바이오인

 

□ 국내 연구진이 대장조직에 숨겨진 암발생 억제 메커니즘을 규명해냈다. 대장조직에 내재된 방어 메커니즘이 밝혀짐에 따라 대장암 발병에 대한 이해를 돕는 계기가 될 것으로 기대된다.

 

o KAIST 바이오및뇌공학과 조광현 석좌교수(교신저자)가 주도하고 송제훈 박사과정 연구원(제1저자)이 참여하였으며, 영국 암연구소 오웬 삼손 박사와 데이비드 휴웰, 레이첼 리지웨이, 아일랜드 연구소 보리스 콜로덴코, 월터 콜치 박사가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행되었고 연구결과는 셀(Cell) 자매지 셀 리포트(Cell Reports)지 온라인판 3월 28일자에 게재되었다.

 

* 논문명 : The APC network regulates the removal of mutated cells from colonic crypts

 

□ 생명체는 손상된 조직을 스스로 복구할 수 있지만 복구를 위한 세포분열 과정에서 암을 일으킬 수 있는 유전자 변이가 생길 수 있다. 이는 빠른 세포분열 속도와 소화과정에서의 독성물질 때문에 유전자 변이 확률이 높은 대장의 장샘*에서 특히 문제가 된다.

* 장샘(crypt) : 대장 표면을 형성하는 약 2000여개의 세포로 구성된 동굴모양의 상피

 

□ 연구팀은 유전자 변이로 발암 가능성이 높아진 세포를 대장의 장샘에서 빨리 내보내는 방식으로 대장조직이 빠르고 빈번한 조직재생과정에서 암 발생을 억제한다는 것을 알아냈다.

 

o 변이된 세포의 장샘 체류시간을 줄여 비정상적 세포분열을 억제하는 방어 메커니즘이 대장에 내재되어 있다는 것이다.

 

□ 방대한 수학모델 시뮬레이션 결과 유전자 변이에 의해 윈트신호전달*이 강화된 변이세포는 정상세포에 비해 접착력이 높아지면서 장샘의 위쪽으로 더욱 빠르게 이동, 장샘을 벗어나 장내로 배출되기 쉬운 것으로 나타났다.

* 윈트 신호전달(Wnt Signaling) : 세포의 증식과 분화에 관여하는 신호전달 경로로 배아발달이나 성체조직의 항상성 관리에 특히 중요하다. 세포 외부에서 윈트 신호가 들어오면 베타 카테닌을 분해시켜 농도를 낮게 유지해 주는 분해복합체가 억제되면서 세포증식을 돕는 표적 유전자들이 발현되어 세포증식이 일어나게 된다.

 

o 유전자 변이로 윈트 신호전달회로의 핵심인자인 베타 카테닌이 분해되지 못하면 축적된 베타 카테닌이 세포증식을 활성화시키는 한편세포 접착력을 높이게 되는데, 장샘 조직의 특수한 환경과 비슷한 접착력을 가진 세포들이 모이려는 성질로 인해 결국 변이된 세포를 배출시켜 조직의 항상성을 유지한다는 것이다.

 

□ 실제 생쥐모델에서도 비정상적인 장샘 조직의 경우 증식이 활발한 세포가 오히려 느리게 이동하는 것으로 나타나 이같은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있었다. 

 

o 조 교수는 “본 연구는 컴퓨터 시뮬레이션으로 다세포 생명체가 비정상적 세포 변이에도 불구하고 조직의 항상성을 유지하도록 정교하게 설계되어 있음을 규명한 것으로 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구를 통해 복잡한 생명현상의 숨겨진 원리를 파악할 수 있음을 보인 것” 이라고 밝혔다.

 

 

 

 

다세포 생명체가 단세포 생명체에 비해 유리한 점은 손상된 조직을 스스로 복구할 수 있다는 점이지만, 그러한 자가 복구 과정에는 필연적으로 암을 일으킬 수 있는 유전자변이가 동반된다. 그 이유는 자가 복구가 근본적으로 복제오류 가능성을 지니는 세포분열에 기반하기 때문이다. 이는 다세포 생명체가 지니는 필연적인 딜레마이며 안정적인 조직재생을 위해서 반드시 해결되어야 하는 문제이다.

 

이러한 문제는 인체 내에서 자가 복구에 의한 세포분열 속도가 가장 빠르며, 음식물 소화과정에서 발생하는 독성물질에 의해 형성되는 나쁜 환경에 처해있어서 유전자변이의 확률 또한 높은 대장 점막의 장샘(crypt)이라 불리는 기저조직에서 특히 중요하다. 본 연구팀은 그러한 조직재생과정에 동반될 수 있는 발암 가능성을 극복할 수 있도록 우리 몸이 진화적으로 갖추고 있는 숨겨진 방어메커니즘을 조직수준의 수학모델 시뮬레이션 분석과 생체실험을 통하여 규명하였다.

 

장샘조직의 세포증식에 관여하는 윈트(Wnt) 신호전달경로는 대장표면의 항상성 유지에 필수적이지만, 윈트 신호전달경로의 과도한 활성은 대장암 발병의 주요 원인이 된다. 다른 성장인자 신호전달경로와 달리 윈트 신호전달경로가 특별히 흥미로운 점은 세포증식을 유도하는 전사인자로 기능하는 베타카테닌(β-catenin)이 동시에 세포와 세포사이의 접착 조절에도 관여한다는 점이다. 그러한 베타카테닌의 두 가지 서로 다른 기능은 현재까지 개별적으로만 연구되어져 왔을 뿐, 통합적 관점에서 연구된 사례는 거의 없었다.

 

본 연구팀은 그러한 베타카테닌의 두 가지 기능을 통합적으로 설명하기 위한 수학모델을 개발하였다. 윈트신호전달과 이카드헤린(E-cadherin)이 통합된 수학모델은 기존에 보고된 실험데이터들을 모두 모순 없이 설명할 수 있었고, 특히 다음과 같은 세 가지 특징을 가진다는 것을 밝혔다.

 

첫째, 베타카테닌의 윈트신호전달과 이카드헤린에 의해서 조절되어지는 세포간 접착의 기능적 균형은 세포질 및 세포막 구획을 연결하는 에이피시(APC)의 운반자적 역할에 의해 조절된다. 둘째, 이카드헤린과 에이피시는 협력적으로 윈트신호전달을 억제한다. 다시말해, 이카드헤린과 에이피시가 단독으로 기능할때 보다 훨씬 효율적으로 윈트신호전달을 억제할 수 있다. 셋째, 베타카테닌의 증가는 전사 신호전달(TCF:β-catenin) 및 세포접착복합체(β-catenin:E-cadherin)의 농도를 모두 증가시킨다. 사실, 베타카테닌의 전사적 신호전달기능이 결과적으로 이카드헤린의 발현을 억제할 수 있지만 베타카테닌의 증가는 에이피시와의 상호작용에 의하여 접착복합체의 양을 오히려 증가시킨다. 이것은 베타카테닌 및 에이피시, 그리고 이카드헤린의 상호작용에 의한 창발적(emergent) 현상인 것이다.

 

베타카테닌의 비정상적 증가는 신호전달 복합체(β-catenin:TCF)의 증가를 유발하고 그 결과 무분별한 세포의 증식을 가져올 수 있다는 점은 잘 알려져 있다. 반면, 세포접착의 강화가 가져오는 효과는 단일세포 수준에서는 이해되기 어려운 것이었다. 본 연구팀은 세포접착의 변화가 만들어내는 효과를 세포 군집 수준에서 조사하기 위하여, 스테인버그가 제안한 세포접착차이론(Differential adhesion theory)을 도입하였다. 실험과 컴퓨터시뮬레이션 등에 의해서 광범위하게 증명된 세포접착차이론의 흥미로운 한 가지 명제는 “주변세포와의 세포간 접착력에 차이가 발생하면, 그 차이를 감소시키도록 세포들의 위치가 재배열된다”는 것이다(Steinberg, M.S. Differential adhesion in morphogenesis: a modern view. Current Opinion in Genetics and Development 17, 281–286, 2007).

 

본 연구팀은 세포증식의 증가와 접착력차이에 의한 세포의 재배열이 유발하는 장샘조직내에서의 기능적 효과를 밝히기 위하여 세포접착차이론에 기반한 개별세포 이동모델(Individually migrating cell model)을 개발하였다. 특히 장샘에 구조적으로 형성된 세포접착의 구배가 형성되어지는 원리와, 세포접착의 구배가 세포들의 재배열에 미치는 효과를 시뮬레이션 분석하였다. 분석결과, 장샘의 수직구조를 따라 형성되는 에이피시 발현 프로파일이 베타카테닌의 윈트신호전달과 세포접착 기능의 균형을 조절함으로써 세포접착의 구배(gradient)를 형성하게 하는데 결정적인 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 흥미롭게도 이러한 세포접착 구배는 유전자 변이 등의 이유로 베타카테닌의 양이 증가되어진 과증식성 세포들이 장샘조직 위쪽으로의 이동을 가속화함으로써, 암을 일으킬 수 있는 변이 세포들을 대장 내강으로 더욱 효율적으로 배출해내게끔 한다. 이는 세포접착의 구배 뿐만 아니라 세포접착차이 모두에 종속적으로 장샘세포들이 이동하는 방향을 결정하기 때문이다. 즉, 조직화된 장샘 조직 세포들의 집단적인 행동에 의해서 세포접착력의 차이에 근거한 방향성 있는 힘이 유도되어지고, 그 결과 비정상적으로 증식하는 세포들의 조직 내 생존시간은 결과적으로 감소되는 것이다. 조광현 교수 연구팀은 이러한 결과들에 기반하여 장샘조직이 암발생의 가능성이 있는 변이 세포들의 이동을 조절함으로써 능동적으로 암의 진화를 억제하는 메커니즘을 내재적으로 지니고 있음을 최초로 규명하였다.

 

더 나아가 실제의 생리적 현상을 보다 정확히 반영하기 위하여 세포들의 내생적 편차를 고려하였다. 이는 모델의 예측결과를 생체(in vivo)모델로 실험하여 검증하기 위함이다. 시뮬레이션 분석에 의해서, 정상 장샘에서 증식률이 상대적으로 높은 세포들의 장샘내 생존시간이 증식률이 낮은 세포들에 비해서 상대적으로 짧다는 것을 밝혔다. 이러한 분석결과는 증식률을 높이는 유전적 변이를 내포한 세포들에게 일종의 불이익이 부여된다는 것을 의미한다. 그러나, 에이피시 변이가 있는 장샘에서는 증식률이 높은 세포들이 장샘의 외부로 배출되는 속도가 상대적으로 느려진다. 그 결과 증식률이 높은 세포들은 추가적인 변이를 획득할수 있는 더 높은 가능성을 얻게되고 결국 암화가 촉진될 것이다. 이러한 수학모델의 예측은 베타카테닌 변이 및 에이피시 변이들을 가지는 유전자조작 마우스의 장샘에서 증식세포들의 이동을 추적함으로써 확인되었다.

 

IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학(Systems Biology) 연구를 통하여 대장조직인 장샘의 구조에 숨겨진 조직 항상성을 위한 전략을 규명하였다. 밝혀진 전략은 비정상적으로 과증식하는 세포들에게 생존시간의 감소(일종의 벌점)를 부과함으로써 암의 발생을 방지한다는 것이다. 이 연구결과는 장샘의 암화를 방지하기 위해서 세포내의 신호전달, 해부학상의 장샘 구조, 그리고 세포접착 구배가 조직의 항상성 관리를 위하여 협력하는 메커니즘으로 설계되어져 있음을 밝힌 것이다. 컴퓨터 시뮬레이션의 핵심결과와 그것의 생리학적 연관성은 대장암에 대한 유전자조작 마우스 모델을 이용하여 확인되었다.

 

이 연구는 생명현상의 수학모델링과 대규모 컴퓨터시뮬레이션을 통해 다세포 생명체의 조직이 비정상적 세포변이로부터 조직의 항상성을 유지할 수 있도록 매우 정교하게 설계되어져 있음을 규명해냄으로써 정보기술(IT)과 생명과학(BT)이 융합된 시스템생물학 연구를 통해 복잡한 생명현상의 숨겨진 원리를 파악할 수 있음을 보였다. 특히 대장의 장샘조직이 조직 내 암의 진화를 애초에 억제할 수 있는 메커니즘을 내재하고 있다는 놀라운 사실을 밝힘으로써 대장암 발생에 대한 이해를 한 단계 높이게 되었다.

 

더 나아가, 본 연구결과는 대장암을 치료하기 위한 신약개발의 개발 방향에 대한 새로운 통찰을 제시하였다. 예를 들면, 이카드헤린과 베타카테닌의 상호작용은 장샘조직의 항상성에 결정적 역할을 하기 때문에, 윈트신호전달의 활성을 억제하려는 목적으로 베타카테닌과 티시에프의 상호작용을 억제하는 베타카테닌 표적약물을 설계하는 경우에는 이카드헤린과 베타카테닌의 상호작용 강도를 낮추지 않도록 설계되어야 함을 알 수 있다.

 

 

 

 

○ 생명과학분야 권위지인 셀(Cell)지의 첫 번째 오픈억세스(Open Access) 자매지로서 생물학분야의 주요 연구결과를 격주로 발간하는 전문학술지

 

2. 시스템생물학(Systems Biology)

○ 복잡한 생명현상이 단일인자에 의한 것이 아니라 여러 구성인자들의 복합적인 상호작용에 의한 것임에 주목하고 수학모델링과 컴퓨터시뮬레이션, 분자 세포생물학 실험을 융합하여 접근함으로써 시스템 차원의 근본적인 메커니즘을 규명하는 21세기의 새로운 융합연구 패러다임

○ 세포증식이 일어나는 조직에서 복제가 진행 중인 DNA에 선택적으로 BrDU (5-Bromo-2´-Deoxyuridine)가 DNA에 끼어들도록 함으로써 표식이 되게 한다.

○ 이번 연구에서는 장샘의 상단방향으로 이동하는 장샘조직의 세포군집중, 증식성 세포들의 이동을 선별적으로 추적하는데 이용됐다.

○ 상이한 종류의 조직 세포들을 뒤섞어 놓으면 같은 종류의 세포들끼리 모이는 현상이 관찰된다. 이러한 세포정렬 현상은 조직의 경계를 정교하게 형성하는 과정을 주도하기 때문에 개체의 발생과정을 포함한 조직항상성 관리에 중요하다.

○ 스타인버그(Malcolm S Steinberg)에 의하면 이러한 정렬현상은 접착성 접합(adhesion junction)에 의한 세포접착에 의한 것이며 세포들은 접착차이를 최소화하도록 세포 상호간의 위치를 조정한다는 것이다.

○ 이러한 접착차이이론은 실험과 컴퓨터 시뮬레이션 등을 통해 검증된 바 있다. 참고로 대장점막 상피세포들의 세포간 접착은 이카드헤린(E-cadherin)에 의해서 매개된다.

 

○ 윈트 신호전달경로는 세포의 증식 및 분화에 관여하는 가장 중요한 신호전달경로로서 특히 배아발달과정 및 성체조직(예: 대장상피점막조직)의 항상성 관리에서 중요한 역할을 한다. 세포 외부의 윈트신호가 감지되면, 에이피시 /지에스케이3베타/엑신으로 구성되는 분해 복합체의 기능이 억제되고 세포질내 베타카테닌의 농도가 증가되며, 그 결과 윈트표적유전자들이 발현되게 된다. 조광현 교수팀이 이번 연구에서 주목한 점은, 윈트 신호전달경로의 핵심 단백질인 베타카테닌이 세포증식 뿐만 아니라 세포막에서 접착복합체를 형성함으로써 세포간 접착의 핵심적 요소로도 기능한다는 것이다.

 

○ 발암억제유전자(tumor suppressor)로 이 유전자의 변이는 대다수의 대장암 환자에서 발견된다. 변이가 생기면 베타카테닌의 농도상승을 억제할 수 없게 되어 무분별한 세포증식이 야기될 수 있고 그 결과 종양이 형성될 수 있다.

○ 세포외부에 성장을 지시하는 신호가 없을 때 윈트 신호전달경로가 무분별하게 활성화되는 것을 억제한다. 성장신호가 없을 때는 지에스케이3베타(GSK3β) 및 엑신(Axin)과 분해복합체를 형성하여 베타카테닌의 농도를 낮게 유지한다. 베타카테닌의 농도가 높아지면 세포는 증식에 필요한 유전자들을 발현시키고 그 결과 세포분열이 일어난다.

 

○ 대장표면을 형성하는 동굴 모양의 미세조직으로 대장표면 조직의 재생을 수행하는 단위조직으로 하나의 장샘은 약 2,000여개의 세포들로 구성된다.

○ 대장표면은 음식물 소화시 발생하는 독성물질로 끊임없이 파괴된다. 때문에 항상성을 유지하기 위해 개개의 장샘조직들은 빠르게 다시 증식하는 특성을 가지고 있고 이는 유전자변이에 취약한 조건이다. 하지만 인간이 육식 섭취량을 늘리기 전까지는 대장조직에서는 암이 거의 발병하지 않은 것으로 보아 대장상피 조직에 발암을 억제할 수 있는 장치가 숨어있음을 암시한다.

 

○ (1) 장샘 세포들은 모두 장샘의 바닥부분에 위치한 줄기세포 및 전구세포들에서 생성된다. (2) 장샘 세포들은 장샘의 위쪽방향으로 이동하면서, 일정시간동안 대장상피점막 세포로서의 기능을 수행한다. (3) 이후, 장샘 세포들은 대장의 내강 안쪽으로 떨어져 나간 후 생을 마감한다. 연구팀은 개별 세포들이 이 같은 동일한 패턴을 가지는 점을 고려하여 장샘 조직의 바닥에서 위쪽으로 이동하는 하나의 세포에 대한 동역학적 분석을 수행할 수 있는 수학모델을 개발하였다.

 

세포의 자가복구는 다세포생명체가 손상된 조직을 재생하기 위한 필수적인 과정이지만동시에 암을 일으킬 수 있는 체세포 변이의 위험성을 수반한다. 그렇다면 어떻게 이런 딜레마가 생체조직 내에서 해결될 수 있는 것인가?

이 문제는 재생속도가 빠르고 다양한 변이인자에 노출이 많은 대장조직에서 특히 중요하다. 연구팀은 대장 장샘의 세포증식과 이동에 관한 수학모델 시뮬레이션과 생물학적 시험을 결합한 시스템 생물학 연구를 통해 그 분자적 메커니즘을 규명하였다.

장샘 조직 상단으로 이동하는 단일세포의 동역학 특성을 분석함으로써 암의 발생을 방지하는 장샘의 숨겨진 메커니즘을 밝힌 것이다. 그림은 실험용 생쥐에서 추출한 대장조직의 현미경 사진 위에 규명한 메커니즘을 그림으로 도식화 한 것이다.

 

                                      

(A) 수학모델 개발에 이용된 장샘의 해부학적 구조 및 윈트 리간드, 신호전달복합체, 에이피시, 이카드헤린과 같은 분자 프로파일

(B) 특히 베타카테닌이 윈트신호전달에 의한 세포증식과 세포간접착복합체 형성에 의한 세포 간 접착에 관여한다는 사실에 기반하여 세포내 분자상호작용 네트워크를 기술하는 수학모델을 개발하였다.

(C) 컴퓨터시뮬레이션 분석 결과 대장의 장샘이 비정상적으로 과증식하는 세포에 대해 생존시간의 감소(일종의 벌점)를 유도하여 장샘 내 세포의 증식률을 낮은 수준으로 유지함을 밝혔다. 이러한 장샘의 조직내 암화를 방지하는 항상성 관리는 세포내 신호전달, 해부학상의 장샘 구조, 그리고 세포접착 구배가 상호 협력하는 메커니즘에 의해서 통합적으로 달성되는 것임을 밝혔다.

      

   

(A) 수학모델 구축을 위해 베타카테닌의 이중적 기능, 즉 신호전달기능과 세포 간 접착 기능을 우선적으로 고려하였다.

(B) 베타카테닌과 그 상호작용 파트너와의 관계는 생화학 반응으로 기술되는데 생화학 반응은 베타카테닌의 분해와 베타카테닌-티시에프 복합체에 의한 신호전달, 에이피시 운반기와의 상호작용, 세포접착복합체의 형성을 포함한다.

(C) 베타카테닌은 에이피시, 티시에프, 이카드헤린과 상호작용하여 복합체를 형성할 수 있으므로, 이를 각 상호작용 웅덩이 간의 베타카테닌 상호교환으로 도식화하였다.

(D) 장샘 및 장샘의 길이방향으로 형성되는 분자의 농도구배를 도식화하였다. 붉은 색으로 표시한 줄기세포에서는 세포가 생성된다. 생성된 세포들은 이후 위로 이동하면서 성숙해진다. 성숙해진 세포들은 일정시간 기능수행을 하다가 장샘의 위쪽에서 떨어져 나가 사멸한다.

   

 

(A) 이카드헤린 발현을 억제시킨 세포주에 윈트자극을 가한 후 베타카테닌의 농도 증가에 대한 시계열 프로파일을 예측함

(B) 이카드헤린 발현의 증가는 베타카테닌-티시에프 복합체의 활성을 억제함으로써 윈트신호전달을 억제함

(C) 자극이 가해지지 않은 조건(예: 윈트자극 및 에이피시변이 부재)하에서 베타카테닌 분포의 시계열 안정화 동역학 프로파일이 시뮬레이션을 통하여 얻어짐.

(D,E) (D)신호전달 복합체(베타카테닌:티시에프)의 정상상태 농도, 이카드헤린 총량(E)이 에이피시 발현 및 윈트 자극의 변화에 따라서 그래프로 나타내져있다. 영역 1과 2는 윈트 자극에 대해서 상이한 반응을 보이는 영역을 가리킨다. 검정색 선은 낮은 윈트 자극을, 초록 및 파랑 그리고 보라색 선들은 증가하는 윈트자극을 나타낸다. 빨강 선은 높은 윈트 자극을 나타낸다. 패널E의 화살표는 영역 1과 2에서의 윈트 자극의 증가방향을 표시한다.

(F) 윈트 자극에 반응한 신호전달과 세포접착 기능치의 순서쌍이 위상평면상에서 추적되었다.

(G-J) 신호전달 및 세포접착 기능간의 동적조절. (G) 이카드헤린과 티시에프 간의 베타카테닌에 대한 상호작용 경쟁은 신호전달과 세포접착기능 사이에 상호배척효과를 야기한다. 정상 에이피시를 가진 세포들에서, 베타카테닌은 에이피시에 의해서 세포막으로 효율적으로 전달되어진다. 세포막으로 전달된 베타카테닌은 이후 이카드헤린과 복합체를 형성한다. 만약, 정상기능을 수행하는 에이피시의 농도가 감소되면(예를 들면, 에이피시유전자 변이 상황에서), 베타카테닌의 티시에프 결합은 이카드헤린 유전자발현을 억제하는 슬러그(Slug)의 전사를 증가시킨다. (H) 에이피시 발현이 낮으면, 증가되어진 세포외부의 윈트 자극에 의한 신호전달 복합체는 이카드헤린을 억제한다. (I) 중간 량의 에이피시 농도에 대해서는, 윈트 자극은 신호전달 복합체와 세포접착 복합체의 양을 모두 증가시킨다. (J) 높은 수준의 에이피시 발현에 대해서는, 에이피시는 윈트 자극에 대한 신호전달과 세포접착의 변화 감도를 감소시킨다.

(A) 장샘세포들은 장샘의 위쪽으로 스스로 이동한다고 가정한다. 그러므로 세포내 베타카테닌 상호작용 네트워크는 장샘의 높이에 대해서 종속적으로 변한다.

(B) 에이피시는 신호전달복합체(베타카테닌:티시에프)를 저해하는 역할을 하지만 세포접착복합체(베타카테닌:이카드헤린)의 형성을 촉진하는 역할을 수행한다. 따라서 장샘의 높이에 따른 에이피시의 차등유전자발현이 신호전달과 세포접착의 기능적 균형을 조절한다.

(C) 상피조직내의 세포의 위치를 지배하는 힘에 대한 모델의 도식화

(D-J) 에이피시와 윈트리간드 프로파일에 대한 임의매개변수(난수생성에 의한)를 이용한 개별세포이동 모델의 시뮬레이션. 베타카테닌(D), 이카드헤린(E), 신호전달복합체(F), 세포접착 복합체(G) 프로파일들이 개별세포이동 모델로부터 생성되어졌다. (H,I) 상당한 개수의 임의매개변수들이 장샘 프로파일들을 성공적으로 재생하였다. 이는 개별세포이동 모델의 일반적 행동이 알려진 실험데이터들을 설명할 수 있다는 것을 의미한다. CAT, CAD, SIG, ADH는 각각 베타카테닌, 이카드헤린, 신호전달 복합체, 세포접착 복합체의 프로파일을 가리킨다. TRUE 및 FALSE는 재생된 프로파일이 정성적으로 실험데이터에 일치하는지 여부를 가리킨다. (J) 개별세포이동 모델은 세포접착복합체의 양이 장샘을 따라서 증가한다는 것을 예측한다.

 

(A, B)패널은 추가적인 윈트 자극이 없는 경우이고 (D)는 추가적인 윈트 자극이 있는 경우이다. 추가적인 윈트 자극은 더 높은 증식가능성을 가진 세포들을 모사하기 위해서 가해진다. (A, B) 시뮬레이션에 의해서 얻어진 베타카테닌(빨강) 및 이카드헤린(초록), 신호전달복합체(빨강), 세포접착복합체(초록)의 장샘 프로파일. 정상장샘(첫째 행)에서 시뮬레이션 프로파일들은 기존의 실험들과 부합하였다(윈트신호전달, 이카드헤린, 베타카테닌). 에이피시 유전자 변이된 장샘(둘째-넷째 행)에서, 이카드헤린 프로파일(A의 초록 선)과 이카드헤린:베타카테닌(B의 초록선)은 그것의 정상장샘에 비해 점차적으로 뒤집히는 것을 확인할 수 있다. 베타카테닌 프로파일 (A의 빨강 선)은 변이된 장샘에서 감소하는 양상을 보였다. 야생형 장샘의 증가하는 양상과는 달리, 반면 윈트신호전달 프로파일(B의 빵강 선)은 변이된 장샘 및 정상 장샘 모두에서 감소하는 양상을 보였다.

(C) 세포접착 구배는 수치적으로 계산되어졌고 각 행은 (B)의 세포접착 곡선(초록)에 부합하는 세포접착 구배를 보인다.

(D) 정상(첫째 행)과 에이피시 유전자 변이된 장샘(둘째-네째 행)에서 윈트자극이 가해지기 전, 후에 증가되어진 베타카테닌의 차등 세포접착( adhesion)과 차등 신호전달( signaling)에 미치는 영향이 조사되었다. 그 결과, 증가되어진 베타카테닌에 의해서 정상(첫째 행) 및 에이피시 유전자 변이된(둘째-네째 행)장샘에서는 신호전달과 세포접착이 모두 향상된다.

(E) 베타카테닌 농도 변화는 세포접착의 차이를 유도하고 그 결과 세포를 이동시키는 힘이 야기된다. 그러한 힘은 세포접착구배(C)와 세포접착차이(D)에 의해서 추론된다.

(F) 세포접착차이에 의해 야기되는 힘(E)에 의한 세포이동의 변화를 도식적으로 나타낸다.

 

 

(A) 야생형 장샘(첫째 행) 및 에이피시 유전자 변이된 장샘(둘째 행), 베타카테닌 유전자 변이된 장샘(셋째 행)에서, 이질적 세포군집에 의한 세포 재배치의 효과를 조사하는 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 여기서 이질성은 균등하게 취해진 100개의 표본세포(첫째와 둘째 열)에 대해서 가해진 랜덤 노이즈를 노이즈가 없는 기준 분자 프로파일(파랑 파선)에 추가함으로써 모사된다. 표본세포들의 초기위치들은 세포 재배치에 의해서 최종위치로 변경된다. 이러한 세포재배치가 가져오는 윈트신호전달 및 세포접착의 분포(셋째와 네째 열)가 변화되는 양상이 조사되었다. 빨강 점 및 초록 점들은 기준 분자 프로파일에 대한 양과 음의 편차를 각각 가리키고, 빨강 및 초록 화살표들은 빨강과 초록 점들의 이동 방향을 각각 가리킨다.

(B,C) 동형 에이피시 유전자 변이와 동형 및 이형 베타카테닌 변이들을 가지도록 유전자 조작된 생체모델(실험용 마우스)을 사용하였다(B,C). APCfl/fl(동형) 및 β-cateninexon3/+(이형), β-cateninexon3/exon3(동형) 유전자변이 실험용 마우스 (B, 첫째 행)의 대장 조직에 대해서, BrDU주입 후 2시간 이후에 BrDU 양성으로 마크된 세포들은 장샘의 증식영역(주로 아랫부분)에 한정된다. BrDU 주입 후 48시간 이후 장샘의 BrDU양성 세포들은 장샘의 윗쪽 방향으로 이동하였음을 가리킨다(B, 둘째 열). 에이피시 유전자 변이의 경우에는 동형 변이를 가진 생체모델이 사용되었다 (C, 둘째 열). 베타카테닌 변이의 경우에는 이형 변이(C, 셋째 열) 및 동형 변이(C, 넷째 열)를 가진 생체모델이 사용되었다. 본 연구팀은 BrDU 주입 후 2시간 및 48시간 후 BrDU가 마크된 세포들을 관측하였다. BrDU가 주입 후 2시간 이전에 DNA내에 포함되어지기 때문에 2시간에서의 BrDU마크는 증식영역의 위치를 가리킨다. BrDU 주입 후 48시간에서 장샘 내 세포의 이동과 증식이 관찰되었다. 본 연구팀은 증식성 세포들의 위치와 개수를 정량화하였고(C, 좌측) BrDU 표식 된 세포군집의 이동을 측정하기 위하여 누적빈도를 계산하였다(C, 우측). (C)의 화살표는 BrDU 표식된 세포군집의 이동거리를 가리킨다. 표본 마우스마다 50개의 ½장샘이 기록되었는데, 여기서 유전자 형마다 적어도 3개의 다른 실험용 마우스가 사용되었다.

   

 

(A) 세포접착의 기울기에 의하여 안내되는 세포이동과정이 도시되었다. 추가적 베타카테닌을 가지는 변이된 세포(빨강)는 세포접착성이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 세포접착 차이를 최소화시키기 위하여 세포위치가 재배치된다.

(B) 정상 장샘 세포들은 윈트신호전달 경로가 과활성화된 변이세포들을 장샘의 위쪽방향으로 가속시켜서 떨어져 나가기 용이하게 한다.

(C) APC 변이된 장샘에서는 세포접착구배가 반전된다. 그 결과, 변이된 세포들이 장샘의 아랫방향으로 이동하게 됨으로써 장샘 내에 더 오래 머물게 된다.