^*인지질(燐脂質, phospholipid): 당지질, 콜레스테롤, 단백질과 함께 생체막을 이루는 주요 성분이며, 인을 포함하는 지질의 일종이다. 지방산이 있는 부위는 물과 잘 섞이지 않는 소수성이고, 인산기가 있는 부위는 물 분자와 쉽게 섞이는 친수성이다. 진핵생물의 세포 내 소기관들(핵, 엽록체, 미토콘드리아 등)을 구성하는 중요한 요소다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

인간과 같은 고등생명체는 진핵세포로 구성된다. 진핵세포에는 핵‧소포체‧골지체‧리소좀 등 다양한 세포 소기관이 있는데, 이들은 각기 고유한 기능을 수행한다. 진핵세포의 생존을 위해서는 세포 소기관끼리 끊임없이 소통하고 다양한 물질을 교환해야 한다. 이런 물질 교환은 주로 ‘소낭’이라는 작은 막구조체를 매개로 일어난다는 게 기존에 알려진 내용이었다. 그런데 소낭을 서로 교환하지 않는 세포 소기관 사이에도 물질 교환이 필요하다는 게 밝혀지면서 새로운 물질 교환 경로의 가능성이 대두됐다.

최근에는 세포 소기관들이 물리적으로 접촉하면서 ‘막접촉면’을 형성하고, 이를 통해 다양한 물질이 이동한다는 게 밝혀졌다. 하지만 막접촉면을 형성하는 단백질의 구조와 이들의 작동 원리에 대한 연구는 여전히 미지의 영역으로 남아 있다.

2. 연구내용

본 연구진은 효모 세포에서 소포체와 미토콘드리아 간의 막접촉점을 형성하는 단백질 복합체인 ‘ERMES(Endoplasmic reticulum-Mitochondria encounter structure)’의 구조와 작동 원리를 연구대상으로 삼고 있다.

ERMES는 4개의 단백질이 결합돼 있는데, 이번 연구에서는 ‘Mmm1 단백질’과 ‘Mdm12-Mmm1 단백질 복합체’를 집중적으로 분석했다. 이들 단백질 복합체의 3차원 구조 분석에는 X-ray 결정구조법이 이용됐다. 이런 구조생물학적 연구를 기반으로 Mmm1단백질과 Mdm12 단백질의 상호작용을 비롯해 소포체와 미토콘드리아 간의 막접촉점 형성 메커니즘을 밝혀냈다.

이번 연구 결과, Mmm1 단백질과 Mdm12 단백질은 인지질 결합에 적합한 환경을 가지고 있다는 게 밝혀졌다. 인지질이 잘 달라붙을 수 있다고 알려진 SMP 도메인을 형성하고 있었던 것이다. 또 이런 SMP 도메인이 인지질과 직접 결합하면서 물질 수송이 가능하다는 것도 알아냈다.

또 두 단백질이 결합해 내부에 약 210옹스트롬(Å, 100억 분의 1m) 길이를 갖는 연속적인 터널을 형성하고 있음을 밝혀냈다. 이 터널은 물을 싫어하는 성질, 즉 소수성(hydrophobic) 환경을 조성하고 있다. 이 덕분에 소수성 특징을 갖는 인지질이 두 단백질 사이를 원활하게 옮겨 다닐 수 있다. 두 단백질 결합으로 만든 터널이 인지질이 지나다니는 일종의 다리(bridge) 역할을 한다는 게 처음으로 밝혀진 것이다.

연구진은 분석 결과를 검증하는 실험도 진행했다. Mmm1 단백질과 Mdm12 단백질 상호작용을 억제하는 돌연변이와 터널을 방해하는 돌연변이를 만들어 본 것이다. 그 결과 두 단백질 사이에서 인지질이 결합하지 못했고, 인지질 수송이 급격히 저하되는 것이 증명됐다.

또 소포체 단백질인 Mmm1과 세포질 단백질인 Mdm12이 특정한 인지질만 선택적으로 결합하는 것도 증명했다. 이러한 사실을 바탕으로, 막접촉점을 형성하는 단백질이 미토콘드리아와 소포체가 합성할 수 있는 특정한 인지질만을 특이적으로 선별하고 수송하는 역할을 수행할 수 있다는 새로운 메커니즘도 밝혀냈다.

3. 기대효과

그동안 세포소기관 막접촉점은 전자현미경으로 세포를 관측하는 정도의 해상도로만 연구됐다. 이번 연구에서는 X-ray 구조법을 사용해 소포체와 미토콘드리아 막접촉점을 형성하는 단백질 복합체의 입체 구조를 원자 수준의 높은 해상도로 관측했다. 또 관측 결과를 기반으로 막접촉점의 형성 과정과 인지질 수송과 같은 기능에 대한 이해를 높였다.

서로 다른 세포소기관 사이에서 막접촉점을 형성하는 단백질을 통해 물질 수송이 일어난다는 새로운 이론을 실험적으로 증명한 것과 이것을 3차원 구조로 보여준 것은 큰 의미가 있다. 소낭에 의한 물질 교환이 아닌 새로운 세포 내부의 물질이동 경로에 대한 연구에서 새로운 전기를 마련했기 때문이다.

미토콘드리아-소포체 막접촉점 단백질 복합체의 3차원 구조 규명 기술은 향후 다른 막접촉점 생성 원리 규명하는 연구에도 널리 유용하게 활용될 전망이다. 이를 통해 얻게 될 진핵세포의 생성과 조절 원리에 대한 지식은 인류의 오랜 숙원인 생명 기원에 대한 신비를 해결하는 중요한 열쇠가 될 것이다. 또 세포 내 물질 이동 문제로 생긴 질병 치료법 개발에도 이론적 단초를 제공할 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. PNAS

미국과학학술원(NAS)이 발행하는 국제학술지로 100여 년의 역사와 권위를 가지고 있다. (2017년 기준 Impact Factor: 9.423)

2. 진핵세포(eukaryotic cell)

인간과 같은 고등생명체를 구성하는 세포로서, 세균 같은 원핵세포와 구별된다. 유전정보를 저장하는 ‘핵’, 단백질과 지질을 합성하는 ‘소포체’, 생체 물질을 분해하는 ‘리소좀’ 등 다양한 기능을 수행하는 ‘막구조체’ 즉, 세포 소기관을 포함한다.

3. 세포 소기관(intracellular organelle)

진핵세포에 다양한 형태로 존재하는 막구조체. 각기 고유한 화학적 환경을 갖추고 있어 독특한 기능을 수행한다. 소포체, 골지체, 핵, 리소좀 등이 대표적인 세포 소기관이다. 진핵세포는 이런 세포 소기관들의 상호작용을 통해 생성, 유지된다. 이 때문에 진핵세포를 이해하려면 세포 소기관의 기능과 상호작용을 반드시 이해해야 한다.

4. 세포 소기관 간 막접촉점(Inter-organellar membrane contact site)

서로 다른 세포 소기관들이 물리적으로 접촉하는 곳. 주로 특정 단백질들이 단백질복합체를 만들면서 형성된다. 막접촉점의 정확한 기능은 아직 밝혀지지 않았으나, 주로 막접촉점을 통해 지질, 이온 등 다양한 물질이 상호 교환된다고 알려졌다.

5. ERMES(Endoplasmic reticulum-Mitochondria encounter structure) 복합체

소포체 단백질인 Mmm1과 미토콘드리아 단백질인 Mdm34와 Mdm10, 세포질에 존재하는 Mdm12가 결합된 단백질 복합체다. 효모 세포에서 소포체와 미토콘드리아의 막접촉면 형성을 직접적으로 매개해 인지질 생합성, 미토콘드리아 역동성, 이온 수송 등 다양한 역할에 관여하는 것으로 알려졌다.

6. 인지질(Phospholipid)

진핵세포의 세포막을 이루는 기본 성분. 소수성 꼬리(지방산)와 친수성 머리(인산) 를 기본단위로 한다. 물이 풍부한 세포 내에서 친수성인 머리 부분은 안과 밖을 향하고, 소수성인 꼬리는 서로 마주보는 형식으로 인지질 이중층을 형성한다.

[붙임] 그림 설명