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미생물이야기 각각의 세포는 위치에 따라 각자의 역할이 다르다.
2013-08-16 14:34:19
이엠생명과학연구원

세포는 살아 있는 생명체를 구성하는 가장 기본 단위. 고등동물이 될수록 세포의 수는 늘어간다. 만물의 영장인 인간의 세포 수는 얼마일까?

“인간의 세포 수는 약 60조개로 구성되어 있다. 지구상의 인구가 약 60억 명임을 감안하면 매우 많은 수임을 짐작할 수 있다. 그러나 세포 한 개의 크기는 10~20마이크론에 불과하다. 그리고 이 60조개의 세포는 한 가지 종류로 이뤄진 것이 아니고 간세포, 신경세포 등 각 세포가 분포하는 기관의 역할에 따라 서로 다른 기능을 가진다.”

각각의 세포는 위치에 따라 각자의 역할이 다르다는 설명. 송 교수는 이를 한 개의 도시에 비유했다.

“이렇게 작은 하나의 세포는 정적으로 존재하는 것이 아니다. 세포들은 매우 역동적으로 활동하는 하나의 도시에 비유할 수 있다. 예를 들면 운송체들은 자동차에, 세포골격근은 이런 운송체들이 이동할 수 있는 길인 고속도로라 할 수 있다.”

 


세포 내에서 뼈와 같은 기능을 하는 액틴 섬유

▲ 세포 내 물질의 이동을 담당하는 마이크로튜불.  ⓒ
우리 몸이 움직이는 데는 여러 가지 기관들이 작용을 하기 때문이다. 특히, 뼈와 같은 골격근은 활동에 필수적인 근육이다. 세포가 몸처럼 역동적으로 활동하려면 역시 같은 기능을 하는 골격근이 있어야 한다.

“뼈가 우리 몸을 구조적으로 지탱하고 근육이 우리가 움직일 수 있는 힘을 제공하듯이, 세포골격근은 세포의 형태 유지와 움직임에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 세포골격근에는 액틴(actin) 필라멘트와 마이크로튜불, 그리고 중간 세사구조체가 있다.”

액틴은 대부분의 세포에서 세포골격의 주성분이다. 액틴은 중합반응에 의해 액틴 필라멘트를 형성하는데 이는 가늘고 유연한 섬유와 같다.

“길이가 몇 마이크로미터까지 가는 액틴은 박테리아에서 인간에 이르는 진화기간 동안 가장 잘 보존된 단백질이다. 따라서 액틴의 세포 내 기능은 매우 중요하다. 액틴 필라멘트는 단일 구조의 복합체이며 둥근-액틴의 중합과정을 통해 여러 단백질과 결합해 섬유를 형성한다. 이 섬유는 세포막 표면 아래에서 세포의 구조를 유지시키는 기능을 한다.”

이러한 액틴 섬유는 계속해서 중합과 분해를 통해 세포의 이동을 담당하고 인체를 이루는 골격근과 심장근에도 분포, 움직일 때 근육을 움직여 추진력을 제공한다. 또 심장이 쉬지 않고 박동할 수 있는 이유도 액틴 섬유의 작용이다.

세포 내 물질의 이동을 담당하는 마이크로튜불

세포의 골격에는 액틴뿐 아니라 미세소관이라고도 하는 마이크로튜불이 있다. 이는 세포 내의 가장 다이내믹한 움직임을 매개하는 역할을 한다고 송 교수는 말했다.

“마이크로튜불(미세소관)은 액틴보다 복잡한 망상체를 이루고 있다. 액틴이 건물을 지지하는 뼈대의 역할을 한다면 마이크로튜불은 한 도시, 한 국가 내의 자동차, 교통수단들이 이동시 이용하는 도로망의 역할을 한다.”

▲ 참관자들이 액틴 섬유의 세포내 활동 모습을 동영상으로 보고 있다.  ⓒ
송 교수는 이를 증명하는 동영상을 하나 보여주었다. 이를 통해 세포 안의 마이크로튜불을 염색하면 도로망과 같이 세포의 한쪽 끝에서 중심까지 연결하는 수많은 그물체와 같은 모양을 확인할 수 있었다.

“마이크로튜불은 알파-튜불린과 베타-튜불린 등의 이중합체가 모여서 이루어진 직경 약 24nm의 복합체 구조다. 미세소관이 세포 내에서 담당하는 기능은 크게 4가지.

첫째는 세포 분열시, 중간에 모인 염색체를 양끝으로 잡아당겨 이동시킨다. 둘째, 세포 내로 들어온 물질들은 소포체에 담겨져 목적 장소까지 이동하는데 이때 목적지까지 소포체들이 이용하는 도로망이 바로 마이크로튜불이다. 셋째, 세포가 이동할 때, 마이크로튜불의 중합 및 분해과정이 반복돼 세포를 끌어당겨서 세포이동의 추진력을 제공한다.

이외에도 마이크로튜불은 매우 중요한 작용을 하나 더 갖고 있다.

“마지막으로 남성의 생식세포에서 생성되는 정자는 머리 부분과 중간 몸통 부분 그리고 꼬리로 구분할 수 있다. 이 정자의 몸통 부분에 존재하는 수많은 미토콘드리아가 ATP를 생성하면 이것이 꼬리를 이루고 있는 마이크로튜불에 전해져 정자의 추진력을 제공한다.”

세포 기능 수행에 매우 중요한 세포골격근

세포내 이동을 담당하는 액틴이나 마이크로튜불에 이상이 생기면 발생하는 질병이 바로 ‘근질환(Myopathy)’이다.

“예를 들면, 운동 신경 내에 액틴 섬유가 적어지면 척수성, 진행성, 근위측증은 근육이 제대로 형성되지 못해서 뻣뻣하게 굳어버리고 이로 인해 사지의 움직임이 자유롭지 못하게 된다. 마이크로튜불에 이상이 생기면 비교적 생소한 ‘섬모이상증후군’과 ‘헌팅턴 무도병’ 등이 발병한다.”

섬모이상중후군은 마이크로튜불의 형성이 정상적으로 이뤄지지 않아서 발병하는데 만성부비동염과 기관지 확장 증세를 보이게 된다. 이 증후군을 가진 환자들은 이상하게도 내장의 위치가 좌우 뒤바뀌어 있다고 송 교수는 설명했다.

헌팅턴 무도병의 경우, 미국에서는 만 명 중에 한 명꼴로 발병하는 질병으로 이를 유발하는 헌팅턴 단백질은 마이크로튜불과 상호작용하는 단백질이기 때문에 이 헌팅턴 병은 마이크로튜불의 중요성을 잘 알려주는 질병이라고 했다.

“세포가 도시와 같다는 나의 말은 건축의 철골구조에 이상이 생기면 건물이 붕괴하듯이, 세포를 지지하는 액틴 섬유나 도로망을 담당하는 마이크로튜불에 이상이 생기면 많은 질병들이 발생하게 되는 것이다. 즉, 액틴과 마이크로튜불 등과 같은 세포 골격근은 세포가 제 기능을 수행하기 위해 가장 중요한 단백질이다.”

광주과학기술원 생명과 세포인식네트워크 연구실을 이끄는 송 교수는 그동안 세포 연구를 통해서 몇 가지 성과를 도출해냈다.

‘SPIN90(SH3 Containing Protein Interacting with Nck 90kDa)’이라는 단백질을 ‘yeast 2 hybrid 실험방법을 통해 새로이 동정했고 이를 통해 SPIN90 단백질의 N terminus 부분이 세포 내 유입과정을 방해하는 것을 ’면역항체 검출법-western blotting immunostainning‘을 통해서 새로이 밝혀냈다.

송 교수는 세포 내의 생체분자 움직임을 형광 현미경을 사용, 탐지해 이번 금요일에 과학터치에서 소개했다.

“SPIN90 단백질이 액틴중합과정과 세포 내 유입과정에 연관이 있음을 보여주는 결과를 최근에 만들어진 ‘SPIN90 knock-out mice’를 통해 재 증명하고 SPIN90 단백질이 액틴 섬유 및 세포 내 유입과정에서 일반적으로 작용하는 기작에 대해서 추가적으로 연구해 세포 골격근이 가지는 비정상적 형태로 인한 질병의 치료에 도움이 되고자 한다.”




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