태아 뉴런 4개 중 1개는 DNA가 크게 손상돼 있고, 대부분은 출생 무렵 사라진다

아기가 태어나기 전, 발달 중인 대뇌피질의 뉴런 약 네 개 중 한 개는 여러 염색체의 큰 부분이 중복되거나 누락된 심각하게 뒤섞인 유전체를 지니고 있다. 그러나 유아기가 되면 그런 세포는 대부분 사라진다.

이것은 보스턴아동병원과 하버드의대 연구팀이 태아, 어린이, 성인의 뉴런 하나하나의 DNA를 세포 단위로 읽어낸 결과의 핵심이다. 이 연구는 뇌가 출생 전후에 자신의 세포에 대해 유전적 품질 검사를 수행한다는 점을 시사하며, 이 검사가 실패할 경우 자폐증, 간질 및 기타 신경발달 질환에 기여할 수 있다는 가능성을 제기한다.

그 숫자는 연구자들 자신도 놀라게 했다. 출생 전에 채취한 뇌에서는 피질 뉴런의 평균 25.9%(한 태아에서는 최대 46%)가 연구자들이 ‘광범위한 복제수 변이’라고 부르는, 여러 염색체에 걸쳐 퍼진 DNA 부분의 획득 또는 손실을 지니고 있었다. 출생 후에 채취한 뇌에서는 그 비율이 약 6.2%로, 4배 이상 감소했다.

“우리는 초기 발달에서 이것이 얼마나 흔한지 전혀 예상하지 못했다”고 보스턴아동병원의 신경학자이자 유전학자인 크리스토퍼 월시(공동 선임 저자)는 말했다. 결과가 너무 놀라워서 연구팀은 발표하기 전에 그것이 진짜인지 확인하는 데 수년을 보냈다.

복제수 변이는 이름이 의미하는 그대로다. 대부분의 유전자는 부모 각각에게서 하나씩, 두 개의 사본을 지닌다. 변이가 있는 세포는 DNA 부분의 사본이 두 개 대신 하나 또는 세 개를 지니며, 이는 그 유전자가 생성하는 단백질의 양을 변화시킨다. 뉴런은 이러한 용량 변화에 특히 민감하며, 유전된 복제수 변이는 자폐증, 정신분열증, 간질 및 지적 장애의 알려진 원인이다.

단일 뉴런의 유전체를 읽는 방법

이 연구는 조직은행(주로 NIH 신경생물은행)의 사후 뇌 조직을 사용했다. 산전 샘플은 임신 14주에서 25주 사이의 태아에서 나왔고, 산후 샘플은 유아부터 90세 이상의 사람까지 다양했다. 연구자들은 성숙한 뉴런만을 확실히 보기 위해, 뉴런이 분열을 멈춘 후 자리 잡는 층인 피질판을 잘라내어 분리한 세포의 98%가 뉴런임을 확인했다.

단일 세포에서 전체 유전체를 시퀀싱하는 것은 비용이 많이 들기 때문에, 연구팀은 각 뉴런의 DNA를 매우 낮은 깊이로 읽는 더 저렴한 접근법을 설계했다. 이는 유전체의 저해상도 사진과 거의 같다. 이 방법으로 큰 중복과 결실을 찾을 수 있지만 작은 돌연변이는 찾을 수 없다. 연구팀은 16명의 1,526개 뉴런에 이 방법을 적용하고, 죽어가거나 분해된 세포가 돌연변이로 오인되는 것을 막기 위해 설계된 엄격한 품질 필터를 통과한 1,248개의 유전체만 사용했다.

그런 다음 연구팀은 두 번째 독립적인 방법으로 약 10배 더 깊이 DNA를 읽는 방식으로 12명의 831개 뉴런을 추가로 분석했다. 결과는 동일했다: 출생 전 광범위한 변이를 지닌 뉴런은 33.1%, 출생 후에는 7.2%로 4.6배 감소했다.

세 번째 증거는 현미경에서 나왔다. 태아 뇌 절편에서 피질판 핵의 약 6%가 미세핵(세포 분열 오류의 전형적인 징후인 잘못 배치된 염색체 조각의 작은 주머니) 옆에 있었다. 이 미세핵의 유전 물질은 뒤섞인 뉴런과 같은 시기에 나이가 들면서 사라졌다.

결함이 있는 뉴런이 사라지는 이유

발달 중인 뇌는 뉴런을 과잉 생산한 다음 프로그램된 세포 사멸을 통해 상당 부분을 제거한다. 인간 피질의 경우 발달 중 뉴런의 20%에서 50%가 손실되는 것으로 추정되며, 가장 큰 파동(최대 약 30%)은 출생 전후에 발생한다. 생물학자들은 오랫동안 이런 일이 일어난다는 것을 알고 있었지만, 특정 세포가 선택되는 이유는 알지 못했다.

새로운 데이터가 답을 제시한다. 연구팀은 44,861개의 개별 뇌 세포에서 유전자 활동을 분석한 결과, 많은 복제수 변이를 지닌 뉴런은 시냅스(뉴런 간 연결)를 만들고 유지하는 유전자의 활동이 비정상적으로 낮다는 것을 발견했다. 이들 세포의 일부는 세포 사멸 프로그램의 활동이 높았다. 어린 뉴런은 회로에 연결되기 위해 경쟁하며, 연결을 형성하지 못하는 뉴런은 일반적으로 죽는다.

“이 시냅스 경쟁은 수년 동안 설명되어 왔지만, 유전체 차원의 이해는 뒷받침되지 않았다”고 월시는 말했다. “우리는 이러한 생존 투쟁, 이러한 다윈적 경쟁이 뇌의 자연적 품질 관리 메커니즘이라는 것을 깨닫지 못했다.”

살아남은 뉴런은 의미 있는 특징을 지닌다. 자폐증 관련 유전자와 시냅스 수용 측 유전자를 포함하는 유전체 영역은 나이 든 뇌의 뉴런에서 거의 교란되지 않았는데, 이는 그곳에 손상이 있는 세포가 제거되었음을 시사한다. “살아남는 뉴런은 발달 중 가장 온전한 유전체를 유지한 뉴런일 수 있음을 시사한다”고 이 연구에 참여하지 않은 유니버시티 칼리지 런던의 신경학자 크리스토스 프루카키스가 Nature 뉴스 팀에 말했다.

기존에 알려진 것과의 비교

발달 초기의 유전적 혼란은 새로운 것이 아니다. 초기 인간 배아의 최대 73%는 큰 염색체 오류를 지닌 세포를 가지고 있으며, 뉴런을 생성하는 전구 세포의 최대 30%도 유사한 손상을 보인다. 월시는 불임 클리닉을 언급하며, 비정상적인 세포로 가득 찬 배아가 건강한 아이로 자라는 것을 일상적으로 본다고 말했다. 불분명했던 것은 그 혼란이 성숙한 뉴런까지 생존하는지 여부였고, 성인 뇌에 대한 초기 연구는 상반된 답을 주었다.

이 연구는 두 진영 모두 부분적으로 옳았음을 시사한다. 손상된 뉴런은 출생 전에 흔하고 출생 후에는 드물어진다. 주산기 대량 제거가 끝나면 그 비율은 상당히 안정적으로 유지된다: 2세까지 유아의 약 7.1%, 60세 이상의 약 4.8%가 광범위한 변이를 지닌 뉴런을 가진다. 더 작은 변이를 지닌 뉴런의 느린 제거는 평생 지속된다. 저자들은 자신들의 데이터를 이전 6개 연구와 합쳐, 이 느린 흐름이 60년에 걸쳐 뉴런의 약 13%를 제거하며, 이는 노화 뇌에서 세포 수를 세어 측정한 뉴런 수 감소 약 10%에 가깝다고 추정한다.

손상은 뉴런이 태어나기 전에 시작되는 것으로 보인다. DNA의 절단점은 세포가 분열할 때 일찍 복제되는 영역에 모여 있는데, 이는 성숙한 뉴런(더 이상 분열하지 않음)보다는 전구 세포의 세포 분열 중 오류에서 기대되는 패턴이다.

이 연구가 해결하지 못한 것

이 연구에서 뉴런이 죽는 것을 직접 관찰한 사람은 없다. 모든 뇌는 사후에 한 번만 샘플링되었으므로, 제거는 다른 연령대의 다른 사람들에서 손상된 뉴런의 비율을 비교하여 추론된다. 기증자 수는 적다: 주요 분석에서 산전 9명, 산후 7명. 임신 3분기 샘플이 없어서, 대량 제거의 정확한 시점(출산 전인지 후인지)은 여전히 알 수 없다.

메커니즘은 여전히 상관관계일 뿐이다. 손상된 뉴런은 약한 시냅스 유전자 활동과 강한 세포 사멸 신호를 보이지만, 이 연구는 잘못된 연결이 제거를 유발한다는 것을 증명하지는 않는다. 자폐증과의 연관성도 가설일 뿐이다: 연구팀은 아직 자폐증이나 간질이 있는 사람의 뇌와 없는 사람의 뇌를 비교하지 않았다.

일부 손상된 뉴런은 건강한 뇌에서 노년까지 생존한다. 연구자들은 그 잔여 유전적 다양성이 무해한 부산물인지 아니면 어떤 목적을 위한 것인지 알지 못한다.

뇌 세포와 DNA 오류에 대한 일반적인 질문

뇌는 출생 전후에 뉴런을 잃는가?

그렇다. 발달 중인 인간 피질은 유지하는 것보다 더 많은 뉴런을 만들고, 프로그램된 세포 사멸을 통해 추정 20%에서 50%를 제거하며, 출생 전후에 큰 파동이 있다. 이 연구는 심각하게 손상된 유전체를 지닌 뉴런이 가장 먼저 제거되는 것 중 하나임을 시사한다.

같은 뇌의 모든 뉴런이 동일한 DNA를 가지고 있는가?

아니다. 모든 사람은 유전적 모자이크다. 이 연구에서 산전 뉴런의 약 64%와 6세 이상 사람들의 뉴런 약 22.5%가 적어도 하나의 복제수 변이(중복되거나 누락된 DNA 부분)를 지니고 있었다.

이 발견이 자폐증과 관련이 있는가?

가능하지만 입증되지는 않았다. 살아남은 뉴런은 자폐증 관련 유전자에 손상이 거의 없는데, 이는 대량 제거가 그 유전자를 보호한다는 것을 암시한다. 자폐인에서 이 과정이 다르게 작동하는지 여부는 아직 테스트되지 않았다.

이것이 성인 뇌에 영향을 미칠 수 있는가?

더 작은 DNA 오류를 지닌 뉴런의 느린 제거는 평생 지속된다. 연구자들은 현재 알츠하이머와 같은 신경퇴행성 질환에서 같은 과정이 역할을 하는지 묻고 있다.

다음 단계

이 연구는 2026년 10월 28일 Nature에 게재되었으며 오픈 액세스다. 보스턴아동병원과 하버드 팀은 현재 자폐증 및 기타 신경발달 장애가 있는 사람들의 발달 중인 뇌에서 결함 뉴런의 제거가 다른지, 그리고 같은 메커니즘이 알츠하이머병의 뉴런 손실에 기여하는지 연구하고 있다. “우리는 많은 다른 질병들이 이 과정에서 이상을 보일 수 있다고 생각한다”고 월시는 말했다. “그것은 생각할 수 있는 완전히 새로운 우주를 열었다.”

참고문헌: Shao et al., “Perinatal elimination of genetically aberrant human cortical neurons,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11190-3

태그: 신경과학, Boston Children's Hospital, Harvard Medical School, 뇌 발달, 뉴런, 유전학