과학자들은 뉴런이 뇌를 구성하기 위해 DNA를 분해해야 한다는 사실을 발견했습니다.

갓 태어난 뇌세포는 신경 회로를 형성하는 과정에서 좁은 공간을 통과하며 광범위한 DNA 손상을 겪습니다. (사진 제공: Shutterstock)

뇌가 발달함에 따라 새로 생성된 신경 세포는 대뇌 피질의 최종 목적지에 도달하기 위해 빽빽하게 밀집된 조직을 통과해야 하며, 그곳에서 뇌의 통신 네트워크의 일부가 됩니다. 이 과정에서 세포들은 섬유와 이웃 세포 사이의 좁은 틈을 통과해야 합니다.

네이처 (Nature) 에 발표된 새로운 연구는 이러한 과정에서 예상치 못한 결과를 밝혀냈습니다. 교토대학교 통합 세포-물질 과학 연구소(WPI-iCeMS)와 공동 연구 기관의 연구진은 이동하는 신경 세포가 일상적으로 심각한 DNA 손상을 겪는다는 사실을 발견했습니다. 구체적으로, 세포는 이중 가닥 절단이라는 심각한 형태의 DNA 손상, 즉 DNA 이중 나선의 두 가닥 모두가 절단되는 손상을 입습니다.

이중 가닥 절단은 일반적으로 돌연변이, 세포 기능 장애, 심지어 세포 사멸과 관련이 있지만, 연구진은 이것이 뇌 피질 발달의 정상적인 부분이라는 것을 발견했습니다. 건강한 뇌에서는 손상이 영구적인 문제를 일으키기 전에 신속하게 복구됩니다.

"발달 중인 뇌는 신경 손상을 효율적으로 견디고 복구하도록 진화해 온 것으로 보입니다."라고 이번 연구를 이끈 WPI-iCeMS의 미네코 켄가쿠 교수는 말합니다. "하지만 그 내성의 한계와 복구가 불완전할 때 어떤 일이 발생하는지 이해하는 것은 다양한 신경 질환을 이해하는 데 한 걸음 더 나아가는 데 도움이 될 것입니다."

신경세포 이동 중 DNA 손상

이러한 손상이 어떻게 발생하는지 조사하기 위해 연구진은 발달 중인 신경 세포가 직면하는 물리적 어려움을 재현했습니다. 그들은 성장하는 뇌 조직에서 발견되는 제한된 공간을 모방하도록 설계된 미세한 채널을 통해 신경 세포를 유도했습니다.

연구팀은 형광 표지자를 사용하여 뉴런이 채널을 통과하는 동안 이중 가닥 DNA 손상이 나타나는 것을 관찰했습니다. 세포가 반대편으로 나오면 손상은 점차 사라졌습니다. 대부분의 손상은 24시간 이내에 복구되었고 뉴런은 정상적으로 기능했습니다.

연구진은 손상의 원인을 토포이소머라제 IIβ라는 효소로 확인했는데, 이 효소는 일반적으로 세포가 DNA 내 스트레스를 관리하는 데 도움을 준다. 정상적인 상황에서 이 효소는 일상적인 세포 활동으로 발생하는 꼬임과 장력을 완화하기 위해 DNA 가닥을 일시적으로 절단한 후 다시 연결한다.

이 과정은 엉킨 케이블을 잘라 꼬임을 제거한 다음 다시 연결하는 것에 비유할 수 있습니다. 그러나 뉴런이 좁은 공간을 통과하는 동안 기계적 스트레스를 받으면 효소가 과정 중간에 갇혀 DNA 일부가 끊어질 수 있습니다. 이때 세포는 손상된 DNA 끝을 다시 연결하기 위해 비상동 말단 접합(non-homologous end joining)이라는 복구 메커니즘에 의존합니다.

다른 세포들은 회복되지 않는데 뉴런만 회복되는 이유는 무엇일까요?

연구팀은 신경 세포의 DNA 손상이 동일한 미세 채널을 통과하는 특정 암세포에서 나타나는 손상과는 다르다는 것을 발견했습니다. 암세포의 경우 DNA 손상은 더욱 무작위적으로 발생하는 경향이 있으며, 정상적인 세포 활동을 방해하거나 세포 사멸을 유발할 수 있습니다.

반면, 뉴런의 DNA 손상은 주로 중요한 유전자 기능에 적극적으로 관여하지 않는 유전체 영역에 집중되어 있었습니다. 필수 유전자는 대부분 손상되지 않았기 때문에 세포는 일시적인 손상에도 불구하고 정상적인 기능을 유지할 수 있었습니다.

DNA 복구가 실패할 때

연구진은 DNA 손상 복구 실패의 결과를 알아보기 위해 새로 형성된 소뇌 뉴런에 DNA 손상 복구에 필요한 효소인 리가아제 4가 결핍된 쥐를 만들었습니다.

생쥐들은 정상적으로 발달했으며 초기에는 뚜렷한 이상 징후를 보이지 않았습니다. 그러나 성체가 되면서 경미하지만 점차 악화되는 균형 장애를 겪기 시작했습니다. 이러한 증상은 소뇌에 영향을 미치는 유전자 불안정성과 관련된 특정 인간 질환에서 나타나는 증상과 유사합니다.

뇌 다양성과 질병에 대한 단서

이번 연구 결과는 DNA 손상과 복구가 뇌 생물학에서 이전에 생각했던 것보다 더 큰 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 연구자들은 이제 이러한 초기 DNA 변화가 개별 뉴런 간의 차이에 기여하는지, 그리고 나중에 신경 발달 장애나 신경 퇴행성 질환에 영향을 미치는지 여부를 규명하고자 합니다.

켄가쿠 교수는 "이번 발견은 신경 세포 유전체에 대한 우리의 생각을 바꿔놓습니다."라고 말합니다. "모든 신경 세포는 동일한 DNA에서 유래하지만, DNA 손상과 복구 과정에서 미세한 이동 경로를 통해 개별 신경 세포 사이에 작은 유전적 차이가 발생할 수 있습니다. 이러한 이력의 일부가 유전체 자체에 기록되어 있을 가능성이 있습니다."

본 연구는 교토대학교, 도쿄대학교, 오사카대학교, 싱가포르 국립대학교, 그리고 도쿄도립의학연구소의 공동 연구를 통해 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/06/260620100422.htm