개요편집이의 제기
재생(再生, regeneration)은 생물학에서 유전체, 세포, 개체, 생태계가 자연적 변동이나 손상·교란 사건에 견디게 만드는 갱신·복원·성장의 생물학적 과정을 뜻한다[1]. 모든 생물종은 박테리아부터 사람에 이르기까지 재생 능력을 지니며, 새로 생성된 조직이 잃어버린 조직과 같은 특성을 보이는 ‘완전 재생’과 사멸 조직이 섬유화하는 ‘불완전 재생’으로 나뉜다[2]. 가장 기초적인 수준에서 재생은 유전자 조절이라는 분자적 기제를 통해 매개되며, 세포 증식·형태발생·세포 분화 같은 세포 과정을 수반한다[3]. 그러나 생물학에서 재생은 주로 다세포 생물이 생리적·형태적 완전성을 수리·유지하게 하는 형질의 표현형적 가소성을 특징으로 하는 형태발생적 과정을 가리킨다[2]. 유전자 수준 이상에서는 재생이 근본적으로 무성 세포 과정에 의해 조절되며[2], 번식과는 구별된다. 예컨대 히드라는 재생 능력이 있지만 발아(budding)로 번식한다[2][3].
역사·유래편집이의 제기
재생 연구의 역사는 19세기 후반으로 거슬러 올라간다. 편형동물 플라나리아를 이용한 재생 연구는 1800년대 후반에 시작되어 20세기 초 T. H. 모건에 의해 널리 알려졌다[2][3]. 20세기 초 알레한드로 산체스-일바라도와 필립 뉴마크는 플라나리아를 유전적 모델 생물로 전환해 재생 기작을 분자 수준에서 탐구했다[2]. 자포동물 히드라와 플라나리아는 높은 재생 적응 능력 덕분에 오랜 기간 모델 생물로 쓰여 왔다[2][3]. 척추동물 중에서는 도롱뇽목(유미목: 도룡뇽, 영원) 양서류가 수족·꼬리·턱·눈 등 다양한 체내 기관을 재생할 수 있어 가장 재생이 잘 일어나는 그룹으로 주목받았으며[2], 아홀로틀(*Ambystoma mexicanum*)이 현대적 모델 동물로 정착하면서 유전학·생물정보학·체세포 유전자 주입 기술 발전과 맞물려 수족 재생 기작 연구가 급진전했다[2]. Ambystoma Genetic Stock Center(AGSC)는 미국 국립과학재단 후원으로 아홀로틀 유전자원 보존·공급을 맡고 있으며, 미국 국립보건원 지원으로 양서류 유전자 지도·발현 시퀀스 표지 데이터베이스·도롱뇽 유전체 프로젝트 등이 구축되었다[2].
작동 방식과 유형편집이의 제기
재생의 두 큰 범주
유발 상황에 따라 생리적 재생(항상성 유지 중의 세포 갱신)과 회복적 재생(손실·손상 후 기능 복원)으로 구분된다[3]. 포유류는 전자에 강하고 후자는 제한적이다[3].
회복적 재생의 유형
회복적 재생은 다시 여러 유형으로 나뉜다[3].
#### 상형재생(epimorphosis)
증식이 새 조직 형성에 앞선다[3].
- 상형적/보상적 재생(epimorphic or compensatory regeneration): 줄기세포에 크게 의존하지 않고 분화된 세포의 직접적 동원·증식으로 이루어진다. 간세포 증식에 의한 간 재생이 대표적이며, 간의 부피는 회복되나 형태는 회복되지 않는다[3].
- 블라스테마 매개 상형재생(blastema-mediated epimorphic regeneration): 심한 손상 시 계통 제한된 전구세포가 국소적으로 블라스테마(blastema, 재생이 시작되는 줄기세포 덩어리)에 모여 성숙·성장·재형성하며 잃어버린 구조를 대체한다. 도롱뇽 수족 재생과 포유류 전층 피부 손상(사람 손가락 끝 재생 등)에서 볼 수 있으며, 잃어버린 신체 부위의 형태까지 복원한다[3]. 전구세포는 기존 전구세포 증식 및/또는 성숙 조직의 역분화에서 유래한다[3].
#### 형태재구성(morphallaxis)
새로운 성장이 거의 없이 기존 조직이 재패턴화된다[3]. 무척추동물에서 흔하다[3].
세포·분자적 기초
동물 형태발생에서 패턴 형성은 손상 후 세포를 작동시키는 유전 유도 인자들에 의해 조절된다[2][3]. 신경세포는 GAP-43, 튜불린, 액틴, 신경펩타이드, 사이토카인 등 성장 관련 단백질을 발현해 손상 부위 재생을 위한 세포 생리 반응을 유도한다[2][3]. 조직 발생에 관여한 많은 유전자가 재생 과정에서 재발현된다. 예컨대 제브라피쉬 지느러미 원기 세포는 발생과 재생 과정에서 홈복스 msx 패밀리 유래 네 개 유전자를 발현한다[2][3].
조직 수준 전략
기존 조직 재배열, 성체 체세포성 줄기세포 활용, 세포 역분화·교차분화 등 여러 전략이 같은 동물의 서로 다른 조직에서 동시에 작동할 수 있다[2][3]. 이 모든 전략은 적절한 조직 극성·구조·형태를 재확립한다[3]. 발생과 재생 모두 세포 집단의 조정·조직화를 통한 블라스테마 형성을 필요로 한다[3]. 역분화는 재생 중 조직 재구성에 따라 세포가 조직 특이적 특성을 잃는 현상이며, 교차분화(특성 상실 후 다른 종류의 세포로 재분화)와 구별된다[2][3].
재생의 두 단계
재생은 준비 단계와 재발생 단계의 다단계 과정으로 진행된다[3]. 절단 직후 표피세포가 이동해 상처상피(wound epithelium)를 형성하고, 세포 분열로 두꺼워져 상처 주위에 캡(첨단상피덮개)을 만든다[2][3]. 이 캡 아래 세포들이 급속히 분열해 원뿔 모양의 블라스테마를 형성하며, 여기에 피부·근육·연골 세포가 역분화해 줄기세포 유사 상태가 된다[3]. 역분화 세포들은 원래 목적대로 재분화(피부→피부, 근육→근육)하며 충분한 세포 수가 모이면 블라스테마 형태가 평탄해지고 두 번째 단계인 지체 재발생이 시작된다[3]. 이 단계에서 유전자들이 세포 분화를 신호하고 지체의 여러 부분이 발달해, 잃어버린 지체와 외관·기능이 동일한 새 지체가 생긴다[3].
사례편집이의 제기
자포동물문 – 히드라
히드라는 활발히 분열하는 줄기세포로 완전재생을 하는 민물 폴립이다[2]. 몸에서 떨어진 상피세포 수백 개 이상의 조각이 더 작은 개체로 재생된다[2]. 재생은 바닥 쪽 ‘발 재생’과 첨단 쪽 ‘머리 재생’으로 일어나며, 소화관에서 유래한 재생 조직은 극성을 가져 머리·발 재생을 구분한다[2]. 머리 재생은 복잡한 재건을, 발 재생은 조직 수리와 유사하게 단순하나, 둘 다 초기 손상 반응(상피세포 이완·틈새 전구체 이동·세포사멸·식세포작용·세포외기질 재건)과 뒤이은 신호 유도 재생 조직 경로(세포 분화 발생)의 두 분자 캐스케이드를 거친다[2]. 히드라 재생은 세포 분열 없이 기존 물질 재구성으로 이루어지는 ‘재구성적 재생’으로 정의되며, 두 조각 나면 남은 조각들이 새 재료 생성 없이 부드러운 조직 재배열·교환만으로 두 개의 완전한 소형 히드라가 된다[2].
편형동물문 – 플라나리아
플라나리아는 종·횡 절단으로 두 개체가 되며, 몸의 1/279 조각이나 1만 개 미만 세포 조각도 1~2주 내 새 개체로 재생된다[2][3]. 절단 후 그루터기 세포가 전신에 분포하는 네오블라스트(neoblast, 만능성 세포)로 블라스테마를 형성하며, 네오블라스트는 전신 세포의 20~30%를 차지한다[2][3]. 단일 네오블라스트로 조사된 플라나리아의 재생 능력을 회복시킨 실험으로 전분화능이 확인되었다[2][3]. 굶주림 시 자가 세포를 에너지원으로 쓰는 ‘역성장(de-growth)’ 현상도 보인다[2][3].
환형동물문
*Chaetopterus variopedatus*, *Branchiomma nigromaculata* 등은 횡단 절단 시 전후 체부를 재생한다[2][3]. *Capitella teleta*에서 체세포·생식세포계 줄기세포 재생 관계가 분자 수준에서 연구되었다[2][3]. 거머리와 가재흡충은 절단 후 재생 못하나, 실지렁이붙이류는 몇 분절 재생 가능하며 이는 형태발생적·블라스테마 형성 경로로 일어난다[2][3]. 분절 재생 형질은 진화 중 획득·소실 반복되었으며, 지렁이과에서 머리 재생 능력은 세 번 독립적으로 소실되었다[2][3]. *Sabella pavonina* 등 일부 다모류는 역분화·변형·재분화를 거치는 형태재구성적 재생을 보인다[2][3]. *L. variegatus*에서 기존 후방 분절이 새 몸에서 전방이 되는 현상이 관측되어 형태재구성이 분절간 재생 기작으로 일반적일 가능성도 제기된다[3]. 절단 시 대부분 환형동물은 급속 근육 수축으로 체벽을 봉합해 감염을 막으며, *Limnodrilus* 등에서는 절단 1시간 내 외배엽·중배엽 자가소화(autolysis)가 관찰되고, 다량 세포가 손상 부위로 이동해 상처 플러그를 형성한다[3].
절지동물문
#### 부속지 재생
절지동물은 자절(autotomy) 후 부속지를 재생한다[2][3]. 재생 능력은 탈피에 의해 제한된다. 불완전변태 곤충은 최종 탈피까지만 재생 가능하나, 대부분 갑각류는 평생 재생한다[2][3]. 탈피 주기는 호르몬 조절이나 자절이 조기 탈피를 유도하기도 한다[2][3]. 불완전변태 곤충(귀뚜라미 등)은 약충기, 완전변태 곤충(딱정벌레 유충 등)은 유충기 최종 탈피·변태 전에 부속지 재생 가능하며, 재생 조직 성장은 번데기 형성을 지연시킨다[3]. 초파리 유충은 부속지 원기(imaginal disc) 재생 가능[3]. 곤충·갑각류 부속지 재생 기작은 진화적으로 고도로 보존되어 있으며, 양쪽 모두 전탈피기(proecdysis)에 블라스테마를 형성해 결손 조직을 재패턴화한다[3].
#### 독액 재생
전갈을 포함한 거미강은 독액을 재생하나, 재생 독액 구성은 활성 단백질이 다 채워지기 전 독액량이 대체되므로 원본과 다르다[2][3].
#### 초파리 모델
*Drosophila melanogaster*는 장·생식선 재생 등 분자 기작 이해에 유용하다[3]. 상주 줄기세포가 지속적으로 손실 세포를 갱신하며, 파리에서 발견된 힙포(Hippo) 신호전달경로가 중장 재생에 필수적임이 밝혀졌고, 이 보존된 경로는 포유류 심장·간·피부·폐·장 재생에도 필수적임이 후속 연구로 확인되었다[3].
극피동물문
불가사리·해삼·성게 등에서 조직 재생이 만연하며 19세기부터 연구되었다[2][3]. 부속지 외에 내장·중추신경계 일부 재생도 가능하다[2]. 불가사리는 손상 시 부속지 자절 후 4주간 재생 과정을 거치며, 일부 종은 에너지 확보를 위해 입세포를 유지해야 재생 가능하다[2][3]. 현재까지 연구된 모든 종에서 가장 먼저 재생되는 기관은 소화관 연관 기관이다[2][3].
척삭동물문
#### 연골어류(연골어강)
가오리·홍어에서 완전 광표백 후 2시간 내 로돕신 재생, 흰얼룩상어에서 간 2/3 절제 후 24시간 내 절반 이상 간비대(세 microRNA 관여), 표범상어에서 9~12일마다 치아 교체(치아가 뼈 구멍 내 발생), 일부 상어에서 비늘·피부 재생(상처 2주 내 점액 분비 시작, 4개월 내 대부분 재생이나 높은 변이) 등이 보고되었다[2].
#### 양서류(양서강)
아홀로틀·영원 등 유미목 양서류는 사지·꼬리·턱·망막을 상형재생으로 완전 복원해 네발동물 중 최고 재생 능력을 보인다[2][3]. 도롱뇽 수족 재생은 ① 국지 세포가 상처 부위에서 역분화해 전구세포가 되어 블라스테마 형성, ② 블라스테마 세포가 배아 발생 유전자 기작을 이용해 증식·패턴화·분화·성장해 새 구조의 모든 세포 생성의 두 단계로 진행된다[2][3]. 절단 1~2시간 내 표피세포 이동으로 상처상피 형성, 이후 첨단상피덮개(apical epithelial cap) 형성, 수일 내 블라스테마 형성과 함께 *HoxA*, *HoxD* 등 혹스 유전자 활성화(배아 수족 형성 때와 유사)[2][3]. 수족 말단 위치 정체성이 블라스테마에서 먼저 형성되고, 그루터기-말단 사이 중간 정체성은 사이끼움(intercalation)으로 메워진다[2]. 운동신경·근육·혈관이 재연결되며, 완전 기능 회복에 동물 나이에 따라 1~3개월 소요[2]. 대식세포 제거 시 재생 능력 상실·흉터 형성 연구 결과도 있다[2]. 개구리목은 배아기에만 수족 재생 가능(골격 발생 완료 후 불가), 아프리카발톱개구리는 연골성 스파이크 형성, 활성산소종(ROS)이 유생 재생 반응에 필요하며 Wnt 신호전달 활성화에 관여[2].
#### 조류(조강)
성체 재생 능력은 매우 제한적이나, 수탉 연구에서 조건(나이, 손상 조직-근육 상호관계, 재생 작동 종류)에 따라 근골격 구조 완전 재생 가능성 제시[2]. 거위·오리 부리 부분 재생(1909), 수탉 간비대 통한 간 재생(1962), 소음·이독성 약물 손상 후 달팽이관 털세포 재생 사례 보고[2]. 깃털 재생은 계절·번기 호르몬 신호(갑상선 호르몬로 실험적 유도)로 자극받으며, 손상 깃털 수리나 구애용으로 일어난다[2]. 배아기에는 분자생물학 기술로 자발적 재생 유도 성공 사례(닭 배아 팔꿈치 관절 창 절제술 20례 중 10례에서 관절 유전자 발현 재생, 절편 절제술은 연골 마커 발현으로 골격 요소 융합돼 재생 실패) 보고[2].
#### 파충류(파충강)
종별 차이 크나 도마뱀 꼬리 재생이 가장 주목받고 연구됨[2]. 악어 꼬리·상악골 재생 및 성체 신경 발생 관찰, 뱀은 꼬리 재생 없음[2]. 도마뱀이 파충류 중 최고 재생 능력 보유; 자절 후 블라스테마 통한 형태발생적 재생으로 기능·형태 유사 구조 생성[2].
#### 포유류(포유강)
세포·생리적 재생 가능하나 전반적 회복적 재생 능력 낮음[2]. 생리적 재생 예: 상피재생(피부 일부), 적혈구 대체, 녹용 재생, 모발 재생[2]. 수컷 사슴 뿔은 매년 1~4월 탈락 후 생리적 재생으로 재성장하며, 포유류 유일한 매년 재성장 부속지[2]. 회복적 재생은 드물지만 없진 않음: 손톱 기부 쪽 지근 절단 후 손가락 끝 재생(특히 아동), 토끼·피카·아프리카가시쥐에서 관찰[2]. 2012년 *Acomys kempi*, *Acomys percivali* 두 아프리카가시쥐가 자절·손상 조직 완전 재생(모낭·피부·땀샘·털·연골) 확인, 후속 연구로 *Acomys cahirinus* 귓바퀴 피부·절제 조직 재생 입증[2]. 로버트 배커 전기 자극 재생 요법이 쥐·포유류에 유망한 결과 보임[2]. MRL 실험쥐 계통이 향상된 재생 능력 보인다는 주장 있었으나, 최근 연구에서 귓바퀴 재생이 실제로는 흉터 조직으로 작은 구멍 덮는 것임 확인, 심근경색 후 보호 효과도 없으며 정상 쥐와 유사한 심장 손상·흉터 형성 보이나 일부 연구에서 심장 손상 후 재생 가능성 제시[2]. 성체 포유류 심근세포 대부분 G0기 분화 상태라 심장 재생 제한적[2]. p21 유전자 불활성화 연구 등 인간 재생 활성화 방법 탐색 중[2].
#### 인간
피부 등 일부 조직 쉽게 재생, 다른 조직도 지속 연구로 재생 가능성 밝혀지는 중[2]. 방광·질·음경 재생 사례[2]. 생리적 재생(항상성 유지 중 세포 대체) 가능: 적혈구 생성(골수 조혈줄기세포→성숙→혈류 90일 순환→비장 세포사멸), 여성 생리주기 에스트로겐·프로게스테론 반응 자궁내막 허물어짐·두꺼워짐[2]. 회복적 재생은 제한적: 간 절제술 후 원래 질량에 비례해 간비대(성숙 간세포 분열로 기능·질량 회복하나 온전한 간 형태 미회복, 성장인자·사이토카인 경로 조절, 암에서 염증-재생 순서 교란)[2]. 성인 신경 발생도 세포 재생 형태: 해마 뉴런 연간 1.75% 전환율, 심근세포 재생 정상 성인서 확인(급성 심장 손상 후 더 높은 비율이나 손상 부위 주변 근육세포 ~1%만 분화, 기능 회복엔 부족하나 재생의약 목표로 중요)[2]. 회복적 재생 다른 예: 어린이 손가락 끝 재생(손톱 지대 말초 지근 절단 후), 척추측만증 절골술 후 갈비뼈 부분 재생(1년 이상 소요), 정관수술 후 정관 재생(수술 실패 원인)[2].
생태계
생태계도 재생 가능하다[2][3]. 숲에서 화재·병해충 창궐 같은 교란 후 개척종이 정착·경쟁해 새 서식지 형성, 새 종자 성장·조립 규칙 진행이 생태학적 재생으로 불림[2][3].
규제·논란·평가편집이의 제기
자료에는 재생 연구 전반에 걸친 제도적 규제나 사회적 논란, 종합적 평가에 대한 서술이 없다. 다만 특정 모델 생물 확보·유전자원 관리(AGSC 등), 유전자 지도·데이터베이스 구축 지원(미국 국립과학재단·국립보건원 등), MRL 쥐 심장 재생 논란·최근 반증 연구, 전기 자극 요법 유망성 등 개별 연구 수준의 논의만 나타난다[2].
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