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세계 최초, 세포내 물질이동 경로 발견

국내 연구진, 질병치료법 개발에 새로운 이론적 단초 제공 연구
장석기 기자 / sciencemd@daum.net
승인 17-06-09 09:08 | 최종수정 17-06-09 09:31  
 

미래창조과학부(장관 최양희) 기초연구지원사업(개인연구, 집단연구)과 교육부 이공학개인기초연구지원사업을 수행한 이창욱(사진 좌) 교수(울산과학기술원)· 전영수(사진 우) 교수(광주과학기술원) 공동연구팀은 생명을 구성하는 최소 단위인 세포 가운데 인간을 비롯한 고등생명체를 구성하는 단위인 진핵세포*에서 일어나는 새로운 물질교환 경로와 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 
        
세포는 미토콘드리아, 핵, 소포체, 리소좀 등의 작은 소기관으로 구성되어 있다. 지금까지 연구에서는 이 소기관들 사이에서 단백질과 같은 물질이 이동할 때, 일종의 보자기인 소낭에 담겨 전달된다고 알려져 있었다. 연구팀은 세포의 대표적 소기관인 핵과 리소좀을 직접 연결하는 막접촉점의 상호작용을 통해 소낭 없이 물질이 이동하는 경로를 3차원의 입체적인 구조로 처음으로 제시했다.


     미토콘드리아 : 진핵세포에서 세포 호흡을 통하여 에너지를 생산하는 소기관 
     핵 : 진핵세포의 중심에 있는 공 모양의 소체로서 유전물질 (DNA)을 보유
     소포체 : 세포질에 있는 단일 막으로 이루어진 납작한 주머니 모양의 소기관
     리소좀 : 세포 내 소화 작용을 하며 단일 막으로 둘러싸인 소기관
     막접촉점 : 세포막 구조체로 둘러싸여 있는 세포 소기관이 세포막에 연결된 단백질을 매개로 이웃해 있는 다른 세포 소기관과 10-30 나노미터 사이의 거리를 유지하며 물리적으로 접촉해 있는 특정 부위 
 
이창욱 교수·전영수 교수팀의 연구내용은 국제적인 학술지 미국과학학술원회보 (PNAS)에 5월 24일자에 게재되었다. 

세포 내부에서 일어나는 물질이동은 주로 소낭(vesicle)이라는 작은 막구조체에 의해서 이루어지는 것으로 알려져 있다. 그러나 소낭에 의한 물질이동 경로 이론(2013년 노벨생리의학상 수상)만으로는 설명할 수 없는 세포 내 물질이동 현상이 존재한다.


이 중 세포소기관들이 직접 서로 물리적으로 접촉하여 막접촉면*을 형성하고 이를 통해 다양한 물질이 교환될 수 있다는 사실이 최근 연구를 통해 알려졌으나, 이러한 과정을 매개하는 단백질들의 정체와 작동 메커니즘은 여전히 미지의 영역으로 남아 있었다.


막접촉면 : 세포막 구조체로 둘러싸여 있는 세포 소기관이 세포막에 연결된 단백질을 매개로, 이웃해 있는 다른 세포 소기관과 10-30 나노미터 사이의 거리를 유지하며 물리적으로 접촉해 있는 특정 부위를 말한다. 
 
연구팀은 단일 진핵세포 생명체인 효모를 연구모델로 이용하여 핵과 리소좀 간의 막접촉점인 NVJ(nucleus-vacuole junction)*를 형성하는 단백질복합체인 Nvj1p-Vac8p*의 3차원 구조를 규명하였다. 이러한 구조생물학적 연구를 기반으로 NVJ형성과 여기에서 일어나는 다양한 생명현상의 메커니즘을 밝혀냈다.


     NVJ : 핵막 및 소포체 막과 리소좀 막이 10-30 나노미터 정도의 사이를 두고 물리적으로 접촉해 있는 세포 내 특정 지역 
     Nvj1p-Vac8p : 리소좀 단백질인 Vac8p과 핵/소포체 단백질인 Nvj1p가 결합된 단백질 복합체  
 
 연구팀은 Vac8p 단백질이 스캐폴드 특징을 가지고 있으며, 결합되는 단백질의 기능에 따라 다양한 역할을 수행할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 스캐폴드: 단백질의 구조적인 특징 중의 하나로서 서로 다른 기능을 가지고 있는 여러 단백질들과 결합할 수 있는 특징을 가지고 있다.  
 
연구팀은 새롭게 규명된 Nvj1p-Vac8p의 3차원 구조를 바탕으로 핵과 리소좀 간의 막접촉점 형성에 중요하게 작용하는 아미노산 상호작용을 분석하였다. 분석 결과를 토대로 효모 세포에서 이러한 아미노산을 돌연변이 시켰을 때, 두 소기관을 연결하는 막접촉점이 사라지고, 핵과 리소좀 간의 물질 이동이 억제되는 것을 보였다.

 

또한 연구팀은 돌연변이 효모에서는 NVJ에서 일어나는 모든 세포 활동이 억제되는 것을 관찰하여 그간 이론적으로만 알려져 있었던 막접촉점에서 생명활동을 처음으로 증명하였다. 
 
그동안 세포 소기관 막접촉점은 전자 현미경으로 세포를 관측하는 정도의 해상도로만 연구가 되어왔다. 이번 연구에서는 X-ray 구조법을 사용하여 막접촉점을 직접적으로 연결해주는 단백질 복합체의 입체 구조를 원자 수준의 높은 해상도로 관측하였고, 이를 기반으로 막접촉점의 형성 과정과 기능에 대한 이해를 높였다.


막접촉점 형성 메커니즘과 이를 통한 물질 이동경로에 대한 발견은 그동안 원활한 물질 이동이 일어나지 않았을 때 발생하는 것으로 알려진 퇴행성 뇌질환이나 여러 대사질환의 원인을 연구하는데 활용될 수 있다. 


 세포 소기관 막접촉 면의 고해상도 구조 분석을 통해 사람과 같은 고등생명체를 구성하는 진핵세포 내에서 일어나는 물질교환 경로 및 메커니즘 규명의 새로운 전기를 마련했다.   세포소기관 간 막접촉점을 형성하는 단백질복합체의 3차원 구조를 규명한 것은 이 연구가 세계 최초의 사례이기 때문에 핵-리소좀 간의 막접촉점 외에 고등 세포 내에 존재하는 막접촉면 연구에 지대한 영향을 미칠 것으로 기대된다. 
 
이창욱 교수·전영수 교수는 “이 연구는 인간과 같은 고등생명체를 구성하는 진핵세포의 세포소기관 간 막접촉점을 형성하는 단백질 복합체의 구조와 작동 메커니즘을 최초로 밝혔으며, 이는 생명의 기원에 대한 이해, 세포 내 물질 이동의 결함에 의해 야기되는 질병치료법 개발에 새로운 이론적 단초를 제공할 수 있을 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.  

 
 
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