[요약] 비대칭은 생물학에서 매우 큰 부분을 차지한다. 인간으로 보면 왼손잡이, 오른손잡이가 있는 이유가 생물학자들의 오랜 관심이다. 프랑스 국립과학연구원(CNRS) 연구진과 미국 펜실베이니아대학 연구진은 공동연구를 통해 이같은 생물체에서 비대칭을 유발하는 핵심 단백질을 규명하고 비대칭의 기원을 찾아내는 데 성공했다. (2018. 11.)
비대칭은 생물학에서 중요하면서 오래된 연구 테마다. DNA의 이중나선, 좌측에 위치한 인간의 심장, 오른손잡이·왼손잡이를 떠올리면 인체에서도 굉장히 많은 비대칭 구조가 있다는 점을 알 수 있다. 프랑스 국립과학연구원(CNRS) 생물학연구소 연구진은 미국 펜실베이니아대학교 연구진과 함께 단일 단백질이 어떻게 특정 분자에서 나선 운동을 유도하는지를 밝혀냈다. 단백질과 분자 수준의 이같은 움직임은 도미노 효과를 유발해 세포와 조직, 인체 전체가 비틀어지도록 만든 뒤 한쪽 방향으로만 행동하도록 만들 수 있다는 것이다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스’에 발표됐다.
우리 세계는 근본적으로 비대칭 세계다. DNA의 이중나선 구조나 줄기세포의 비대칭성, 인간의 심장이 왼쪽에 위치한다는 사실만 거론해도 충분하다. 하지만 이러한 비대칭이 어떻게 생겨나고 서로 어떻게 연결돼 있는지에 대해서는 지식이 많지 않다.
CNRS 생물학연구소를 비롯한 국제 공동연구진은 몇 년 동안 이같은 수수께끼를 해결하기 위해 좌우 비대칭 현상을 연구했다. 생물학자들은 우선 초파리 대상 연구에서 비대칭 현상을 제어하는 첫 번째 유전자를 규명했다. 최근 연구에서는 이 유전자가 척추동물에서도 동일한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다. 근육단백질을 구성하는 2가지 기본 단백질 중 하나인 ‘미오신(Myosin)’ 단백질의 한 종류인 ‘미오신 1D’라는 단백질이 세포기관의 나선감기나 회전을 같은 방향으로 제어한다는 것이다.
CNRS와 펜실베이니아대 연구진은 이번 연구를 통해 초파리에서 미오신 1D 단백질의 생산이 호흡기관처럼 대칭인 세포기관 내부에서 이뤄진다는 사실을 알아냈다. 특히 놀랍게도 이곳에서 생산되는 미오신 1D 단백질만으로도 세포 변형, 나선형의 호흡기, 전신 비틀림, 유충 상태에서의 나선형 운동 등이 진행되는 것으로 분석됐다. 비대칭 효과 역시 한 방향으로만 항상 전개되는 것으로 나타났다. 비대칭 세포나 기관과 관계없이 대칭인 세포기관에서 생산되는 단백질만으로도 생명체 비대칭 현상이 유발된다는 사실을 밝힌 것이다.
연구진은 연속적인 이같은 효과의 기원을 규명하기 위해 세포골격의 핵심 구성요소 중 하나인 ‘액틴(actin)’과 단백질 ‘미오신 1D’를 현미경 시료용 덮개유리에 함께 두고 서로 접촉, 반응하도록 만든 뒤 관찰했다. 그 결과 연구진은 두 단백질 사이의 상호작용이 액틴을 나선형으로 만든다는 것을 확인할 수 있었다.
연구진에 따르면 미오신 1D 단백질은 초파리에서부터 척추동물까지 좌우 비대칭을 유발하는 역할 외에도 분자 수준에서 도미노 효과를 통해 세포와 조직을 넘어 움직임 수준까지 좌우 비대칭을 유발하는 것으로 분석됐다. 미오신 1D 단백질만으로 이같은 진화적 혁신이 가능했고 이 단백질의 발현만으로 모든 규모의 비대칭 현상을 유발하는 데 충분했다고 연구진은 결론내렸다.
원문 링크
http://www2.cnrs.fr/en/3180.htm
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