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- 발달 중인 심장의 세포는 분명히 서로 독립적으로 그리고 동시에 활성화
- 물고기를 선택한 이유, 제브라피시에서는 약 20시간 후에 첫 번째 심장 박동이 발생
- 미래에 심장 부정맥을 더 잘 이해하는 도움

심장이 뛰기 시작하는 방법
제브라피시 배아의 심장 세포는 모두 동시에 리듬을 시작한다.

생명의 일반적인 시작 신호:
발달 중인 심장의 세포는 분명히 서로 독립적으로 그리고 동시에 활성화된다. 이는 갑자기 시작되지만 심장 박동과 동시에 시작됨을 의미한다. 이것은 제브라피시에 대한 최근의 연구에 의해 입증되었다. 연구자들이 보고한 것처럼 첫 번째 심장 박동의 기본 메커니즘은 인간에게도 적용될 수 있다. 그들은 미래에 심장 부정맥을 더 잘 이해하는 데 자신들의 발견을 사용하기를 희망한다. 

▲ 이전에 추측한 것과는 달리, 물고기 배아에서는 모든 심장 세포가 갑자기, 동시에, 동기적으로 박동하기 시작한다. © ArtemisDiana / Getty Images

성장하는 유기체의 세포는 고도로 조화된 과정을 통해 기능하는 조직과 기관으로 발전한다. 이를 위해서는 스스로를 정확하게 조직하고 함께 일해야 한다. 심장에서는 정적인 개별 세포가 조화롭게 박동하는 기관을 형성하기 위해 세포가 특히 잘 조화되어야 한다.

첫 번째 심장 박동 과정에 관한 이론

조용한 세포 덩어리에서 뛰는 심장으로의 전환은 정확히 어떻게 발생할까? 하버드 대학의 Bill Jia가 이끄는 연구팀은 이제 처음으로 이 질문을 자세히 조사했다. "심장이 뛰기 시작하면 일회성 이벤트이지만 어떻게 발생하는지는 확실하지 않다"고 하버드 의과대학 선임 저자인 Sean Megason이 팀의 동기를 설명했다. “우리는 이 놀라운 메카니즘이 처음으로 작동하는 모습을 보고 싶었다”고 공동선임 저자인 하버드 대학의 Adam Cohen이 덧붙였다.

실험에 앞서 연구팀은 첫 번째 심장 박동이 어떻게 발생할 수 있는지에 대해 다양한 이론을 가지고 있었다. 추측에 따르면 아마도 몇 개의 세포가 박동을 시작한 다음 박동 영역이 천천히 커질 것이다. 또는 심장의 여러 부분이 독립적으로 뛰기 시작하여 결국 서로 융합된다. 심장은 시간이 지남에 따라 증가하는 약한 박동으로 시작한다고 생각할 수도 있다.

제브라피시 심장 박동을 연구한 이유는?

실제 과정이 무엇인지 알아내기 위해 연구자들은 발달 중인 제브라피시 배아의 심장 세포를 검사했다. 동물은 빠르게 성장하고 작고 투명하여 관찰하기 쉽기 때문에 연구에서 인기 있는 모델 유기체다. 제브라피시에서는 약 20시간 후에 첫 번째 심장 박동이 발생한다.

연구진은 형광 단백질과 고속 현미경을 사용하여 물고기 배아 세포의 칼슘 수준과 전기 활동이 매우 짧은 시간 내에 어떻게 변하는지 기록했다. 연구팀은 실험당 최대 39마리의 물고기를 검사했으며 동시에 최대 18마리를 검사했다.

첫 번째 심장 박동은 동기적으로 발생

이전에 추측했던 것과는 달리 모든 심장 세포가 갑자기, 동시에, 동시에 동시에 박동하기 시작하는 동시에 칼슘 수치가 명확한 파동으로 오르락내리락하고 전기 신호가 생성되는 것으로 나타났다. Cohen은 “누군가가 스위치를 누른 것 같았다”고 말했다. 그러나 추가 실험에서는 시간적 차이가 최소화된 것으로 나타났다. 각 심장 박동과 함께 심장의 한 영역이 먼저 뛰기 시작하여 나머지 세포를 통해 빠르게 흐르는 전기 파동을 유발하여 심장도 뛰게 했다.

연구팀은 또한 이 과정이 다른 제브라피시와 같은 동물의 다른 심장 박동의 심장의 다른 부분에서 시작된다는 것을 관찰했다. 그 결과, 첫 번째 박동은 처음에는 불규칙한 간격과 성체 물고기보다 낮은 빈도로 나타났다(분당 30박자가 아닌 약 7박자).

배아의 심장은 성숙한 심장과 다르다.

Jia와 그의 동료들은 배아에서 처음으로 활성화되는 심장 세포가 아직 해부학적으로 결정되지 않았다고 결론지었다. 그들은 성숙한 심장의 세포가 다르게 행동하기 때문에 이러한 발견을 기대하지 않았다. 즉, 심장이 박동할 때 심장의 특수 심장 박동기 세포에 의해 조정된다.

그러나 배아의 세포는 첫 번째 심장 박동 전에 스스로 박동하고 이웃 세포의 활동을 감지하는 능력을 독립적으로 개발했음에 틀림없다고 연구자들은 결론지었다. “개별 세포는 먼저 자신의 임무에 대해 의사소통하지 않고 함께 일하는 법을 배우고, 심장은 먼저 시계 없이 시간을 지키는 법을 배운다”고 Jia는 설명했다. 심장 박동은 총체적 혼란으로 보이는 것에서 매우 빠르게 구성된다.

인간의 심장에 관한 결론

“심장의 발달은 2천 년 넘게 연구되어 왔지만, 첫 번째 심장 박동 과정을 이렇게 자세히 살펴본 것은 이번이 처음이다”고 Megason은 말했다. 이번 연구는 제브라피시를 대상으로 진행됐지만, 연구진은 동일한 발달 과정이 인간을 포함한 다른 척추동물에서도 발생한다고 가정한다. 이는 육상 척추동물의 발달 중인 세포가 이전 연구에서 유사한 특성을 가지고 있다는 사실에 의해 뒷받침된다.

▲ 해부학적 그림: 펌핑 기관 내부 살펴보기 © Hugo Heikenwaelder/ CC-by-sa 2.5

미래에 인간 심장의 잘못된 발달과 기능 장애의 원인과 결과를 조사하기 위해서는 심장 박동의 기본 메커니즘과 다양한 제어 메커니즘을 아는 것이 중요하다고 Jia 팀은 말한다. 이번 연구 결과는 언젠가 심장 부정맥의 원인을 규명하는 데 도움이 될 수 있다.

혈액순환과의 관계

그러나 그때까지는 몇 가지 질문에 대한 답이 남아 있다. 예를 들어, 제브라피시(zebrafish)의 심장은 비교적 일찍부터 자기 조직적인 방식으로 박동하는 법을 배운다. 연구에 따르면, 첫 번째 구조화된 박동 당시에는 심장과 혈류 사이에 여전히 연결이 없으며 초기 제브라피시 배아는 심장 활동 없이도 생존한다.
추가 연구를 통해 왜 이런 일이 일어나는지, 예를 들어 심장 박동이 순환계 발달에 영향을 미치는지 밝혀야 한다.
(nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06561-z)
출처: Harvard Medical School

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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