결정화

배아형성(embryogenesis) 과정에서 세포는 예정화(specification)와 결정화(determination)라는 2단계 과정을 통해 점진적으로 다른 운명에 전념하게 됩니다. 예정화는 초기 배아의 일부를 제거하고, “중립적으로(neutral)” 조직을 (예를 들어) 페트리접시에서 체외배양(in vitro)한 다음 파생물을 관찰함으로써 입증됩니다. 배양된 부위가 배아에서 일반적으로 생성되는 세포 유형을 발생시킨다면, 이는 해당 부위가 예정화했음을 의미합니다. 반대로, 배아의 한 부분을 제거해 다양한 단백질로 보충된 배지나 배아 자체의 다른 영역과 같은 “비중립(non-neutral)” 환경에 놓였는데 여전히 예상한 파생물 생성한다면, 이는 결정화가 발생했음을 의미합니다. 예정화와 결정화는 세포의 발달 경로에서 두 가지 순차적 단계로, 독특한 형태와 기능을 가진 성숙한 조직이 생성되는 분화(differentiation)의 마지막 단계보다 앞섭니다.

체외 예정화 실연

예정화를 연구하기 위해서, 연구자는 먼저 배아의 다른 영역의 정상적인 파생물들을 이해해야 합니다. 이를 달성하기 위해 종종 운명 지도(fate map)가 쓰이는데, 이것은 배아 발달 초기에 세포를 염색하거나 라벨링하고 전체 배아를 배양하여 표시된 세포가 어디에서 끝나는지 모니터링하여 생성합니다. 예를 들어, 이 기술을 닭에 적용했을 때 배아의 중심에서 벗어난 위치에 있는 별개의 영역(약 9시와 3시 위치)이 말초신경계를 이동시키고 생성할 수 있는 신경능선세포(neural crest cell)를 발생시킨다는 것을 보여줬습니다.

중요한 것은, 이러한 신경 능선을 향한 부위는 단백질 표식(marker) 또는 세포 유형의 뚜렷한 특징들을 표현하기 시작하기 전인 낭배형성(gastrulation)의 초기 단계(즉 배아가 3층 구조로 변환될 때)에서 자를 수 있다는 것입니다. 신호 인자의 공급원이 될 수 있는 어떤 기초 조직이라도 긁어내고 잘라낸 외이식물(explant)을 단순한 매체의 콜라겐 방울 안에서 배양하면, 이는 전형적인 신경능선 전사 인자(neural crest transcription factor)를 표현하는 세포를 생성합니다. 흥미롭게도, 일부 세포는 조직 조각의 몸통에서 멀어지는 것을 관찰할 수 있으며, 이는 세포 운명의 또 다른 특징입니다. 이 실험은 신경능선의 예상화가 배아발달 초기에 발생한다는 것을 보여주었습니다. 그리고 이 연구의 많은 부분이 닭에서 수행되었지만, 더 최근 연구에선 토끼에게 있는 유사한 예상화 패턴을 보여주었습니다. 따라서 이 두 생물은 인간 배아발달의 모델로 사용됩니다.

예정화 배후 신호 이해

일단 한 배아 영역의 예정화가 입증되면, 연구자는 단백질 신호와 배아 자체에서 조직의 위치가 어떻게 세포가 특정한 발달 경로로 보내지는지를 알아내는 데 관심이 있습니다. 신경능선 예에서, 연구자들은 예상되는 신경능선의 인접한 조직이나 그 아래 있는 조직이 내뿜는 뼈형성단백질(bone morphogenetic protein)과 섬유아세포성장촉진인자(fibroblast growth factor) 등의 단백질 조합이 세포 운명을 유도한다고 밝혔습니다. 그런 신호들은 차례로 해당 세포에서 예상화 단백질(specifier protein)의 발현을 유도해 신경능선 경로로 보냅니다.