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Hom이 WT처럼 보일 때, 그것을 무엇이라 부를까

Aug 25, 20262026. 8. 25.

논문 원문: Molecules and Cells (2026)

최근 연구실에서 자폐 환자의 USP15 변이에 대한 오가노이드 연구를 발표했습니다. 서울대 의대 이지연 교수님, 이화여대 김재상 교수님 팀과 오랫동안 연구한 결과인데, 결과도 요약하면서.. 동시에 이와 같은 기능 연구를 하면서 자주 관찰하는 몇 가지 감상을 적어봅니다.

자폐 코호트의 유전체 데이터를 분석하다 USP15에서 신생변이를 하나 찾았습니다(Kim et al. 2024). USP15 개시 코돈의 A가 T로 바뀌는 변이입니다(c.1A>T; p.Met1Leu). 여러 예측 도구가 손상성으로 판정했고, gnomAD pLI가 1이라 한 벌만 망가져도 기능이 모자라는 haploinsufficient 유전자입니다. 그런데 이 변이를 가진 사람은 코호트에 한 명뿐이었습니다. 유비퀴틴 경로 유전자 전체로 넓혀 보면 대규모 자폐 코호트에서 손상성 신생변이가 환자군 125개, 영향받지 않은 형제자매 28개로 분명하게 편중되어 있지만(Fu et al. 2022), 유전자 하나씩 쪼개면 어느 것도 유전체 수준 유의성에 닿지 못합니다. 통계로 이 유전자를 세우려면 코호트가 훨씬 커져야 하는데, 우리는 그동안 이 변이가 세포에서 무슨 일을 하는지 보기로 했습니다. 사람 유도만능줄기세포(hiPSC)에 CRISPR로 같은 변이를 넣어 헤테로(Het)와 호모(Hom) isogenic 라인을 만들고, 야생형(WT)과 나란히 대뇌 오가노이드로 107일까지 키운 뒤 단일세포 전사체와 면역형광 이미징을 함께 읽었습니다. 그리고 가장 쉬운 비교는 WT에 비해 Het과 Hom이 얼마나 달라지는가, Hom이니까 더 극심한 변화를 보일 것이라는 것이었습니다.

초기 뇌발달을 오가노이드로 보는 이유

가장 쉬운 내용부터 시작합시다. 우리는 왜 뇌발달에서 오가노이드를 쓰는가? 오가노이드는 같은 유전적 배경에서 여러 유전형을 동시에 키울 수 있습니다. 사람의 초기 피질 발생은 태아 조직으로 접근하는 길이 거의 막혀 있고, 사후 뇌 조직은 발생이 이미 끝난 시점의 사진입니다. 방사교세포가 언제 증식을 멈추고 언제 뉴런 쪽으로 빠져나가는지는 정지 화면 몇 장으로 복원하기 어렵습니다. 오가노이드는 30일, 40일, 60일, 80일, 100일처럼 같은 배양을 시간 축으로 반복해 찍을 수 있고, WT, Het, Hom을 같은 배치에 나란히 놓을 수 있습니다. 이번에 Het과 Hom의 차이가 눈에 들어온 것도 두 유전형을 같은 조건에서 같은 날 읽었기 때문입니다.

물론 몇 가지 제약도 여전히 있긴 합니다. 여러 오가노이드 연구에 같이 참여하면서 계속 부딪히는 문제는 오가노이드마다 세포 조성과 성숙 속도가 다르다는 것입니다. 프로토콜이 다르고 배양 일수가 다르고, 같은 프로토콜 안에서도 라인마다 다릅니다. 그래서 한 논문의 오가노이드에서 얻은 표현형이 다른 논문의 오가노이드와 같은 발생 시점을 말하고 있는지가 늘 불확실합니다. 이 문제를 정면으로 다루려고 연구실에서 따로 진행하는 것이 뇌 오가노이드 아틀라스 연구입니다. 여러 연구에서 나온 오가노이드 단일세포 데이터를 한자리에 모아 공통 좌표를 만들고, 그 좌표 위에서 유전자 교란에 대한 전사 반응을 예측하는 모델을 학습시키는 작업입니다. 예측된 반응을 묶어보면 자폐 위험유전자가 몰리는 덩어리가 몇 개 떠오르는데, 하나는 태아기 뉴런의 시냅스 신호 쪽이고 다른 하나는 초기 방사교세포와 neuroblast에서 활성인 유비퀴틴 관련 프로그램입니다. USP15는 후자에 해당합니다. 이번 연구 자체에도 이런 제약이 남아 있습니다. 가령, 유도하지 않은 오가노이드는 부위 정체성이 흔들린다는 약점이 있는데, Hom에서 HOXA7/9와 HOXB2/3이 켜진 것을 해석할 때 주의가 필요합니다. 그래서 posteriorization으로 단정하지 않고, FOXG1, OTX2, SIX3, EMX1/2, LHX2, FEZF2 같은 전뇌 전사인자가 줄지 않았다는 점, HOX paralog들이 공선형으로 켜지지 않았다는 점, HOX 활성이 스트레스 프로그램과 양의 결합을 보이지 않는다는 점을 근거로 보수적으로 해석해야 합니다. 또한, 배치 간 변이도 오가노이드의 고질적 약점인데, 이번 단일세포 데이터는 유전형당 오가노이드 6개를 한 배치에서 풀링한 표본 하나여서 재현성은 독립 분화 배치로 따로 확인해야 합니다.

Het 유전형에서는 무엇이 달라졌나?

다시 연구로 돌아오면, Het 오가노이드는 40일부터 100일까지 배치를 보정한 뒤에도 WT보다 일관되게 작았습니다. 전구세포 비율(SOX2+/DAPI+)은 60일에는 세 유전형이 비슷했지만 그 뒤로 갈라져서 80일과 100일에는 WT보다 뚜렷하게 낮았습니다. 단일세포 조성에서도 전구세포 계열의 비중이 줄었습니다. 초기 방사교세포에서는 NOTCH3, ZFP36L1과 세포외기질, 혈관 인자처럼 전구세포 유지와 뇌실 주변 niche를 떠받치는 유전자들이 내려갔고, 대신 산화적 인산화와 시냅스 조직화 프로그램이 올라왔습니다. CytoTRACE2 potency는 낮아지고 G2/M은 줄면서 G1이 늘었으니, 전구세포가 예정보다 일찍 세포주기를 빠져나가 뉴런 쪽으로 기울었습니다. 궤적 분석에서도 corticothalamic 계보와 deep-layer projection 계보 모두 WT보다 뒤쪽 pseudotime으로 밀렸습니다. Regulon 활성은 POU3F3, HMGA2, SOX2, PBX1, NR2F1, NR2F2, SOX3처럼 전구세포 정체성을 쥐고 있는 전사인자들이 전반적으로 약해지는 방향이었는데, SOX2는 전사체 양이 그대로인데도 regulon 활성만 떨어졌습니다. 100일 시점에 CTIP2+ 심층 뉴런 비율이 낮아졌고, MAP2+ 수상돌기 길이당 PSD95 punctum 밀도와 SYN1-PSD95 공존 punctum도 줄었습니다. 유전자 목록 수준에서는 Het 심층 투사뉴런의 상향 유전자가 자폐와 신경발달장애 위험유전자(TCF4, MYT1L, BCL11B, GRIN2B, NRXN1)에 유의하게 몰렸고, 생쥐 교란 아틀라스와 비교했을 때 Fezf2와 Foxp1 돌연변이 투사뉴런 signature와 가장 많이 겹쳤습니다. 전사조절에 관여하는 자폐 유전자들이 corticofugal 투사뉴런 정체성으로 수렴한다는 것은 이미 알려져 있었는데, 유비퀴틴 경로 유전자인 USP15도 같은 곳으로 수렴했습니다.

여기서 한 가지 어긋난 결과가 있었는데요. Het 심층 투사뉴런은 시냅스 유전자 발현을 오히려 올리고 있었는데 실제 PSD95 punctum은 줄었습니다. DLG4나 SYN1 전사체가 줄어서 생긴 일도 아니었습니다. 시냅스전 유전자에서는 활성지대와 소포 방출 쪽이 올라가는 동시에 국소 번역과 리보솜 관련 유전자가 내려가는 양방향 패턴이 나왔습니다. 전사 프로그램이 켜지는 것과 실제 시냅스 구조물이 조립되는 것이 따로 논다는 뜻이고, 지금 데이터로는 단백질 양의 문제인지 수송의 문제인지 조립의 문제인지 가릴 수 없습니다. 발현 데이터만으로 시냅스 표현형을 추론하는 관행에 대해서는 경고로 남겨둘 만한 결과입니다. 이 어긋남은 뒤에 이어질 이야기와도 무관하지 않은데, 측정하는 층위를 바꾸면 같은 유전형이 다른 결론을 준다는 점에서 그렇습니다. 전사체에서 정상으로 보이는 것이 이미지에서 비정상일 수 있고, 그 반대도 성립합니다.

Hom 유전형에서는 WT와 유사하다?

Hom을 보면, 전구세포 비율(SOX2+/DAPI+)이 80일에도 100일에도 WT와 차이가 없었습니다. Het이 뚜렷하게 잃은 바로 그 지표에서, 유전자를 두 벌 다 잃은 쪽은 야생형과 상당히 비슷합니다. 단일세포 궤적 분석을 보면 더 극적인 형태로 같은 일이 벌어졌는데, deep-layer projection 계보의 pseudotime 중앙값이 WT와 사실상 같았습니다. 중앙값만 보면 야생형인데, 분포 전체를 비교하면 뚜렷하게 다릅니다. 요약통계 하나로 유전형을 판정했다면 Hom은 정상으로 분류되었을 것입니다. 다만 이 되돌아옴은 지표를 가립니다. 오가노이드 크기는 Het이 작고 Hom은 오히려 WT보다 컸으니 반대편으로 넘어간 셈이고, CTIP2+ 심층 뉴런과 PSD95 punctum은 Het과 Hom 모두 줄었으며, BRN2+ 상층 뉴런은 Het에서만 정상이고 Hom에서 줄었습니다. 심층 투사뉴런의 차등발현 유전자를 놓고 보면 Het 상향 집합과 Hom 하향 집합이 공유하는 유전자는 BCL11B 하나뿐입니다. 그러니까 Hom은 Het과 다른 상태이고, 어떤 지표에서는 그 다른 상태의 좌표가 우연히 야생형과 겹칩니다. Hom을 Het보다 한 단계 더 나빠진 상태로 예상했으나, 이 지표들은 그렇진 않았다는 거죠.

같은 재고, 멈춘 흐름

Hom의 전구세포 수가 정상이라는 것과 Hom의 전구세포가 정상이라는 것은 다른 말입니다. 세포 비율(조성)을 열어보면 순환 중인 전구세포가 거의 사라지고 outer radial glia가 크게 불어나 있습니다. 세포주기 위상에서도 G1 비율이 outer radial glia와 IPC에서 크게 올라갔고 S와 G2/M 모듈 점수는 모든 전구세포 아형에서 내려갔습니다. 초기 방사교세포에서는 CDK1, MKI67, TOP2A 같은 유사분열 조절자가 강하게 눌리고 노화와 산화스트레스 점수가 올라간 반면 SASP는 낮았으며, cleaved caspase-3는 늘지 않았습니다. 죽어서 사라진 세포가 아니고, 살아 있되 나누지 않는 상태입니다. CytoTRACE2 potency는 Het과 반대로 WT보다 높아서, 전사체 수준의 전구세포 정체성은 오히려 더 강하게 붙들고 있었습니다. 전구세포 풀의 크기는 새로 만들어지는 양에서 뉴런으로 빠져나가는 양을 뺀 값이니, Het은 빠져나가는 쪽이 빨라져 풀이 줄었고 Hom은 만들어지는 쪽과 빠져나가는 쪽이 함께 멈춰 풀이 그대로 남았습니다. 30일에 Ki67/SOX2 비율이 올랐다가 100일에 내려가고 그 사이에 오가노이드가 WT보다 커진 것도 이 순서와 맞물립니다. 같은 재고에 흐름만 멈춘 상태를 정상이라 부를 수는 없습니다.

우성도 additive도 co-dominance도 아니라면?

이 패턴을 고전 유전학 용어에서 해석하려고 하면 전부 해석이 어긋납니다. WT > Het > Hom으로 줄 세우는 additive (상가적) 모형은 전구세포 지표에서 성립하지 않고, Het의 표현형이 Hom에 가려진다는 점에서 단순한 우성이나 열성도 아니며, 두 대립유전자의 산물이 각각 보이는 co-dominance와도 다릅니다. 여기서 가장 먼저 짚어야 할 것은 우성이라는 성질이 대립유전자에 붙어 있지 않다는 점입니다. Kacser와 Burns가 1981년에 정리한 "The molecular basis of dominance" (Kacser & Burns 1981, Genetics)에서는, 다단계 경로에서 flux는 개별 효소 활성에 대해 포화하는 곡선을 그리기 때문에 활성을 절반으로 줄여도 flux는 거의 변하지 않고, 그래서 우성은 대립유전자의 특별한 성질이 아니라 시스템 구조에서 따라 나오는 결과가 됩니다. 이 설명을 받아들이면 우성 여부는 유전자와 측정 지표와 발생 시점이 이루는 조합의 성질이 됩니다. 이번 데이터가 정확히 그렇습니다. 전구세포 비율에서는 비단조(non-monotonic)이고, 오가노이드 크기에서는 방향이 뒤집힌 과잉이고, PSD95 punctum에서는 두 유전형이 같은 방향으로 움직이고, BRN2에서는 additive에 가깝습니다. 유전자 하나에 우성 여부를 하나 붙이려는 시도 자체가 여기서 무너집니다. 사람 유전학 쪽에서도 같은 결론이 다른 경로로 나오는데, 94개 연속형 형질을 대상으로 손실기능 변이와 중복을 함께 본 최근 분석은 유전자 용량(gene dosage) 곡선의 반대편을 재는 두 변이가 형질을 같은 방향으로 옮기는 경우가 흔하다고 보고했고, 그것은 용량 곡선이 비선형이어야만 가능한 관찰입니다.

Hom 라인은 어떻게 해석해야 할까요? USP15는 haploinsufficiency 지표인 pLI가 1인 유전자이기 때문에, 이 유전자에 LoF을 양쪽 대립유전자에 가질 확률은 사실상 0이고, 그런 사람은 관찰되지 않습니다. 그러니 Hom 오가노이드는 표현형이 더 심각한 환자의 모델이 아니라 gene dosage 곡선에서 0으로 나타날 지점을 예상하는 모델이어야 합니다. 임상적으로 의미 있는 상태는 Het이고 논문의 해석도 거기에 무게를 실었습니다. 그럼에도 Hom을 만든 이유는 두 점만으로는 gene dosage 측면에서 해석할 곡선의 모양을 알 수 없기 때문입니다. 두 점은 언제나 직선 (gene dosage의 additive model)을 정의하고, 직선은 언제나 additive로 보입니다. 세 점을 찍고 나서야 이 유전자의 용량 곡선이 단조롭지 않다는 사실이 관찰 가능해졌습니다. 지금 데이터에 붙일 수 있는 이름은 겉보기 정상화, 또는 야생형 표현형복제(phenocopy) 정도입니다.

Developmental cascade (발생학적 연쇄)에서는 무엇이라 정의할까?

발생을 developmental cascade로 볼 때 우리가 실제로 재는 것은 대부분 흐름이 아니고 재고입니다. 전구세포 비율, 세포 유형 조성, 층 표지자 양성 비율, pseudotime 중앙값은 모두 어느 시점까지 누적된 값이고, 누적값은 생성률과 소비율의 적분입니다. 서로 반대 방향의 두 오차가 같은 크기로 어긋나면 적분은 정상값을 줍니다. Hom에서 전구세포 수가 WT와 같았던 것은 생성과 소비가 함께 멈춘 정지 평형이 우연히 같은 재고를 남긴 결과에 가깝고, 완충이 작동해 정상으로 되돌아온 경우와는 다릅니다. 이 구분은 서로 다른 실험을 요구합니다. 완충이라면 교란을 가한 뒤 궤적이 원래 골짜기로 되돌아오는 경로가 있어야 하고, 정지 평형이라면 되돌아오는 경로 없이 두 속도가 각각 0에 가까워야 합니다. 그리고 완충은 경로에 대한 진술이므로, 여러 시점에서 유전형을 비교하는 것만으로는 검증되지 않습니다. 30일과 100일에 각각 찍은 사진은 시점이 여럿인 endpoint 측정이고, 경로는 그 사이에 있습니다. Developmental cascade의 언어로 정리하면 세 가지 가능성이 남습니다. 하나는 골짜기로의 복귀(canalization)이고, 다른 하나는 다른 attractor로 분기했는데 거친 좌표축 위에서 야생형과 겹쳐 보이는 경우이며, 마지막은 두 오차가 같은 요약통계 안에서 상쇄되는 경우입니다. 지금 USP15 데이터는 세 번째에 가장 가깝고 두 번째 성분을 일부 포함한다고 봅니다. 그래서 이 현상을 정의하려면 지표부터 분류해야 합니다. 재고형 지표(세포 수, 조성 비율, punctum 밀도)와 속도형 지표(분열률, 세포주기 이탈률, 계보 진입률)를 나누고, 야생형과 같아 보이는 값이 어느 쪽에서 나왔는지를 먼저 확인하는 것입니다. EdU나 BrdU pulse-chase, 라이브 이미징처럼 속도를 직접 재는 측정이 붙지 않으면 겉보기 정상화와 진짜 완충은 구분되지 않습니다. 요약통계 하나로 유전형을 판정하지 않는 것도 같은 이유에서 필요한데, deep-layer 계보에서 중앙값은 사실상 같은데 분포는 다르다는 이번 결과가 그 사례입니다. 그다음으로는 용량 축을 최소 세 점으로 두는 설계가 필요합니다. 곡률은 두 점에서 원리적으로 보이지 않습니다. 마지막으로 조성 변화와 세포 유형 내부의 상태 변화를 분리해야 하는데, Hom처럼 전체 비율은 같은데 내부 조성이 크게 바뀌는 경우 조성과 상태를 섞어서 보면 아무 일도 없는 것처럼 보입니다.

만약 이것이 생물체 내의 내재적 보상이라면 무엇이 올라와야 하나?

Hom이 되면 생물학적 시스템이 같은 기능을 하는 다른 유전자를 동원해 메운다는 설명은 검증 가능한 형태로 만들 수 있습니다. 여기에는 이미 이름이 붙은 기전이 있는데, 돌연변이 mRNA의 분해가 서열이 비슷한 유전자들의 발현을 끌어올리는 transcriptional adaptation입니다(Rossi et al. 2015; El-Brolosy et al. 2019; Ma et al. 2019). 이 기전이 성립하려면 돌연변이 mRNA가 실제로 분해되어야 하는데, 이번 논문에서 개시 코돈만 바뀐 변이인데도 Het과 Hom 모두에서 USP15 mRNA 자체가 줄어 있었고 우리는 이것을 번역과 연결된 mRNA 분해로 읽었습니다. 그렇다면 예측이 하나 나옵니다. USP15와 DUSP-UBL 도메인 구조를 공유하는 가장 가까운 paralog인 USP4와 USP11이 Hom에서 Het보다 더 많이 올라와 있어야 합니다. 돌연변이 mRNA의 분해량이 용량에 따라 다르므로 보상의 크기도 용량을 따라가야 하고, 그것이 비단조 곡선의 자연스러운 설명이 됩니다. 이 검증은 새 실험 없이 지금 있는 단일세포 데이터에서 전구세포 아형별로 먼저 확인할 수 있습니다. 결정적인 실험은 그다음인데, Hom 라인에서 USP4나 USP11을 눌렀을 때 감춰져 있던 표현형이 드러나면 보상 가설이 서고, 아무 일도 일어나지 않으면 앞에서 말한 정지 평형 쪽이 남습니다. USP15가 효소인 이상 기질 수준의 작업도 필요한데, 유비퀴틸롬으로 어떤 기질의 처리가 Het과 Hom에서 어떻게 달라지는지를 봐야 두 상태가 왜 다른 프로그램을 켜는지 설명할 수 있습니다. 지금 논문에는 기질 데이터가 없습니다.

발달 과정에서 이런 유전자가 몇 개나 될까?

정직한 답은 아무도 모른다는 것이고, 모르는 이유는 세는 방법이 아직 갖춰지지 않아서입니다. 자폐 유전자 기능 연구의 압도적 다수는 녹아웃 하나와 야생형 하나를 비교합니다. 두 점만 있으면 곡률은 원리적으로 관찰되지 않으므로, 문헌에 쌓인 수천 개의 녹아웃 표현형은 이 질문에 아무 정보도 주지 못합니다. 사람 유전체 쪽에서도 사정이 비슷한데, pLI가 1인 유전자에서 양쪽 대립유전자의 손실기능을 모두 가진 사람은 대개 관찰되지 않고 생쥐에서 유전자를 하나씩 없애 표현형을 보는 대규모 프로젝트(IMPC)에서도 상당수 계통이 치사나 준치사로 분류되어 호모 표현형을 볼 기회 자체가 사라집니다. 그러니 곡선의 0 지점은 세포와 오가노이드 모델에서만 찍을 수 있는 점입니다. 우리가 지금 할 수 있는 일은 두 갈래로 보입니다. 하나는 유비퀴틴 경로처럼 생물학적으로 묶이는 유전자 몇 개를 골라 Het과 Hom isogenic 시리즈를 같은 프로토콜로 만들어 곡선의 모양을 실제로 비교하는 것입니다. 다른 하나는 예측 모델 쪽인데, 우리가 만들고 있는 것을 포함해 지금의 교란 예측 모델은 유전자당 반응 하나를 내놓지 반응 곡선을 내놓지 않으므로 용량 축을 모델에 넣는 작업이 선행되어야 합니다. 지금 확실한 것은 유전자 하나에서 곡선이 단조롭지 않다는 사실뿐이고, 그것이 예외인지 규칙인지는 세 점 이상을 재는 설계가 쌓여야 알 수 있습니다. 역시나 생물학은 늘 어렵고 복잡하고, 그러나 재밌습니다.