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효모의 일종인 Saccharomyces cerevisiae의 현미경 사진
세포 하나는 대부분 눈으로 볼 수 없을 정도로 작다. 하지만 세포를 연구하는 과학자들에게 세포는 하나의 우주만큼 크다. 미세한 동물 세포 하나에도 엄청난 유전 정보를 담고 있는 DNA와 이를 보호하는 핵이 있다. 그리고 그 주변에는 수많은 세포 소기관이 마치 도시를 유지하는 복잡한 건물처럼 배열되어 있다. 핵이 없는 단순한 박테리아조차도 사실 인간이 만든 비행기보다 복잡한 유기체다.
그렇다면 과연 세포 하나에는 얼마나 많은 단백질 분자가 존재할까? 토론토 대학의 그랜트 브라운 교수가 이끄는 연구팀은 효모(yeast)의 일종인 ‘Saccharomycescerevisiae‘을 대상으로 세포 하나에 존재하는 단백질의 분포를 조사했다. 이 효모를 선택한 이유는 이미 많은 연구가 이뤄져 DNA의 상세한 구조와 DNA가 만드는 단백질이 모두 알려져 있으며 생물 연구용으로 널리 쓰이는 세포이기 때문이다.
연구팀에 의하면 효모 세포 하나에는 6000종류의 단백질이 있으며 대부분 분자량은 1,000-10,000 정도이다. 물론 단백질의 숫자는 종류에 따라 차이가 커서 가장 풍부한 단백질은 50만 개 정도지만, 가장 드문 것은 10개에 불과한 것도 있었다. 그리고 단백질의 전체 숫자는 모두 4,200만 개로 추산됐다. 연구팀은 이 내용을 저널 Cell Systems에 발표했다.
물론 세포를 이루는 가장 흔한 분자는 대부분 물이며 단백질 이외에도 지질과 탄수화물 성분이 들어있다. 하지만 세포의 생명 활동에 있어 가장 핵심이 되고 DNA에서 코딩하는 분자는 역시 단백질이다. 결국, 생명 활동은 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질을 통해 조절되므로 세포를 구성하는 단백질의 숫자와 종류를 파악하는 것은 세포를 분자 단위에서 이해하는 데 큰 도움이 될 것이다. 더 나아가 이번 연구는 작은 세포 하나라도 소우주라고 불러도 좋을 만큼 복잡한 유기체라는 점을 다시 말해 준다.
아래는 2023년 5월 7일 뉴스입니다~
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“생물학책 다시 써야”…새 세포소기관 발견
초파리 장내 세포 연구서 확인
인산염 저장소 역할
세포의 구조를 보여주는 이미지. 빨간 색이 미토콘드리아다. 사진 출처=이스라엘 와이즈만 연구소 홈페이지.
미국 록펠러대 연구팀은 최근 초파리의 세포에서 인산염(Phosphate) 저장소 역할을 하는 새로운 세포 내 소기관을 발견해 지난 4일 국제학술지 네이처(Nature)에 논문을 실었다.
인산염은 식물이나 박테리아, 효모 등이 세포 성장ㆍ에너지 생산ㆍ신호 전달 등에 중요한 역할을 하는 물질이다. 동물 조직ㆍ세포에서 필수적인 기능을 담당한다. 하지만 아직 구체적인 기능이 연구된 적은 없다. 연구팀은 각종 질병이 인간의 장 세포들에 어떤 영향을 미치는지 알기 위해 우선 초파리의 장에서 인산염이 조직 재생 과정에 어떤 역할을 하는지에 대한 연구를 진행하다가 이같은 성과를 얻었다.
연구팀은 초파리에게 세포 내에서 인의 흡수를 제한하는 포스포노포름산(PFA)을 먹였다. 이후 초파리의 장 내벽 세포를 관찰해보니 인산염의 부족으로 세포 수가 급증한 것이 확인됐다. 이같은 빠른 세포 증식은 연구팀이 일반적 수준보다 10% 인산염 성분이 적게 포함된 먹이를 먹였을 때도 똑같이 발생했다. 인산염이 세포 숫자에 중요한 역할을 한다는 점을 시사하는 결과였다.
이에 연구팀은 인산염이 어떻게 이같은 작용을 하는지에 대해 연구했다. 인산염이 부족한 상황이 유전자 발현에 어떤 영향을 미치는지 조사한 것이다. 그 결과 PXo 유전자에 주목하게 됐다. 이 유전자는 포유류의 유전자에 포함돼 있는 인산염 감지 단백질과 유사한데, 연구팀은 세포에 인산염이 부족하면 PXo의 발현도 약하다는 것을 발견했다. 연구팀은 이같은 PXo 유전자의 발현 감소가 세포의 과잉 분열을 촉발하며, 과발현하도록 했더니 다시 세포 분열이 느려진다는 것을 확인했다.
연구팀은 특히 PXo 단백질이 기존의 알려진 어떤 세포 내 소기관도 아닌 독특한 타원형 구조의 배열과 연관돼 있다는 사실을 알아냈다. 이 새로운 세포 내 소기관은 여러 세포막으로 구성돼 있으며, PXo 단백질이 이 막을 통과하면서 인산염을 전달하고 있었다. 또 이 소기관 내에 들어간 인산염은 세포막(membranes)의 주요 성분인 인지질(Phospholipids)로 전환됐다.
연구팀의 관찰 결과 초파리의 세포에서 인산염이 부족해지면 이 새로운 소기관은 분해돼 저장된 인지질을 각 세포로 방출했다. 즉 세포 내에서 인산염 저장소와 같은 역할을 한다는 것이다. 특히 이는 새로운 세포의 생산을 늘리는 신호로 작용했다
연구팀은 “세포 수가 증가하면 더 많은 양분을 흡수할 수 있기 때문에 장내벽이 인산염 수준을 안정적으로 유지할 수 있는 길이 될 수 있다. 해당 조직은 이런 건강한 세포들을 더 많이 재생하는 것이 유익하다”면서 “앞으로 인간을 포함한 다른 동물들에게도 이와 유사한 인산염 저장 소기관들이 있는지 여부를 조사할 수 있는 토대를 마련했다”고 설명했다.