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곤충의 산소전달, 기존 학설 뒤엎는 새로운 발견

- 초파리 혈구세포가 체내 산소 분압을 조절하는 기전 규명 

- 한양대학교 심지원 교수 연구팀, 초파리 유충의 혈구세포가 산소전달 능력 확인

 

한양대학교 생명과학과 신민규박사, 심지원 교수, 이대원 학생

국내 연구진이 곤충의 혈구세포가 산소를 전달하는 새로운 기전을 밝혀 곤충의 호흡작용과 진화에 대한 새로운 단초를 제공했다. 지금까지 정설로 자리 잡고 있던 곤충의 산소전달 방법이 뒤집히는 연구 결과가 나왔다.

한양대학교 심지원 교수 연구팀이 초파리 유충의 혈구세포가 산소전달을 하는 능력을 갖추고 있음을 확인하고, 그 원리를 규명했다고 밝혔다. 지금까지 곤충의 산소호흡은 외부와 직접 연결되어 있는 숨관을 통해 이루어진다고 알려져 있었으며, 곤충의 골수성 혈구세포는 호흡작용과 무관하다고 생각되었다.

연구팀은 초파리 유전학 및 이미징 기법을 사용하여 초파리 혈구세포 중 크리스탈세포(Crystal cell)*의 호흡조절 분자기전을 규명했다.

*크리스탈세포: 초파리의 세 가지 골수성 혈구세포 중 흑색화 작용에 관여하는 혈구세포

 

진화학적으로 새롭게 규명된 곤충 혈구세포

연구팀은 산소분압 변화에 따라 변화하는 혈구세포들의 움직임을 실측영상으로 촬영한 결과, 혈구세포들이 숨관과 혈장 사이에서 방향성 있게 이동함을 발견하였으며, 특히 이 과정에서 크리스탈세포가 주된 역할을 한다는 것을 밝혔다. 특히, 크리스탈세포의 이동은 산소농도에 따라 세포 내 단백질 상 변화를 일으키는 프로페놀 산화효소(PPO)*에 의해 조절됨을 확인했다.

*프로페놀 산화효소(Prophenoloxidase): 페놀 산화효소의 전구체로 흑색화 작용에 관여하는 효소이며 헤모시아닌의 공통 조상 단백질

또한, 유전자 조작을 통하여 크리스탈세포가 없거나 프로페놀 산화효소가 제거된 초파리 유충이 산소가 부족한 것과 같은 표현형을 보임을 발견했다.

추가 실험을 통해 초파리 유충이 특히 먹이 속에 파묻혀 발생할 때 크리스탈세포의 산소 전달 기능이 필수적인 기전으로 작용함을 증명하였다.

이번 연구성과에 대해 심지원 교수는 “초파리 유충의 혈구세포가 체내 산소분압을 조절하는 기능을 최초로 규명한 본 연구는 생물학 교과서를 바꿀 내용”이라며, “본 연구가 곤충을 비롯한 무척추동물의 호흡발달과 진화를 이해하는 데에 도움이 되길 바란다”는 기대를 전했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 최저명 국제학술지 ‘네이쳐(Nature)’에 6월 26일 게재되었다.

논문명은 Drosophila immune cells transport oxygen via PPO2 protein phase transition이며 저자는 심지원 교수(교신저자/한양대학교), 신민규 박사(제1저자/한양대학교), 은지 학생(제1저자/한양대학교), 이대원 학생(제1저자/한양대학교), 김나윤 학생(공저자/KAIST), 조범식 박사(공저자/한양대학교), 차누리 박사(공저자/한양대학교), 코란텡 페르디난드 (Ferdinand Koranteng)박사(공저자/한양대학교), 송지준 교수(공저자/KAIST) 등이다.

□연구개요

1. 연구의 필요성

○ 지금까지 학계에서는 곤충의 호흡이 숨관 의존적으로 일어나며 곤충에는 적혈구 유사 혈구세포가 존재하지 않는다고 알려져 있었음.

○ 하지만, 수생 곤충이나 거대 곤충 등이 숨관에 의존한 호흡기체 확산을 통해 충분히 기체교환을 할 수 있는 지의 여부는 불투명했으며, 새로운 패러다임을 제시할 관련 연구가 절실히 필요했음.

○ 최근, 초파리의 혈구세포 중 크리스탈세포(Crystal cell)*가 산소와 이산화탄소의 분압에 따라 분화가 조절되는 기전이 밝혀졌지만, 크리스탈세포가 직접 산소호흡에 관여하는 지는 알려진 바 없었음.*크리스탈세포: 초파리의 세 가지 골수성 혈구세포 중 흑색화 작용에 관여하는 혈구세포

2. 연구내용

○ 본 연구진은 유전자 조작을 통해 크리스탈세포를 제거한 초파리 유충이 정상 산소분압에서도 저산소 환경에서 자란 개체와 동일한 표현형을 보임을 발견하였음.

○ 초파리 유충을 다양한 산소분압 환경에서 키우며 혈구세포를 관찰한 결과, 산소분압의 변화에 따라 혈구세포들이 숨관과 순환하는 혈액 사이에서 일정한 움직임을 보인다는 것을 발견하였으며, 이러한 혈구세포의 이동은 크리스탈세포 의존적임을 확인하였음.

○ 연구진은 크리스탈세포 특이적 유전자를 RNAi 기법을 통해 분석하여 크리스탈세포 내부에 결정을 이루고 있는 프로페놀 산화효소2(PPO2)의 단백질 결정화가 산소분압과 구리농도, pH에 따라 혈구세포 움직임을 조절하는 기전을 규명하였음.○ 초파리 유충은 초기 생활사의 대부분을 먹이 속에 파묻힌 형태로 보내는데, 이 시기 동안 숨관에 의존한 호흡이 어려울 수 있음. 연구진은 이러한 초파리 유충의 발달과정에서 크리스탈세포에 의한 산소전달이 중요한 역할을 수행함을 확인하였음.

○ 초파리의 프로페놀 산화효소2는 흑색화 기전의 주요 효소로 잘 알려져 있지만, 단백질 진화 상 헤모시아닌의 선조 단백질로 분류됨. 연구진은 유전자 재조합을 통해 프로페놀 산화효소2가 없는 크리스탈세포에 투구게의 헤모시아닌을 도입해주었을 때 초파리 유충의 저산소 표현형이 회복되는 것을 확인하여 진화적으로 보존된 크리스탈세포 내 프로페놀 산화효소2의 호흡기능을 제시하였음.* 헤모시아닌 : 무척추동물에서 발견되는 산소전달 단백질로 구리를 매개로 산소를 전달함

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구를 통해 기존에 생명과학 교과서에서 알려져 있던 학계의 가설과 달리 초파리와 같은 곤충의 혈구세포가 직접 산소전달을 할 수 있는 가능성을 새롭게 제시했으며, 사람의 적혈구와 유사한 기능을 하는 혈구세포가 곤충에서 면역기능과 산소호흡기능을 동시에 수행하며 보존되어 있을 가능성을 최초로 제시하였음.

○ 또한 본 연구는 열린 혈관계를 가진 무척추동물의 호흡기능에 대한 새로운 통찰력을 제공하며 혈구세포와 혈관계, 호흡계의 진화에 대한 실마리를 풀 수 있는 새로운 실마리로서 폭넓게 응용될 수 있기를 기대함.

한국연구재단 홍보실 제공

노벨사이언스  science@nobelscience.co.kr

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