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- 재생 능력은 생식 전략에 따라 달라질 수 있다
- 이전 실험에서는 재생 능력이 분자 신호를 통해 제어된다는 사실이 이미 나타나
- 알을 낳으며 번식을 위해 신체 부위를 번식할 필요가 없다

왜 모든 동물의 신체 부위가 다시 자라지 않을까?
재생 능력은 생식 전략에 따라 달라질 수 있다.

재생 퍼즐:
소수의 동물 종만이 부상을 입거나 신체 부위가 없어진 부분이 다시 자란다. 연구자들은 편형동물을 사용해 왜 이런 일이 일어나는지 알아냈다. 다양한 종의 편형동물은 동물의 번식 방식에 따라 재생 능력이 다르다. 따라서 재생 능력은 무성생식과 병행하여 발달했을 수 있다. 

▲ 여기 그림과 같은 편형동물 종은 신체 부위를 재생하는 능력이 상당히 다양하다. 이는 무엇보다도 그들이 번식하는 방식과 관련이 있을 수 있다. © Miquel Vila-Farré/ 막스 플랑크 종합 자연과학 연구소

동물계에는 절단되거나 부상을 당한 신체 부위 또는 거의 전체 신체가 다시 자랄 수 있는 종들이 있다. 여기에는 나무이거미와 달팽이, 제브라피시, 도롱뇽 및 아홀로틀이 포함된다. 이는 일부 유형의 편형동물에 특히 효과적이다. 편형동물을 여러 개의 작은 조각으로 자르면 각 편형동물에서 새로운 벌레가 자라난다. 그러나 다른 편형동물 종은 없거나 결함이 있는 조직이나 기관을 대체하기조차 시작할 수 없다.

괴팅겐 막스 플랑크 종합 자연과학 연구소의 수석 저자인 요헨 링크(Jochen Rink)는 “이런 형태의 재생은 생존에 큰 이점을 제공하지만, 동물계에서는 예외적인 것 같다”고 말했다. 그런데 우리 인간을 포함해 그토록 많은 동물이 신체 부위 전체를 재생하는 능력이 부족한 이유는 무엇일까? 잃어버린 팔다리를 더 빨리 고치면 모든 생명체에게 도움이 되지 않을까? Rink의 팀은 한동안 이러한 질문을 조사해 왔다.

분자 스위치

연구팀의 이전 실험에서는 재생 능력이 분자 신호를 통해 제어된다는 사실이 이미 나타났다. "편형동물이 재생되는 동안 소위 Wnt/β-카테닌 신호 전달 경로는 분자 스위치처럼 작동한다"라고 Rink는 설명했다. 이 신호 전달 경로가 "켜지면" 벌레는 꼬리가 자라며, "끄면" 머리가 형성된다. 신호 전달 경로가 완전히 차단되면 실제로 머리 같은 구조를 형성할 수 없는 벌레 종에서도 재생 능력이 전반적으로 향상된다.

이제 Rink와 그의 동료 Miquel Vila-Farré가 이끄는 연구팀은 어떤 편형동물 종에서 이 메커니즘이 특히 효과적이며 진화 과정에서 언제 발달했는지 조사했다. 이를 위해 연구자들은 36종의 편형동물의 목이 잘린 후 머리가 다시 자랄 수 있는 정도를 조사했다. 이는 연구소에서 40종이 넘는 편형동물을 수집했기 때문에 가능했다. "이 컬렉션 덕분에 우리는 표준화된 실험실 조건에서 종의 재생 능력을 체계적으로 비교할 수 있다"고 세포 생물학자는 설명했다.

어떤 벌레가 머리를 뒤로 자라나요?

결과:
편형동물 종은 재생 능력에서 뚜렷한 차이를 보였다. 첫 번째 저자인 Vila-Farré는 “우리는 세 그룹을 발견했다”며 "첫 번째 그룹은 재생 능력이 낮거나 전혀 없고, 두 번째 그룹은 신체 부위를 교체하는 능력이 제한적이며, 세 번째 그룹은 신뢰할 수 있는 머리 재생 능력을 가지고 있다"고 설명했다. 제한되거나 누락된 재생 능력은 모두 Wnt 신호 전달 경로에 기초한다고 연구자들은 보고했다.

그런 다음 보충 가계도 분석에서 과학자들은 다양한 종들이 머리 재생 능력을 발달시키거나 상실한 진화의 어느 시점을 재구성했다. Vila-Farré는 관찰 내용을 요약하면서 “장기와 조직을 재생하는 능력은 다양한 편형동물 종에서 독립적으로 여러 번 발달했으며 시간이 지남에 따라 다른 종에서도 독립적으로 상실되었다”고 말했다.

재생산은 어떤 역할을 할까?

그런데 왜? 비교에서 알 수 있듯이, 다양한 편형동물 종은 번식 전략도 다다. 따라서 연구자들은 이것이 재생 능력에 영향을 미칠 수 있다고 의심했다. 이 가설을 조사하기 위해 그들은 무성생식 또는 유성생식을 하는 편형동물 종인 "Schmidtea mediterranea"의 다양한 계통을 구체적으로 테스트하여 절단된 신체 부위가 다시 자라는지 Wnt 신호 전달 경로가 얼마나 활동적인지 확인했다.

그들은 무성생식을 하는 편형동물이 스스로 두 부분으로 나뉘고 각 부분이 새로운 벌레로 성장한다는 사실을 발견했다. Vila-Farré는 “이 종들은 번식하려면 재생 능력이 필요하다”고 결론지었다. 대조적으로, 실험에서 사라진 신체 부위를 부분적으로만 재생한 종은 거의 전적으로 유성생식을 했다. Vila-Farré는 “그들은 알을 낳으며 번식을 위해 신체 부위를 번식할 필요가 없다”고 설명했다.

진화론적 타협

이번 결과는 연구자들이 보고한 바와 같이 Wnt 신호 전달 경로가 생식계 발달에도 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다. Rink는 “다양한 편형동물 종에서 재생 능력의 획득 또는 상실은 Wnt 신호 전달 경로와 생식계 사이의 상호 작용으로 인해 발생할 수 있다”고 설명했다. 연구자들은 Wnt 신호의 수준이 높을수록 고환과 난황의 형성을 촉진하지만 동시에 Wnt 신호 전달 경로를 억제해야 하기 때문에 재생 능력이 저하되는 것으로 의심한다.
따라서 이 신호 전달 경로를 켜고 끄는 것은 효과적인 유성생식과 불량한 재생, 또는 그 반대의 진화적 타협이 될 수 있다. "우리의 가정은 편형동물의 재생 능력이 상처를 '복원'하기 위한 목적으로 진화한 것이 아니라 오히려 분열을 통한 무성생식을 위해 진화한 것이다"고 Rink는 말했다. 이는 재생 능력이 있는 종과 없는 종이 자연에서 출현한 이유에 대한 가능한 설명을 제공한다.

이제 더 많은 연구를 통해 이 이론이 올바른지, 그리고 이러한 진화적 타협이 작용하는 다른 동물 그룹이 있는지를 입증해야 한다. 재생 능력의 진화적 발달에 환경적 영향이 미치는 역할에 대한 추가 연구도 수행되어야 한다.
(Nature Ecology and Evolution, 2023; doi: 10.1038/s41559-023-02221-7)
출처: Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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