그리고 그 상처를 어떻게 치유하는지 우리는 이제 막 알기 시작했다
실험실에서 초파리를 다루다 보면, 이 작은 생물이 우리가 상상하는 것 이상으로 복잡한 삶을 살고 있다는 사실을 문득문득 깨닫는 순간이 찾아온다. 나는 수십 년째 이 파리들과 함께 살아왔지만, 여전히 놀란다. 교미하는 암수 한 쌍을 현미경 아래에서 관찰하다가 수컷의 가운뎃다리가 암컷의 복부를 반복적으로 문지르고 콕콕 찌르는 장면을 처음 목격했을 때, 혹은 짝짓기를 마친 암컷의 복부 배면에 검은 멜라닌 반점이 선명하게 찍혀 있는 것을 보았을 때, 나는 잠시 손을 멈추게 된다. 저게 대체 뭐지? 이 단순한 질문 하나가, 때로는 과학이라는 행위 전체의 출발점이 된다.
지난 6월 초, bioRxiv에 한 편의 프리프린트가 조용히 올라왔다. 보스턴 칼리지의 Vicki P. Losick 연구실에서 나온 논문으로, 제목은 “초파리에서의 교미 상처에 대한 유전학적 모델(A genetic model of copulatory wounding in Drosophila melanogaster)”이다. Sophie L. Jalkut, Lydia M. Bischoff, Maximilian J. Pitsch, 그리고 교신저자인 Losick이 쓴 이 논문은, 아직 동료심사를 거치지 않은 프리프린트이지만, 내가 오랫동안 기다려왔던 종류의 연구다. 초파리가 교미 중에 실제로 부상을 입는다는 것, 그리고 그 상처가 어떻게 치유되는지를 유전학적 도구를 이용해 체계적으로 파헤친 연구이기 때문이다. 이 논문을 처음 읽었을 때 나는 혼자 피식 웃었다. 초파리로 못 하는 게 도대체 뭔지 모르겠다고.
이야기는 예상치 못한 발견에서 시작된다. 과학의 가장 중요한 순간들이 대개 그렇듯이. Losick 연구실의 대학원 순환 과정을 밟던 학생 한 명이 처음 눈치를 챘다. 세린 프로테아제인 Hayan을 과발현시킨 초파리 암컷의 복부에 검은 반점이 생긴다는 것을. 그리고 또 다른 학생이 그 반점이 교미에 의존한다는 것을 발견했다. 처녀 암컷에게는 아무 일도 일어나지 않는다. 오직 짝짓기를 마친 암컷에게만, 그것도 단 한 번의 교미만으로도, 검은 흔적이 남는다. 이 작은 관찰이 논문 전체를 이끌어나가는 물음이 되었다.
Hayan은 이미 알려진 단백질이다. 초파리 면역계의 핵심 경로인 멜라닌화 반응에 관여하는 세린 프로테아제로, 2012년 서울대학교 이원재 연구실의 Nam과 동료들이 그 유전학적 증거를 처음으로 규명했다. 이름 자체가 흥미롭다. 한국어 “하얀”에서 따온 이름인데, Hayan 돌연변이 초파리가 부상 부위에서 멜라닌을 만들지 못해 창백하게 남기 때문에 그렇게 명명되었다. Hayan은 체내에서 순환하는 혈림프 속의 세린 프로테아제로, 상처가 생겼을 때 불활성 상태의 프로페놀옥시다아제(PPO)를 활성형 페놀옥시다아제(PO)로 전환시키고, 이 효소가 멜라닌을 합성하여 상처 부위에 검은 딱지를 형성한다. 면역계와 상처 치유 과정이 이 하나의 분자를 공유하고 있는 셈이다.
Losick 연구실이 Hayan를 과발현시킨 것은 원래 다른 목적이었다. 멜라닌화 반응이 성체 초파리의 상피 조직 치유에 어떤 역할을 하는지 알고 싶었던 것이다. 그들은 복부 배면 상피에서 특이적으로 발현되는 Gal4 드라이버(GMR51F10-Gal4, 이하 epi>)를 이용해 Hayan의 발현을 유도했다. 그런데 예상치 못한 일이 일어났다. epi>Hayan 암컷의 79퍼센트에서, 아무런 상처를 주지 않았음에도 불구하고, 교미 후에 복부 배면에 멜라닌 반점이 생겨났다. 같은 세린 프로테아제 경로에 있는 MP1이나 Sp7을 과발현시킨 초파리에서는 이 현상이 전혀 나타나지 않았다. 오직 Hayan만이, 오직 교미 후에만, 오직 암컷에게만 이 반점을 만들어냈다.
연구자들이 다음으로 한 일은, 과학적 사고의 전형적인 절차를 따른 것이었다. 이 반점이 교미 자체에 의존하는가? 처녀 암컷을 격리해보니, 반점이 생기지 않았다. 그렇다면 수컷의 유전형이 중요한가, 암컷의 유전형이 중요한가? 암수를 9가지 조합으로 교차시킨 실험은 놀라운 결과를 보여주었다. 암컷이든 수컷이든, 교미하는 쌍 중 어느 한쪽만 Hayan을 과발현시켜도 암컷에게 반점이 생겼다. 암컷이 Hayan을 과발현시킨 경우에는 93퍼센트, 수컷만 Hayan을 과발현시킨 경우에도 65퍼센트에서 반점이 나타났다. 촉매적으로 불활성화된 돌연변이 형태인 HayanS322A에서는 이 효과가 사라졌다. 즉 Hayan의 효소 활성이 필수적이다.
그렇다면 교미 중 어떤 일이 일어나는가? 수컷이 암컷을 다치게 한다는 것은 분명해 보였다. 하지만 무엇으로? 초파리 교미에 관한 기존 연구들은 수컷 생식기의 날카로운 구조물이 암컷 생식기관 내벽을 찌른다는 사실을 잘 알고 있었다. 일본 게이오대학의 Kamimura 요시타카는 섬광 고정 기법을 이용하여 수컷 후생식기의 등쪽 돌기가 암컷 생식기관을 실제로 관통한다는 것을 시각화했고, 이것이 적어도 23종의 초파리 집단에서 공통적으로 나타나는 외상성 교미 형태임을 보여주었다. 그런데 Losick 연구실이 발견한 반점은 생식기관 안쪽이 아니라 복부 배면, 3번에서 6번 배편 인근에 좌우 대칭으로 나타났다. 이것은 기존에 알려진 교미 손상과는 다른 것이었다.
연구자들은 교미 영상을 꼼꼼히 분석했다. 그리고 발견했다. 수컷의 가운뎃다리가 교미 중 암컷의 복부를 반복적으로 문지르고 찌르는 행동을 하고 있었고, 그 접촉 부위가 멜라닌 반점이 생기는 위치와 정확히 일치했다. 결정적인 실험은 외과적 절제술이었다. 수컷의 가운뎃다리를 모두 제거한 다음 교미시키니, 암컷에게 반점이 전혀 생기지 않았다. 반면 교미 자체는 정상적으로 이루어졌고, 자손이 태어났다. 더욱 정교한 실험으로, 한쪽 가운뎃다리만 제거했더니, 제거된 쪽에 해당하는 암컷의 복부 면에는 반점이 생기지 않고, 온전한 다리가 있는 쪽에만 반점이 생겼다. 교미 상처의 원인이 수컷 가운뎃다리라는 것이 이 단 하나의 우아한 실험으로 증명되었다.
흥미로운 점은 현미경으로 관찰한 epi>+ 대조군과 epi>Hayan 수컷의 가운뎃다리 큐티클과 강모 패턴이 육안으로 구분되지 않았다는 것이다. 연구자들은 큐티클의 강도나 탄성 같은 물리적 특성이 미묘하게 변화했을 가능성을 제시한다. Hayan의 과발현이 암컷의 복부 상피 또는 수컷의 다리 큐티클을, 혹은 둘 다를, 정상적인 교미 접촉에서도 손상이 생길 만큼 감작시켰다는 것이다. 이 “감작”의 분자적 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 그것이 이 논문이 남겨둔 중요한 물음 중 하나다.
그러나 Losick 연구실이 진정으로 오랫동안 탐구해온 물음은 상처가 어떻게 생겼는가가 아니라, 어떻게 낫는가이다. 이 연구실의 지적 계보는 2013년 카네기 연구소에서 발표된 한 편의 논문으로 거슬러 올라간다. Losick이 Allan Spradling의 연구실에서 제인 코핀 차일즈 박사후 연구원으로 있을 때 발표한 그 논문은, 성체 초파리 복부 상피가 바늘로 찌른 상처를 치유하는 방식이 우리의 상식과 전혀 다르다는 것을 보여주었다. 상처 부위의 세포들은 분열하여 새로운 세포를 만드는 것이 아니었다. 그 대신, 이웃한 세포들끼리 서로 융합하여 거대한 다핵 세포, 즉 합포체(syncytium)를 형성하고, 동시에 완전한 세포분열 없이 DNA만 복제하는 내배수화(endocycle) 과정을 통해 세포 하나하나가 거대화되면서 소실된 조직의 부피를 보상했다. 분열 대신 성장, 증식 대신 합포화. 이것이 Losick 연구실이 이름 붙인 “상처 유도 다배수체화(wound-induced polyploidization, WIP)”의 핵심이다.
이번 논문은 교미 상처가 바로 이 WIP 메커니즘으로 치유된다는 것을 보여준다. 멜라닌 반점이 생긴 부위 아래의 상피 조직을 면역형광 염색으로 들여다보면, 크기가 다양한 합포체가 자리 잡고 있다. FasIII라는 격막 연접 단백질 마커로 세포 경계를 시각화하고, Grh라는 전사인자로 상피 핵을 표지하면, 작은 상처(<1,000 μm²)에서는 합포체만 형성되고 핵들이 이배체(2C)를 유지하는 반면, 큰 상처(>20,000 μm²)에서는 합포체 주변 핵들의 DNA 함량이 3C에서 12C까지 증가했다. 상처의 크기가 치유의 기전을 결정한다. 작은 손상은 세포 융합만으로 충분히 봉합되지만, 세포 손실이 일정 역치를 넘으면 내배수화가 동원되어 남은 세포들이 더 크게 자라서 빈자리를 채운다. 합포체 크기와 그 안에 포함된 핵의 수 사이에는 R²=0.88이라는 강한 상관관계가 존재했다.
이 결과는 Losick 연구실이 바늘 상처 모델로 이미 확인해온 것과 정확히 일치한다. 그리고 그것이 이 논문의 진정한 의미다. 교미 중에 생긴 상처와 바늘로 찌른 상처가 동일한 세포생물학적 프로그램으로 치유된다는 것. 자연에서 실제로 일어나는 성적 갈등의 산물로 생긴 조직 손상이, 실험실에서 인위적으로 만든 손상과 같은 방식으로 봉합된다는 것. 이것은 WIP가 단순히 실험실 인공물이 아니라, 생물학적으로 의미 있는 자연적 손상을 처리하는 실제 메커니즘일 수 있다는 강력한 암시다.
교미 상처, 즉 “copulatory wound”는 동물계에서 결코 드문 현상이 아니다. 오히려 성적 갈등의 가장 극단적인 표현 중 하나로 광범위하게 연구되어왔다. 가장 유명한 사례는 빈대(Cimex lectularius)다. 2001년 PNAS에 발표된 Stutt와 Siva-Jothy의 논문은, 수컷 빈대가 암컷의 생식기 개구부를 완전히 무시하고 복벽을 외부 생식기로 직접 관통하여 체강 안에 정자를 주입한다는, 그야말로 충격적인 사실을 기술했다. “외상성 수정(traumatic insemination)”이라고 명명된 이 행동은 암컷의 수명과 번식력을 심각하게 떨어뜨리며, 수컷의 이익과 암컷의 이익이 정면으로 충돌하는 성적 갈등의 교과서적 사례로 자리 잡았다. 씨앗벌레(Callosobruchus maculatus)에서는 수컷의 교미기에 날카로운 가시가 나 있어 교미할 때마다 암컷의 생식기관 내벽에 천공을 남기며, 암컷이 교미 중 수컷을 걷어차는 행동은 이 손상을 줄이려는 방어 행동으로 해석된다.
초파리에서도 교미 손상은 알려져 있었다. 하지만 그것이 자연 집단에서 얼마나 흔하고, 정확히 어떻게 발생하며, 어떻게 치유되는지는 오랫동안 불분명했다. 베를린 자유대학의 Armitage 연구실은 2024년과 2025년에 걸쳐 자연 서식지의 초파리에서 상처가 얼마나 자주 발생하는지, 그리고 교미 횟수가 늘어날수록 생식기 손상과 복부 손상이 어떻게 증가하는지를 정량화했다. 2025년 Proceedings of the Royal Society B에 실린 Subasi 등의 논문은 두 번 교미한 암컷이 한 번만 교미한 암컷보다 더 많은 교미 상처를 입는다는 것을 보여주었다. 하지만 그 손상이 어떻게 치유되는지, 그 치유를 실험실에서 재현하고 조작할 수 있는 유전학적 모델이 있는지는 여전히 빈 자리로 남아 있었다.
Losick 연구실의 논문이 채우는 것이 바로 그 자리다. epi>Hayan 계통은 자연적으로는 거의 드러나지 않는 교미 상처를 안정적으로, 재현 가능하게, 유전학적으로 조작 가능한 형태로 만들어낸다. 반점의 크기와 위치를 정량화할 수 있고, 한쪽 다리를 절제하는 방식으로 원인을 특정 신체 구조로 귀속시킬 수 있으며, 치유 과정을 면역형광 이미징으로 세포 단위까지 추적할 수 있다. 이것이 “유전학적 모델”이 가진 힘이다. 현상을 관찰하는 것에서 나아가, 현상을 만들고 조작하고 해부할 수 있는 능력. 초파리 유전학이 지난 한 세기 동안 반복해서 보여온 그 힘.
나는 여기서 잠시 멈추어 Thomas Hunt Morgan을 생각하지 않을 수 없다. 1933년 노벨 생리의학상을 수상한 Morgan은 초파리를 이용해 유전자가 염색체 위에 선형으로 배열된다는 것을 증명했다. 그가 죽기 전에는 초파리 한 종으로 그것을 증명하리라고 아무도 예상하지 못했다. 그 이후로 이 작은 파리는 X선 돌연변이 유발(Muller, 1946년 노벨상), 발생 유전학(Lewis, Nüsslein-Volhard, Wieschaus, 1995년 노벨상), 후각 수용체(Axel & Buck, 2004년 노벨상), 선천성 면역(Hoffmann, 2011년 노벨상), 그리고 일주기 리듬의 분자 메커니즘(Hall, Rosbash, Young, 2017년 노벨상)으로 계속해서 노벨상을 낳았다. 이 다섯 번의 수상을 관통하는 공통점이 하나 있다면, 그것은 아무도 그 질문이 초파리로 대답될 수 있으리라고 처음에는 믿지 않았다는 점이다.
초파리가 자는지 처음 연구한 사람은 Joan Hendricks였다. 2000년 Neuron에 발표된 그 논문을 학계는 처음에 반쯤 기이한 것으로 받아들였다. 파리가 잔다고? 그게 무슨 의미가 있을까? 이제 우리는 초파리 수면 연구가 수면의 분자적 기반을 이해하는 가장 강력한 도구 중 하나임을 안다. 초파리의 행동 유전학을 연구하겠다고 나선 Seymour Benzer도 처음에는 이런 일이 가능한지 회의적인 시선을 받았다. 눈에 보이지도 않는 행동의 차이를 유전자 하나로 추적하겠다고? 그가 발견한 period 유전자는 수십 년 후 노벨상으로 이어졌다.
그리고 이제 초파리가 교미 중에 다친다는 것, 그 상처를 세포 융합과 다배수체화라는 독특한 전략으로 치유한다는 것, 그 전략이 다른 포유류의 각막, 간, 신장, 심장, 방광, 그리고 제브라피시의 심막에서도 동일하게 작동한다는 것을 우리는 알고 있다. 처음에 아무도 이런 질문을 초파리로 대답할 수 있다고 생각하지 않았다. 하지만 결국, 항상 그래왔듯이, 초파리는 대답한다.
이 논문이 내게 특히 인상적인 이유는 두 가지다. 하나는 발견의 방식이다. 이 연구는 Losick 연구실이 의도적으로 교미 상처를 연구하려고 시작한 것이 아니었다. 멜라닌화 반응을 연구하다가, 대학원 순환 실습생 두 명이 예상치 못한 것을 발견했고, 그것을 진지하게 추적한 결과다. 과학에서 가장 중요한 발견들 중 많은 것이 이런 방식으로 시작된다. 계획된 것이 아닌, 주의 깊게 관찰된 것으로부터. Fleming의 페니실린이 그랬고, McClintock의 점핑 유전자가 그랬다. 실험실 문화가 이런 예상치 못한 관찰을 묵살하지 않고 물음으로 전환시킬 수 있을 때, 과학은 앞으로 나아간다.
또 하나는 이 논문이 열어놓은 물음들이다. Hayan 과발현이 수컷의 다리 큐티클 혹은 암컷의 복부 상피를 어떻게 감작시키는가, 그 분자적 기전은 무엇인가? 자연 집단에서 발생하는 교미 상처도 동일한 WIP 메커니즘으로 치유되는가? 크기 역치(세포 융합만으로 충분한 작은 손상 vs. 내배수화까지 동원되는 큰 손상)가 포유류에서도 보존되어 있는가? 다배수체화가 진화적으로 성적 갈등에 의한 손상을 수선하기 위해 출현했다는 저자들의 추측, 즉 아직은 가설에 불과한 그 주장은 어떻게 검증될 수 있는가? 좋은 논문은 답보다 더 많은 질문을 남긴다. 이 논문이 그렇다.
초파리 유전학자로서 나는 가끔 이런 질문을 받는다. 초파리를 연구해서 도대체 무슨 소용이 있냐고. 그 때마다 나는 지금 이 글에서 열거한 것들을 생각한다. 유전 법칙, 발생 유전학, 후각 수용체, 선천성 면역, 생체시계, 그리고 이제는 교미 상처와 상처 치유. 이 모든 것이, 누군가 낡은 바나나 껍질에 꼬이는 작은 파리를 진지하게 들여다보는 데서 시작되었다. 초파리는 우리에게 세상을 보는 또 다른 창문을 제공한다. 그 창문 너머에는 항상, 우리가 예상하지 못한 것들이 기다리고 있다.
물론 이 논문은 아직 동료심사를 거치지 않은 프리프린트다. 수치들은 바뀔 수 있고, 해석은 반박될 수 있다. 그것이 과학의 방식이다. 하지만 그 핵심 발견, 즉 교미 중 수컷의 가운뎃다리가 암컷을 다치게 한다는 것, 그리고 그 상처가 이미 알려진 세포 생물학적 기전으로 치유된다는 것, 이것은 단단하다. 한쪽 다리를 잘라 한쪽 복부에만 반점이 생기는 것을 확인했다는 것, 이보다 더 명료한 실험이 어디 있겠는가.
초파리는 오늘도 조그만 유리병 안에서 교미하고, 다치고, 낫는다. 그 조그만 생명 안에서, 수억 년의 진화가 만들어낸 정교한 생물학이 작동하고 있다. 우리가 볼 눈을 갖추고, 물을 용기를 갖는다면, 초파리는 여전히 대답한다. 언제나 그래왔듯이.
Jalkut SL, Bischoff LM, Pitsch MJ, Losick VP. A genetic model of copulatory wounding in Drosophila melanogaster. bioRxiv 2026.05.29.728886; posted June 2, 2026.