화석 기록에는 뇌가 보존되어 있지 않기 때문에 현대 인간의 뇌가 우리의 긴 괄약근 조상인 네안데르탈인과 어떻게 다른지 알 수 없게 된다.
화석화된 두개골에서 우리는 그들의 뇌가 우리보다 약간 더 컸다는 것을 안다. 하지만 그것들은 신경과와 발달에 대해 우리에게 거의 말해주지 않는다.
캘리포니아 샌디에이고 대학의 과학자들은 이 질문에 대답하기 위해 흥미진진하고 자극적인 방법을 생각해냈다. 그들은 네안데르탈인과 다른 고대 호미닌에 속하지만 호모 사피엔스에 속하지 않는 유전자를 운반하기 위해 유전적으로 변형된 뇌 조직의 덩어리들을 만들어냈다.
이 연구가 매우 초기 단계에 있는 동안, 연구원들은 네안데르탈인의 뇌 오르가 노이드들이 뇌가 조직되고 유선화 되는 방법에 상당한 변화를 일으킨다는 것을 발견했다.
캘리포니아 샌디에이고 의과대학 유전체학연구소 줄기세포 프로그램의 교수 겸 소장인 앨리슨 무오트리는 "여기서 문제는 무엇이 우리를 인간으로 만드느냐 하는 것"이라고 말했다.
"우리의 뇌는 왜 우리 자신의 멸종된 친척들을 포함한 다른 종들과 그렇게 다른가?"
신경학
지금까지 이 프로젝트에 8년을 보낸 무오트리는 자신의 작품을 '신경종양학'이라고 부른다.
"뼈 조각이나 (석탄)을 발견해서 그 사회가 어떻게 살았는지, 무엇을 하고 있었는지, 어떻게 서로 연결되었는지 재구성하려고 할 때 - 마음을 이해하려고 할 때. 유전적 차원에서 같은 일을 하고 있다고 말했다.
이 연구는 고대 DNA 염기서열 분석, CRISPR 유전자 편집, 오르가노이드의 세 가지 최첨단 과학 분야를 결합했다. 오르가노이드는 개인의 줄기 세포로 만들어진 작은 기관으로, 암 치료와 같은 의료 혁신 분야의 개인화와 혁명을 통해 신체의 외부에서 안전하게 약물을 시험할 수 있도록 했다.
네안데르탈인의 뇌 오가노이드(왼쪽)는 현대의 뇌 오가노이드(오른쪽)와는 매우 다르게 생겼으며, 세포가 증식하는 방식과 시냅스가 형성되는 방식이 다르다.
무오 트리는 네안데르탈인의 뇌 오르가 노이드는 현대인의 뇌가 둥글고 고른 형태에 비해 "팝콘 모양"이라고 말했다. 그의 팀은 또한 오르가노이드의 뉴런들이 현대의 인간 뉴런들보다 더 빨리 성숙했다는 것을 관찰했다.
"고대 버전 오르가노이드에 있는 뉴런들은 현대 인간보다 초기 단계에서 더 많은 활동을 볼 수 있다. 우리는 확실히 그것을 예상하지 못했다."
그는 침팬지 오르가노이드에 대한 그의 이전 연구에서도 비슷한 활동을 관찰했다고 말했다.
"아기 침팬지는 신생아를 훨씬 능가할 수 있다. 우리는 우리의 아기들이 독립할 때까지 양육할 시간이 필요하다. 우리는 다른 종에서는 그것을 보지 못한다. 여기서 우리가 보고 있는 것은 비슷한 것 같아."
그러나 무오트리는 이것이 투기적이었다고 강조했다. 오가노이드들은 진짜 뇌에서 멀리 떨어져 있다. 첫째로, 그들은 다른 장기와의 연결이 부족하다.
그는 "우리는 이런 고대 판을 가진 인간의 뇌가 어떻게 행동할지 모른다"라고 말했다. "우리가 초기에 보는 이 모든 차이점들은 뇌가 보상할 방법이 있기 때문에 사라질 수 있다."
"그러나 우리는 뇌 발달의 아주 초기, 미묘한 변화가 성인의 뇌에 결과를 가져올 수 있다는 것을 알고 있다. 자폐증과 관련된 유전자를 예로 들어보자."
고대 재료를 사용한 유전자 편집
우리는 이제 우리 중 많은 사람들이 네안데르탈인이라는 것을 안다. DNA는 약 4만 년 전까지 유럽과 아시아 일부 지역에 거주했던 초기 현대 인류와 네안데르탈인의 과거 만남의 흔적을 담고 있다.
초기 인류가 네안데르탈인과 교배했다는 증거는 2010년 유전학자 스반테 페보가 이끄는 과학자들이 네안데르탈인의 뼈에서 고대 DNA를 추출, 염기서열, 분석하는 방법을 개척하고 그들의 게놈을 상세하게 지도화한 이후 나왔다. 특히 아시아에 사는 일부 인간들 역시 고대 인간들의 또 다른 수수께끼 같은 집단인 데니소반스로부터 유전적 유산을 가지고 있다.
UCSD 팀은 먼저 네안데르탈인, 데니 소반인, 현대 인류의 게놈을 비교해서 어떤 유전적 변형이 우리의 가까운 사촌들과 공유되지 않았는지 찾아냈다.
"우리의 특이한 점이 무엇이냐고 물었지? 무오트리는 "현대인과 고대의 인간 사이에 다른 61개의 단백질 코딩 유전자를 갖게 됐다"라고 말했다.
연구팀은 노바1이 현대 인간의 초기 신경 발달에 영향을 미치는 다른 유전자의 "마스터 레귤레이터"로 여겨지기 때문에 노바 1로 알려진 유전자에 초점을 맞추기로 했다. 이 유전자의 변화는 정신분열증이나 자폐증과 같은 정신질환과 관련이 있다고 그는 말했다.
그 후 과학자들은 2020년 노벨 화학상을 받은 크리스퍼 유전자 편집 기술을 이용해 현대판 노바1 유전자를 인간 줄기세포의 고대판과 바꾸고 줄기세포가 오르가 노이드로 자라도록 구슬렸다.
연구에 참여하지 않은 스위스 바젤 대학의 그레이슨 캠프 조교수는 "매우 어려운 일련의 실험"이라고 말했다.
"유기체는 통제하기 어렵다. 만약 그들이 그 안에 모든 제어장치를 가지고 있다면, 사람들은 이 단일 아미노산 변화가 뇌 발달에 강한 영향을 미친다고 믿을 수 있을 것이다. 그 점이 비범하다."
그의 연구실에서 캠프는 오늘날 현대인류에서 발견된 네안데르탈인의 DNA 중 일부가 들어 있는 줄기세포를 이용하여 뇌 오르가노이드를 만들었다.
'우리를 인간으로 만드는 마법의 변종은 없다.'
그러한 대담한 연구에는 자연히 주의사항이 따른다.
"유전자 편집은 완벽한 과정이 아니며 고대 유전자를 인간 세포에 삽입하는 것은 네안데르탈인의 게놈의 실제 모습을 재현하지 못한다"라고 샌프란시스코 캘리포니아 대학의 바카 계산 건강학 연구소의 역학 및 생물통계학 부교수인 토니 카프라가 말했다.
그는 이메일을 통해 "네안데르탈인 변종 오르가노이드 결과는 네안데르탈인의 뇌가 어떻게 발달했는지 반드시 반영한다고 말하기 어렵다"라고 말했다. Capra는 그 연구에 관여하지 않았다.
"이 변화는 인간 게놈의 맥락에서 평가되고 있기 때문에 고대의 변종은 네안데르탈인의 게놈의 모습을 반영하지 못하는 유전적 배경에 있다."
그럼에도 불구하고 카프라 씨는 목요일 사이언스지에 발표된 이 연구에 흥분했다. 하지만 그는 "우리를 인간으로 만든 마법의 변종이 있을 것이라고 기대해서는 안 된다"고 경고했다.
카프라 교수는 "네안데르탈인(또는 침팬지)에 비해 우리를 현대 인간으로 만드는 대부분의 특성들은 유전적으로 매우 복잡하다"라고 말했다. "우리 게놈의 수천 부분은 신경 발달과 인식에 기여한다."
그는 "오르간디스는 단일 세포보다 더 복잡한 환경에서 변형을 실험할 수 있게 해 주기 때문에 흥미롭지만, 우리는 궁극적으로 오르간 디어를 완전히 '네안데르탈 라이즈'해야 할 것"이라고 덧붙였다.
다음으로 무오트리는 연구팀이 확인한 다른 60개의 유전자를 보고자 하며 이들 유전자를 단독으로 그리고 조합하여 바꾸려고 한다. 이를 위해 그는 UC 샌디에이고 고고화 센터라는 새로운 연구소를 세웠다.
최근의 고고학적 발견은 네안데르탈인이 초기 현대 인류와 동일한 인지 능력을 가지고 있다는 것을 암시하고 있지만 화석이나 석재와 같이 신경학적으로 결정적인 해답을 제시할 수 있을 것 같지는 않다고 카프라 박사는 말했다.
"우리는 결코 이러한 개인이 살거나 이런 사건이 발생했던 환경적, 사회적 맥락을 재현할 수 없을 것이다. "환경은 게놈들이 어떻게 자신을 표현하는지 형성하는 데 매우 필수적이기 때문에 우리는 항상 추측해야 할 것입니다, "라고 그는 말했다. "그렇지만, 나는 우리가 앞으로 몇 년 동안 뼈와 게놈으로부터 더 많은 것을 배울 것이라고 생각한다."