배경

인간 대뇌피질은 태아기에 신경줄기세포가 증식하고 여러 계통으로 분화하면서 빠르게 확장된다. 이 과정의 중심에는 뇌실 방사형교세포(vRG)와 바깥쪽 방사형교세포(oRG)가 있다. 특히 영장류에서 크게 늘어난 oRG는 인간 특유의 넓고 주름진 피질을 만드는 핵심 세포로 꼽히지만, 세포별 유전자 조절 방식은 충분히 밝혀지지 않았다.

기존 단일세포 연구는 어떤 유전자가 발현되고 염색질이 열려 있는지는 보여줬지만, 멀리 떨어진 조절 부위가 3차원 공간에서 어느 유전자와 접촉하는지 정밀하게 추적하기 어려웠다. 이는 비암호화 영역에 몰려 있는 정신질환 연관 변이의 기능을 해석할 때 큰 제약이다. 질환 변이는 가장 가까운 유전자가 아니라 수십만 염기쌍 떨어진 유전자를 조절할 수도 있기 때문이다.

연구진은 임신 15∼24주의 인간 대뇌피질에서 vRG, oRG, 희소돌기아교세포 전구세포(OPC), 미세아교세포(MG)를 분리해 유전자 발현, 염색질 접근성, DNA 메틸화, 3차원 염색질 접촉을 통합 분석했다. 발달 시기가 다른 이유는 RG와 OPC·MG의 출현 정점이 서로 다르기 때문이다. Nature 논문

핵심 발견

연구진은 접근성이 높고 메틸화가 낮은 후보 시스조절요소(cCRE)를 vRG 6만9141개, oRG 7만2450개, OPC 6만5295개, MG 6만958개 찾아냈다. 60% 이상은 프로모터 밖에 있었다. H3K4me3 기반 근접결찰 보조 염색질 면역침강 시퀀싱(PLAC-seq)으로 세포 유형마다 13만5000∼14만4000여 개의 유의한 상호작용을 2킬로베이스 해상도에서 포착했으며, 기존 5킬로베이스 분석보다 약 4배 많은 접촉을 검출했다. 평균 접촉 거리는 18만8000∼23만3000 염기쌍이었다.

생쥐 배아 리포터 실험에서는 RG·중간전구세포 조절서열 18개 중 14개가 배아 뇌에서 인핸서 활성을 보였다. vRG와 oRG를 비교하자 차등 접근 영역은 7941개였지만 차등 메틸화 영역은 756개에 그쳤다. 두 세포의 차이는 DNA 메틸화보다 염색질 접근성과 입체 접촉에서 선명했던 셈이다. 전사인자 LHX2는 oRG, ASCL1은 vRG 조절망과 연결됐으며, LHX2를 짧은 헤어핀 RNA로 억제하자 oRG의 자가재생이 줄고 성상교세포 유사 분화가 늘어났다.

머신러닝 분석도 질환 변이의 범위를 좁혔다. DeepGWAS가 제시한 조현병 변이 1만1360개 가운데 929개가 열린 염색질에 있었고, 112개는 접근성을 바꿀 후보로 분류됐다. rs4449074 위험 대립유전자 T는 vRG 인핸서 hs3134의 활성을 떨어뜨릴 것으로 예측됐으며, 생쥐 전뇌에서도 비위험 대립유전자 C보다 약한 신호를 냈다. 알츠하이머병 유전력은 MG 조절요소에서만 농축됐고, 자폐스펙트럼장애 유전력은 vRG와 oRG에서 두드러졌다.

의미와 전망

진화 분석에서는 oRG의 차등 접근 영역 72개가 인간 가속 영역(HAR)과 겹쳤다. vRG에서는 13개에 불과해 농축 정도가 2.43배 높았다. 연구진은 oRG에서 열린 HAR 565개와 인간·침팬지 사이 변이 3447개를 평가해, 인간 서열의 접근성을 높일 후보 76개와 침팬지 서열에서 더 열릴 후보 73개를 골랐다.

HARsv2_1313은 3차원 접촉으로 ROCK2 프로모터와 연결됐다. 유도만능줄기세포 유래 신경전구세포에서 크리스퍼 간섭(CRISPRi)으로 이 영역을 억제하자 ROCK2 발현이 감소하고 Ki67 양성 세포가 증가했다. 또 HARsv2_1602의 인간형 서열은 억제성 전사인자 ZBT18 결합 부위를 잃어 EPHA4 관련 조절 활성이 커질 가능성을 보였다. 이는 인간 피질 확장과 정신질환 위험이 일부 비암호화 조절회로를 공유할 수 있다는 설명을 제시한다.

다만 분석값은 형광활성세포분류로 모은 세포 집단의 평균이다. 희귀한 전구세포 아형과 위치별 차이는 포착하지 못했으며, rs4449074 보유자 간 접근성 차이도 통계적으로 유의하지 않았다. 생쥐 배아와 배양 신경전구세포의 결과를 인간 태아 발달이나 환자 병태로 곧바로 확장해서도 안 된다. 공간·단일세포 후성유전체 분석과 인간 뇌 오가노이드의 정밀 편집 실험이 뒤따라야 인과관계를 확정할 수 있다.