배경: 기존 운동뉴런은 어떻게 새로운 특성을 얻나

선충의 기존 운동뉴런이 콜린성 정체성을 유지하면서 세로토닌 재흡수 특성을 얻고, 외부 세로토닌에 대한 산란 반응을 바꿀 수 있다는 연구가 PNAS에 실렸다. 연구진은 유전자 발현을 억제하는 후생유전학적 조절과 발현 조절서열인 인핸서(enhancer)가 이 특성의 환경 의존적 발현과 지속적 발현에 각각 어떻게 관여하는지 조사했다.

신경계 진화에서는 안정적인 세포 기능과 새로운 특성의 획득이 어떻게 양립하는지가 핵심 질문이다. 연구 대상인 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 VC4·VC5는 산란 회로에 속한 콜린성 운동뉴런으로, 아세틸콜린을 신경전달물질로 사용한다. 연구진은 보통 세로토닌 염색이 약하고 개체마다 달랐던 이 세포가 어떤 조건에서 세로토닌을 축적하는지, 가까운 종에서는 같은 특성이 어떻게 나타나는지를 비교했다.

핵심 발견: 억제 기전과 인핸서 치환으로 확인한 재흡수 특성

예쁜꼬마선충에서는 히스톤 H3의 9번 라이신 메틸화(H3K9me) 경로가 세로토닌 재흡수 특성을 억제하는 것으로 나타났다. 이 경로의 일부 구성요소에 변이가 생기면 VC4·VC5의 세로토닌 염색이 강해졌고, 해당 뉴런에서 정상 유전자를 다시 발현시키면 이 변화가 억제됐다. 세로토닌 수송체 유전자 mod-5/Sert의 기능을 없애면 염색이 사라졌다. 주변의 세로토닌 합성 뉴런인 HSN을 제거해도 염색이 감소해, 새로 합성하기보다 주변에서 재흡수한다는 설명을 뒷받침한다. 다만 H3K9me 경로 변이체에서 내인성 표지로 mod-5 발현을 직접 검출하지는 못했다. 낮은 발현량이나 수송체 활성의 간접 변화 가능성은 남아 있다.

26종을 비교한 결과, Angaria 계통의 5종에서는 VC4·VC5에 강한 세로토닌 염색이 관찰됐다. C. angaria의 해당 뉴런은 콜린성 표지도 유지했다. 이는 기존 정체성을 버리고 다른 세포로 전환됐다기보다 재흡수 특성이 더해졌다는 해석에 부합한다.

핵심 인과 실험은 조절서열 치환이었다. 예쁜꼬마선충의 mod-5 첫 번째 인트론을 C. angaria 서열로 바꾸자 VC4·VC5에 강한 세로토닌 염색이 나타났다. 이 영역의 인핸서가 기존 유전자 조절망에 편입돼 작동한다는 해석이다. 전사인자 UNC-4 결손이나 예측 결합부위 변이에서 인핸서 리포터 활성이 사라진 결과도 이를 지지한다.

행동 실험에서는 외부 세로토닌에 2시간 노출했을 때 산란 유도가 얼마나 달라지는지 측정했다. VC4·VC5에서 mod-5를 발현시킨 예쁜꼬마선충은 대조군보다 산란 증가가 작았다. 반대로 C. angaria에서 mod-5를 없애면 산란 유도를 완충하는 능력이 사라졌다. 예쁜꼬마선충을 고농도 환경 세로토닌에서 한 세대 기른 경우에도 세로토닌 염색 증가와 산란 반응 완충이 관찰됐다. 이때 완충 반응은 mod-5 결손에서 사라졌고 UNC-4 결손에서는 감소했다.

의미와 전망: 환경 반응과 진화적 고정의 연결

이번 결과는 기존 운동뉴런에 추가되는 특성이 환경에 따라 달라지거나 조절서열의 차이로 지속될 수 있음을 보여준다. 연구가 확인한 변화는 기존 산란 회로 뉴런의 재흡수 특성과 행동 반응이다.

환경 세로토닌이 H3K9me 조절 및 mod-5 발현과 연결되는 중간 기전은 아직 밝혀지지 않았다. 자연환경에서 이 특성이 생존이나 번식에 이익을 주는지, 환경 의존적 상태가 Angaria 계통의 지속적 특성에 선행했는지도 미확정이다. 포유류의 세로토닌 수송체 조절에 유사한 원리가 적용될 가능성은 후속 검증이 필요한 가설로 남는다.

연구 내용은 PNAS 논문 공개 본문에서 확인할 수 있다.