생물 및 의학 (건강) 세포 내 물류 시스템을 조절하는 메커니즘 새롭게 발견

일본 이화학연구소(RIKEN)와 Ben Gurion University of Negev 대학 연구진으로 구성된 공동연구그룹은 세포의 신장을 제어하는 사령탑 역할을 담당하는 물질이 신장단에 정확히 배치되는 메커니즘을 해명하였다.

다세포 생물의 몸에 있는 세포는 각각의 기능에 대응하여 여러 가지 형태로 변화한다. 세포 신장은 비교적 단순한 세포의 모습이 만들어진 후, 신경세포 등 여러 가지 형태가 만들어진다. 세포의 신장은 세포 특정 부위에 신장단을 만들고, 세포가 한 방향으로 성장하면서 일어난다. 세포 신장이 구동되기 위해서는 세포 골격이나 세포 내 운송 등 이를 제어하는 사령탑 역할을 하는 시그널 분자가 신장을 계속하도록 신장단의 평소 위치에 정확하게 배치되는 것이 중요하다. ([그림 1]) 하지만 지금까지 세포 신장의 사령탑이 어떻게 신장단에 배치되는지는 잘 알려지지 않았다.

지금까지 연구진은 형태형성 시그널을 연구하기 위해 기계자극이나 화학자극을 수용하는 외감각기로 작용하는 초파리과 강모에 주목하여 세포신장 메커니즘을 조사하였다. 털과 같이 긴 형태로 구성된 강모세포는 번데기시 1일 350 마이크로미터정도 신장한다고 알려져있다. 이 세포의 형성과정에서 `IKKε`라고 불리는 단백질이 세포의 신장단에 국재하며, 신장의 사령탑 역할을 담당하고 있다고 알려져있다. 하지만 IKKε가 어떻게 신장단에 제대로 배치되는지에 대한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

연구진은 IKKε와 복합체를 형성한다고 알려져있는 단백질 `Spindle-F (Spn-F)`를 조사하였다. Spn-F 유전자는 변이된 체체파리(Spn-F 유전자 변이체)의 강모세포를 조사하였다. 그 결과 IKKε가 제대로 배치되지 않고, ([그림 2]) 통상보다 짧게 가지에서 갈라져 나온 모습으로 있으면 강모 형태가 제대로 만들어지지 않는다는 것을 확인하였다. ([그림 3])

또한 Spn-F가 다른 단백질과 결합하는 것을 생화학적으로 조사한 결과, 세포질 다이닌(dynein)과 복합체를 형성한다는 것을 확인하였다. 세포질 다이닌은 미소관의 물질을 운반하는 중요한 분자모터이다. 이 결과로부터 Spn-F는 IKKε과 세포질 다이닌이 결합을 국재하는 어답터 역할을 한다는 것을 확인하였다.

다음으로 신장단에서 Spn-F가 어떻게 안정되는지를 조사하기 위해, Spn-F에 녹색형광단백질(GFP)로 표시하여 광퇴색후형광회복시간(FRAP법)을 이용하여 신장단의 Spn-F가 세포질의 Spn-F에 옮겨지는 속도를 조사하였다. FRAP법은 레이저 조사 등에 의해 세포내 특정 영역의 형광을 퇴색시킨 후 그 영역이 형광을 회복하는 시간을 관찰하는 방법으로 형광 분자의 동태에 관한 정보를 취득하는데 이용된다. 관찰 결과 Spn-F는 일단 신장단에 배치되면 옮겨지지 않고, 안정적으로 신장단에 붙어있다는 것을 확인하였다.

이어 연구팀은 IKKε-Spn-F 복합체가 신장단에 붙어있는 메커니즘을 조사하였다. 그 결과 Spn-F와 결합하는 것으로 알려져있는 Javelin-like（Jvl)라고 불리는 단백질이 IKKε-Spn-F 복합체 부착에 중요하다는 것을 확인하였다. Jvl 유전자가 변이된 체체파리(Jvl 유전자 변이체)의 강모세포에서는 IKKε-Spn-F 복합체는 세포신장 초기 신장단에 존재하지만, 신장이 진행되며 신장단에서 사라지게된다.

또한 형광단백질에 표식한 Spn-F와 Jvl의 움직임을 배양세포의 라이브 이미징에 의해 조사한 결과, Spn-F와 Jvl이 각각 단독으로 존재할 때, 극소관을 따라 다이나믹하게 움직인다는 것을 확인하였다. 하지만 Spn-F-Jvl 복합체가 형성된 경우에는 움직이지 않았다. Jvl와 IKKε-Spn-F 복합체는 각각 미소관을 따라 신장단으로 운송되어 선단부에 집적 및 농축되며, 복합체를 형성한다는 것을 확인하였다. 이에 Spn-F와 Jvl의 결합으로 그 움직임이 멈추고, 신장단에 부착되어 IKKε가 안정적으로 신장단에 배치된다는 것을 확인하였다.

연구진은 위의 결과로부터 체체파리의 강모세포에서 세포신장의 사령탑인 IKKε-Spn-F복합체가 극성 수송과 선택적 체류라는 2단계로 신장단에 배치된다는 것을 밝혀내었다.

이번에 체체파리의 강모세포에서 세포 신장의 사령탑인 IKKε가 극성 운송 및 선택적으로 체류라는 2단계 프로세스로 신장단에 배치된다는 것을 밝혀낸 것은 복잡한 형태를 가진 세포 형성의 메커니즘을 어떻게 제어하는지에 관한 연구에서 중요한 결과이다.

또한 연구진은 지금까지 다이닌에 의해 신장단을 이동시키는 별도의 분자가 세포 신장의 신장단에 멈추는 IKKε와는 다르게, 신장단과 세포체 사이에 왕복운동을 한다는 것을 확인하였다. 그 결과 강모세포의 신장단이 물류거점으로 작용하여, 세포를 보낼 것인지, 체류시킬 것인지를 선택한다는 것을 보여주었다. 본 성과는 세포 내에서 어떻게 물류거점이 형성되고 유지되는지, 어떻게 집하가 구분되는지에 관한 세포 생물학 연구 분야에 공헌할 것으로 기대된다.

본 연구성과의 자세한 내용은 Development지에 게재된 논문 "A transport and retention mechanism for the sustained distal localization of Spn-F-IKKε during Drosophila bristle elongation"에서 확인할 수 있다.

[그림 1] 세포신장의 사령탑

[그림 2] 야생형과 spn-F 유전자 변이체의 강모세포의 IKKε의 국재

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[그림 3] spn-F유전자 변이체가 확인되는 강모이상.