 이웃을 감지하고, 주변의 화학을 읽고, 진화가 수억 년 동안 다듬어온 규칙을 따른다. 몸은 계획이 아니다. 그것은 합의다.