이런 가운데, 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)과 국제 공동 연구진은 세포가 스스로 방향을 정해 움직이는 원리를 규명, 향후 암 전이와 면역 질환 원인을 밝히고 새로운 치료 전략을 세우는 데 중요한 단서를 제시했다.
KAIST는 허원도 생명과학과 석좌교수팀이 조광현 바이오 및 뇌공학과 석좌교수팀, 이갑상 미국 존스홉킨스대 교수팀과 함께 세포가 외부 신호 없이도 스스로 이동 방향을 결정하는 ‘자율주행 메커니즘’을 세계 최초 규명했다고 10일 밝혔다.
연구팀은 살아있는 세포 내 단백질들이 어떻게 상호작용하는지 눈으로 직접 볼 수 있는 이미징 기술 ‘INSPECT’를 개발했다. 이 기술로 세포가 스스로 어느 방향으로 움직일지 정하는 내부 프로그램 원리를 밝혀냈다.
세포 이동을 조절하는 핵심 단백질인 Rho 계열 단백질(Rac1, Cdc42, RhoA) 작동 방식을 새롭게 분석한 결과, 이 단백질들이 어떤 단백질과 결합하느냐에 따라 세포가 직진할지, 방향을 바꿀지가 달라짐을 밝혀냈다.
이 기술로 연구팀은 15종 Rho 단백질과 19종 결합 단백질을 조합해 총 285쌍 상호작용을 분석해, 그중 139쌍에서 실제 결합이 일어남을 확인했다. 특히 Cdc42-FMNL 단백질 조합은 세포 ‘직진’을, Rac1-ROCK 단백질 조합은 세포 ‘방향 전환’을 담당하는 핵심 회로임을 밝혀냈다.
연구팀은 세포 방향 조절에 중요한 단백질 Rac1의 일부(37번째 아미노산)를 바꿔, 그 단백질이 ‘핸들 역할’을 하는 ROCK 단백질과 잘 붙지 못하게 했다. 그러자 세포는 방향을 바꾸지 못하고 계속 직진했다.
반면 정상 세포에서는 Rac1과 ROCK이 잘 결합해 세포 앞부분에 ‘아크 스트레스 섬유’라는 구조가 생기고, 이 섬유는 세포가 방향을 바꿀 때 직각에 가까운 방향 전환이 되도록 했다.
또 세포가 붙어 있는 환경을 변화시킨 실험에서, 정상 세포는 주변 환경에 따라 이동 속도가 달라졌지만, Rac1F37W 세포(핸들이 고장난 세포)는 환경 변화와 관계없이 속도는 항상 똑같았다.
허원도 교수는 “이번 연구는 세포 이동이 무작위 운동이 아니라, Rho 신호전달 단백질과 세포 이동 관련 단백질의 앙상블이 만들어내는 내재적 프로그램으로 정밀 제어됨을 규명한 것”이라며 “INSPECT 기술은 암 전이와 신경세포 이동 등 다양한 생명현상과 질병 분자 메커니즘을 밝히는 데 폭넓게 활용될 것”이라고 말했다.
한편 KAIST의 이희영 박사, 이상규 박사(현 기초과학연구원 소속), 서예지 박사(현 휴룩스 소속), 김동산 박사(리버뇌개발연구소 소속)가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈에 10월 31일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
