말미잘에서 6억 년 된 신체 설계도 발견

말미잘 네마토스텔라 벡텐시스의 성체 폴립. 사진 제공: 그리고리 제니코비치

비엔나 대학교의 새로운 연구에 따르면 말미잘은 좌우대칭 동물에서 알려진 분자 메커니즘을 이용하여 배에서 등까지 이어지는 체축을 형성합니다. 이 메커니즘("BMP 셔틀링")은 발달 과정에서 신호 전달 구배를 해석하여 세포가 스스로 조직화할 수 있도록 합니다. Science Advances 에 발표된 이 연구 결과 는 이 시스템이 이전에 추정했던 것보다 훨씬 일찍 진화했으며, 자포동물과 좌우대칭동물의 공통 조상에도 이미 존재했음을 시사합니다.

대부분의 동물은 좌우 대칭, 즉 머리와 꼬리, 등과 배, 그리고 좌우 측면으로 이루어진 신체 구조를 보입니다. 이러한 신체 구조는 좌우 대칭 동물군(Bilateria)으로 알려진 광대한 집단의 특징이며, 척추동물, 곤충, 연체동물, 벌레 등 매우 다양한 동물을 포함합니다.

이와 대조적으로, 해파리와 말미잘과 같은 자포동물은 전통적으로 방사 대칭으로 묘사되며, 실제로 해파리도 그렇습니다. 그러나 말미잘은 상황이 다릅니다. 표면적으로 방사 대칭을 보임에도 불구하고, 말미잘은 좌우 대칭을 보입니다.

처음에는 배아 단계에서 유전자 발현 수준에서, 나중에는 성체가 되었을 때 해부학적으로도 좌우 대칭을 보입니다. 이는 근본적인 진화적 의문을 제기합니다. 좌우 대칭은 좌우 대칭 동물과 자포동물의 공통 조상에서 발생한 것일까요, 아니면 여러 동물 계통에서 독립적으로 진화한 것일까요? 빈 대학교 연구진은 BMP 셔틀링이라는 핵심 발생 기전이 자포동물에 이미 존재하는지 조사함으로써 이 의문을 해결했습니다.

개발을 위한 셔틀

좌우대칭 동물에서 배축(back-to-belly axis)은 골형성단백질(BMP)과 그 억제제인 ​​코르딘(Chordin)을 포함하는 신호전달 체계에 의해 결정됩니다. BMP는 분자 전달자 역할을 하여 배아 세포에게 자신의 위치와 어떤 조직으로 분화해야 하는지 알려줍니다. 좌우대칭 배아에서 코르딘은 BMP에 결합하여 "국소적 억제(local inhibitory)"라는 과정을 통해 그 활성을 차단합니다.

동시에, 일부 좌우대칭 배아 모델에서 코르딘은 결합된 BMP를 배아의 다른 영역으로 운반하여 다시 방출시키는 "BMP 셔틀링(BMP shuttling)"이라는 메커니즘을 사용합니다. 성게, 파리, 개구리처럼 진화적으로 먼 동물들도 BMP 셔틀링을 사용하지만, 이들이 모두 독립적으로 셔틀링을 진화시켰는지, 아니면 약 6억 년 전 마지막 공통 조상으로부터 BMP 셔틀링을 물려받았는지는 지금까지 불분명했습니다. 국소적 억제와 BMP 셔틀링 모두 배아 전체에 걸쳐 BMP 활성의 기울기를 생성합니다.

초기 배아의 세포들은 이 기울기를 감지하고 BMP 수치에 따라 각기 다른 운명을 맞이합니다. 예를 들어, 척추동물의 경우, BMP 신호 전달이 가장 낮은 지점에서 중추신경계가 형성되고, 신장은 중간 수준의 BMP 신호 전달 수준에서 발달하며, 배의 피부는 BMP 신호 전달이 가장 높은 지점에서 형성됩니다.

이렇게 하여 등에서 배까지의 신체 구조가 확립됩니다. 코르딘의 BMP 이동이 등에서 배까지의 축을 형성하는 조상의 메커니즘인지 확인하기 위해, 연구진은 좌우대칭 동물(Bilateria)이 아닌 말미잘과 같은 좌우대칭 동물을 관찰했습니다.

고대 청사진

연구진은 말미잘이 Chordin을 국소적 억제제로 사용하는지 셔틀로 사용하는지 테스트하기 위해 먼저 모델 말미잘 Nematostella vectensis 의 배아에서 Chordin 생성을 차단했습니다. Bilateria 와 달리 Nematostella 에서는 BMP 신호 전달에 Chordin이 필요하므로 Chordin이 없으면 BMP 신호 전달이 중단되고 두 번째 신체 축 형성이 실패했습니다.

그런 다음 Chordin을 배아의 작은 부분에 다시 도입하여 축 형성을 복원할 수 있는지 확인했습니다. BMP 신호 전달이 재개되었지만 Chordin이 단순히 BMP를 국소적으로 차단하여 기존 BMP 소스에서 기울기가 형성되도록 했는지 또는 BMP를 배아의 먼 부분으로 적극적으로 운반하여 기울기를 더 직접적으로 형성했는지는 불분명했습니다. 이에 답하기 위해 Chordin의 두 가지 버전을 테스트했습니다.

하나는 막 결합되고 고정되어 있고 다른 하나는 확산 가능합니다. 만약 코르딘이 국소적 억제제 역할을 한다면, 고정형 코르딘과 확산형 코르딘 모두 코르딘 생성 세포 반대편 배아에서 BMP 신호전달을 회복시킬 것입니다. 그러나 확산형 코르딘만이 BMP 셔틀 역할을 할 수 있습니다. 결과는 명확했습니다. 확산형 코르딘만이 BMP 신호전달의 근원지에서 멀리 떨어진 곳에서도 BMP 신호전달을 회복할 수 있었습니다. 이는 코르딘이 파리와 개구리에서처럼 말미잘에서도 BMP 셔틀 역할을 한다는 것을 보여줍니다.

6억 년 이상의 진화를 통해 공유된 전략?

자포동물과 좌우대칭동물 모두에서 BMP 셔틀링이 존재한다는 것은 이 분자 메커니즘이 약 6억~7억 년 전 진화적 분화 이전부터 존재했음을 시사합니다. "모든 좌우대칭동물이 코르딘을 매개로 하는 BMP 셔틀링을 사용하는 것은 아닙니다. 예를 들어 개구리는 사용하지만, 어류는 그렇지 않습니다. 하지만 셔틀링은 매우 먼 친척 관계의 동물에서도 반복적으로 나타나는 것으로 보이므로 조상의 패턴 형성 메커니즘을 뒷받침할 수 있는 좋은 후보입니다. 좌우대칭동물뿐만 아니라 말미잘도 체축을 형성하기 위해 셔틀링을 사용한다는 사실은 이 메커니즘이 매우 오래되었음을 시사합니다."라고 빈 대학교 신경과학 및 발달생물학과 박사후연구원이자 본 연구의 제1저자인 다비드 뫼르스도르프는 말합니다. "이는 초기 동물의 체형이 어떻게 진화했는지 재고할 수 있는 흥미로운 가능성을 열어줍니다."

같은 학과의 선임 저자이자 그룹 리더인 그리고리 제니코비치는 이렇게 덧붙였습니다. "양측대칭동물과 좌우대칭 자포동물이 좌우대칭 체형을 독립적으로 진화시켰을 가능성을 결코 배제할 수 없을 것입니다. 그러나 자포동물과 좌우대칭동물의 마지막 공통 조상이 좌우대칭 동물이었다면, 척삭동물(Chordin)을 이용하여 BMP를 이동시켜 배를 향해 축을 형성했을 가능성이 높습니다. 이번 새로운 연구에서는 이를 보여주었습니다."

이 연구는 오스트리아 과학 기금(FWF)의 P32705 및 M3291 보조금으로 지원되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250616040228.htm