사람 외부는 대칭인데, 왜 내부는 비대칭일까?


 완벽한 대칭이라고 할 수는 없어도 인간의 외부 모습은 거의 좌우대칭입니다. 하지만 내부는 분명 비대칭입니다. 왜 신체 외부는 대칭이고, 내부는 비대칭일까요? 의문을 품은 여러 과학자가 이유를 밝히고자 했으나 아직 명확히 밝히지는 못했습니다.


장기 비대칭

(외부는 대칭, 내부는 비대칭)



 먼저 1997년 미국 예일대의 한 연구팀이 발표한 논문을 보면 연구팀은 몸속의 내장이 반대로 위치한 돌연변이 생쥐끼리 교배를 시킵니다. 그렇게 태어난 새끼의 절반은 심장이 왼쪽이 아닌 오른쪽에 있었습니다.


https://www.semanticscholar.org/paper/Mutation-of-an-axonemal-dynein-affects-left%E2%80%93right-Supp-Witte/18f87f7ab13e49e75664fc316f9e077e165e4058


 그리고 돌연변이 생쥐에게서 문제를 일으킨 유전자를 찾아서 왼쪽-오른쪽 다이네인(left/right-dynein(lrd))이라는 이름을 붙입니다. 다이네인은 세포 골격 모터 단백질로 섬모와 편모의 회전 운동, 세포 분열, 세포 내 물질 이동 등 다양한 생물학적 프로세스에 관여합니다.


 내부 장기가 비대칭인 게 다이네인과 무슨 관련이 있는지는 2006년 일본 도쿄대의 연구팀에서 발표한 논문을 보면 됩니다. 논문의 핵심 내용은 배아의 결절(node) 안에 있는 섬모의 회전이 내부 장기의 비대칭을 결정한다는 겁니다.



 배아는 수정 후 첫 8주까지의 태아로 초기에는 좌우가 완벽한 대칭을 이루고 있습니다. 배아는 8주 동안 심장과 간 등의 대부분 장기와 팔, 다리 등의 신체조직을 만드는데, 대칭인 배아가 비대칭이 될 때는 심장을 형성할 때입니다. 3주쯤으로 심장은 곧은 튜브 형태에서 점차 왼쪽으로 굽기 시작하면서 5주쯤이면 성인과 유사한 형태의 심장이 됩니다.


배아기

(배아기)


 이때부터 내부는 비대칭이라고 할 수 있는데, 이를 결정하는 영역이 배아의 정중앙 선에 존재하는 것을 확인합니다. 해당 영역을 결절(node)이라고 하고, 현미경으로 들여다봤을 때 섬모를 달고 있는 세포가 20여 개 정도 있다는 것을 확인합니다. 근데 섬모가 모두 시계 방향으로 회전하고 있었습니다. 이 회전으로 결절 내부의 유체도 회전하고 있었고, 바로 이 회전이 심장을 왼쪽에 위치하도록 했다고 설명합니다.


노드 섬모

(노드 영역의 세포와 섬모)


 이와 관련해 미국 메모리얼 슬론-케터링 암센터 연구팀에서 쥐의 유전자 중 섬모의 움직임을 조절하는 유전자를 조작해봤는데, 장기의 위치가 반대로 만들어지는 것을 확인했습니다. , 노드 영역의 섬모 회전이 신체 내부 비대칭의 원인이라는 겁니다.



 그리고 2004년 미국 솔크 생물학 연구소에서 발표한 논문을 보면 닭의 유전자를 조작해 칼슘 합성이 안 되도록 했더니 심장의 위치가 기형적으로 변했다고 합니다. 칼슘을 다시 공급해주자 정상으로 돌아오는 것을 통해 뼈의 주성분인 칼슘도 심장의 위치 결정에 관여한다고 설명합니다.


http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DEVO_04/devo_04.html


 해당 내용에 관한 추가 설명은 2013년 일본의 연구팀에서 발표한 논문을 보면 됩니다. 노드의 섬모가 기울어질 때 칼슘을 방출하고, 칼슘이 노달(세포에 신호를 전달하는 분비성 단백질)을 분비하여 배아의 왼쪽에만 퍼지도록 했다고 합니다.


 여기까지 노드 영역의 섬모 회전과 칼슘 등이 내부 비대칭에 관여한다는 것은 알겠는데, 외부는 어떻게 대칭을 유지하는 걸까요? 미국 솔크 생물학 연구소에서 2005년 발표한 논문에 답이 있습니다. 논문에 따르면 레티노산(비타민A)이 배아 초기의 비대칭 신호 영향을 완화해서 외부가 대칭으로 발달할 수 있도록 한다고 설명합니다.


장기

(Wikipedia)


 근데 왜 우리 신체는 내부 장기를 비대칭으로 만들려고 하는 걸까요? 이 또한 명확히 밝혀진 내용은 아니나 기능적 효율성 때문일 것이라는 주장에 대부분 과학자가 동의합니다. 만약 내부 장기가 대칭으로 되어 있다면 많은 공간이 남고, 장기도 제 기능을 못 합니다.



PS. 명확히 밝혀진 내용이 아니라서 다양한 논문 자료를 참고해봤습니다. 참고할 논문 자료가 많고, 내용이 어려워서 글이 뒤죽박죽입니다. 재밌는 질문이라서 해결하고자 욕심 좀 내봤습니다~!

Copyright. 스피드웨건. (유튜브 등 불펌 금지)