새로운 세포의 물질교환 경로 세계 최초로 발견

세포의 대표적 소기관인 핵과 리소좀을 직접 연결하는

막접촉점의 상호작용을 통해 소낭 없이

물질이 이동하는 경로를 3차원의 입체적인 구조로 처음으로 제시

(그림 1) 효모세포의 세포소기관인 핵과 리소좀을 직접 연결하는 막접촉점 모식도
핵과 리소좀막을 연결하는 막접촉점을 보여주는 세포 사진 (왼쪽 위)과 X-ray 결정법에 의해서 얻어진 Vac8p-Nvj1p 복합체 3차원 구조 모식도를 보여주고 있다. 핵과 소포체 막에 존재하는 Nvj1p 단백질과 리소좀 막에 연결된 Vac8p 단백질이 물리적으로 결합하여 두 소기관의 접촉점을 형성한다(왼쪽 아래 그림). 이번 연구에서 규명한 Nvj1p-Vac8p 단백질 복합체의 초고해상도 3차원 구조로부터 두 단백질 특정 아미노산 사이의 분자 간 결합을 보여주고 있다. (오른쪽 그림)
* X-ray 결정법 : 단백질과 같은 화합물들의 3차원 구조를 원자수준의 해상도로 분석할 수 있는 방법이다. 분석하고자 시료를 단결정(crystal)화 시키고, X-ray에 회절 시켜 나온 데이터를 분석하여 3차원 구조를 규명한다.

생명을 구성하는 최소 단위인 세포 가운데 인간을 비롯한 고등생명체를 구성하는 단위인 진핵세포에서 일어나는 새로운 물질교환 경로와 메커니즘을 세계 최초로 규명하였다.

* 진핵세포 : 핵막에 의해 핵과 세포질이 분리되어 있는 형태의 세포

세포는 미토콘드리아*, 핵*, 소포체*, 리소좀* 등의 작은 소기관으로 구성되어 있다. 지금까지 연구에서는 이 소기관들 사이에서 단백질과 같은 물질이 이동할 때, 일종의 보자기인 소낭에 담겨 전달된다고 알려져 있었다. 연구팀은 세포의 대표적 소기관인 핵과 리소좀을 직접 연결하는 막접촉점의 상호작용을 통해 소낭 없이 물질이 이동하는 경로를 3차원의 입체적인 구조로 처음으로 제시했다.

* 미토콘드리아 : 진핵세포에서 세포 호흡을 통하여 에너지를 생산하는 소기관

* 핵 : 진핵세포의 중심에 있는 공 모양의 소체로서 유전물질 (DNA)을 보유

* 소포체 : 세포질에 있는 단일 막으로 이루어진 납작한 주머니 모양의 소기관

* 리소좀 : 세포 내 소화 작용을 하며 단일 막으로 둘러싸인 소기관

* 막접촉점 : 세포막 구조체로 둘러싸여 있는 세포 소기관이 세포막에 연결된 단백질을 매개로 이웃해 있는 다른 세포 소기관과 10-30 나노미터 사이의 거리를 유지하며 물리적으로 접촉해 있는 특정 부위

이창욱 교수(울산과학기술원) · 전영수 교수(광주과학기술원) 공동연구팀은 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구, 집단연구)과 교육부 이공학개인기초연구지원사업을 수행했으며 연구내용은국제적인 학술지 미국과학학술원회보 (PNAS)에 5월 24일자에 게재되었다.

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

- 논문명 : Mechanistic insight into the nucleus-vacuole junction based on the Vac8p-Nvj1p crystal structure

- 저자 정보 : 이창욱 교수(교신저자, 울산과학기술원), 전영수 교수(공동 교신저자, 광주과학기술원), 정한빈(제1저자, 울산과학기술원), 박주미(공동 제1저자, 울산과학기술원), 김혜인(공동 제1저자, 울산과학기술원), 이미리암(공저자, 광주과학기술원), 고영준(공저자,광주과학기술원), 이상화 박사(공저자, 광주과학기술원)

논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

세포 내부에서 일어나는 물질이동은 주로 소낭(vesicle)이라는 작은 막구조체에 의해서 이루어지는 것으로 알려져 있다. 그러나 소낭에 의한 물질이동 경로 이론(2013년 노벨생리의학상 수상)만으로는 설명할 수 없는 세포 내 물질이동 현상이 존재한다.

이 중 세포소기관들이 직접 서로 물리적으로 접촉하여 막접촉면*을 형성하고 이를 통해 다양한 물질이 교환될 수 있다는 사실이 최근 연구를 통해 알려졌으나, 이러한 과정을 매개하는 단백질들의 정체와 작동 메커니즘은 여전히 미지의 영역으로 남아 있었다.

* 막접촉면 : 세포막 구조체로 둘러싸여 있는 세포 소기관이 세포막에 연결된 단백질을 매개로, 이웃해 있는 다른 세포 소기관과 10-30 나노미터 사이의 거리를 유지하며 물리적으로 접촉해 있는 특정 부위를 말한다.

2. 연구 내용

연구팀은 단일 진핵세포 생명체인 효모를 연구모델로 이용하여 핵과 리소좀 간의 막접촉점인 NVJ(nucleus-vacuole junction)*를 형성하는 단백질복합체인 Nvj1p-Vac8p*의 3차원 구조를 규명하였다. 이러한 구조생물학적 연구를 기반으로 NVJ형성과 여기에서 일어나는 다양한 생명현상의 메커니즘을 밝혀냈다.

* NVJ : 핵막 및 소포체 막과 리소좀 막이 10-30 나노미터 정도의 사이를 두고 물리적으로 접촉해 있는 세포 내 특정 지역

* Nvj1p-Vac8p : 리소좀 단백질인 Vac8p과 핵/소포체 단백질인 Nvj1p가 결합된 단백질 복합체

연구팀은 Vac8p 단백질이 스캐폴드 특징을 가지고 있으며, 결합되는 단백질의 기능에 따라 다양한 역할을 수행할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

* 스캐폴드: 단백질의 구조적인 특징 중의 하나로서 서로 다른 기능을 가지고 있는 여러 단백질들과 결합할 수 있는 특징을 가지고 있다.

연구팀은 새롭게 규명된 Nvj1p-Vac8p의 3차원 구조를 바탕으로 핵과 리소좀 간의 막접촉점 형성에 중요하게 작용하는 아미노산 상호작용을 분석하였다. 분석 결과를 토대로 효모 세포에서 이러한 아미노산을 돌연변이 시켰을 때, 두 소기관을 연결하는 막접촉점이 사라지고, 핵과 리소좀 간의 물질 이동이 억제되는 것을 보였다. 또한 연구팀은 돌연변이 효모에서는 NVJ에서 일어나는 모든 세포 활동이 억제되는 것을 관찰하여 그간 이론적으로만 알려져 있었던 막접촉점에서 생명활동을 처음으로 증명하였다.

3. 연구 성과

그동안 세포 소기관 막접촉점은 전자 현미경으로 세포를 관측하는 정도의 해상도로만 연구가 되어왔다. 이번 연구에서는 X-ray 구조법을 사용하여 막접촉점을 직접적으로 연결해주는 단백질 복합체의 입체 구조를 원자 수준의 높은 해상도로 관측하였고, 이를 기반으로 막접촉점의 형성 과정과 기능에 대한 이해를 높였다.

막접촉점 형성 메커니즘과 이를 통한 물질 이동경로에 대한 발견은 그동안 원활한 물질 이동이 일어나지 않았을 때 발생하는 것으로 알려진 퇴행성 뇌질환이나 여러 대사질환의 원인을 연구하는데 활용될 수 있다.

세포 소기관 막접촉 면의 고해상도 구조 분석을 통해 사람과 같은 고등생명체를 구성하는 진핵세포 내에서 일어나는 물질교환 경로 및 메커니즘 규명의 새로운 전기를 마련하였다.

세포소기관 간 막접촉점을 형성하는 단백질복합체의 3차원 구조를 규명한 것은 이 연구가 세계 최초의 사례이기 때문에 핵-리소좀 간의 막접촉점 외에 고등 세포 내에 존재하는 막접촉면 연구에 지대한 영향을 미칠 것으로 기대된다.

이창욱 교수·전영수 교수는 “이 연구는 인간과 같은 고등생명체를 구성하는 진핵세포의 세포소기관 간 막접촉점을 형성하는 단백질 복합체의 구조와 작동 메커니즘을 최초로 밝혔으며, 이는 생명의 기원에 대한 이해, 세포 내 물질 이동의 결함에 의해 야기되는 질병치료법 개발에 새로운 이론적 단초를 제공할 수 있을 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

(그림 2) 핵과 리소좀 막접촉점 형성 메커니즘을 보여주는 모식도
핵막과 소포체막에 연결된 Nvj1p 단백질과, 리소좀막에 연결된 Vac8p 단백질이 직접 결합하여 두 소기관 사이의 막접촉점을 형성하는 메커니즘을 보여준다. Nvj1p 단백질 말단에 존재하는 아미노산이 Vac8p단백질의 아미노산과 결합하면서 Vac8p 단백질이 이합체를 형성하도록 유도한다

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

ㅇ 생명의 기원 및 생성원리를 이해하는 것은 인류의 오랜 숙원이었으나, 최근의 눈부신 생명과학의 발전은 이러한 숙원을 해결할 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 세포는 생명체의 기본단위로서 세포의 생성원리를 이해하는 것이야말로 생명의 기원을 이해하기 위한 첫걸음이라 할 수 있다.

ㅇ 인간과 같은 고등생명체를 구성하는 진핵세포는 세균과 같은 원핵세포로부터 진화되었다고 믿어지고 있으며, 진핵세포로의 진화과정에서 가장 중요한 과정 중의 하나가 바로 내막계의 형성이라고 할 수 있다. 즉, 세포막이 세포내부로 함입되면서 세포소기관이라는 다양한 막구조체를 형성하였고, 이러한 세포소기관의 존재가 진핵세포가 원핵세포와 차별화되는데 크게 기여하였다고 할 수 있다. 따라서 세포소기관의 생성원리와 이들간의 물질교환을 이해하는 것은 진핵세포의 기원 및 진화과정을 이해하는데 필수불가결한 것이다.

ㅇ 진핵세포에는 핵, 소포체, 골지체, 리소좀 등 다양한 세포소기관이 존재하며 각기 고유한 기능을 수행하고 있으며, 진핵세포의 생존을 위해서는 이들 세포소기관은 끊임없이 서로 소통하고 다양한 물질을 교환해야 한다. 세포 소기관들 간의 물질교환은 주로 소낭이라는 작은 막구조체에 의해 매개된다고 알려져 있었으나, 소낭을 서로 교환하지 않는 세포 소기관들 간에도 물질교환이 일어나야 된다는 것이 알려지면서 새로운 물질교환 경로의 존재 가능성이 대두되었다. 최근 세포소기관들이 서로 물리적으로 접촉하면서 막접촉면을 형성하고, 이를 통해 다양한 물질이 이동될 수 있음이 밝혀지면서 이러한 가능성은 사실로 확인된 바 있다. 하지만 막접촉면을 형성하는 단백질과 작동 메커니즘에 대한 연구는 여전히 미지의 영역으로 남아 있다.

2. 연구내용

ㅇ 이 연구에서는 단일 진핵세포 생명체인 효모를 연구모델로 이용하였다. 효모 세포에서 핵과 리소좀간의 막접촉점으로 알려진 NVJ (Nucleuss-Vacuole Junction)를 형성한다고 알려진 Nvj1p-Vac8p 단백질복합체의 3차원구조를 X-ray 결정구조연구를 통해 규명하였다.

ㅇ 이러한 구조생물학적 연구결과를 바탕으로 Nvj1p 및 Vac8p 두 단백질들이 어떻게 상호작용을 하면서 복합체를 형성하고, 또 이러한 복합체 형성이 어떻게 NVJ라는 핵-리소좀 간 막접촉점을 형성하게 되는지에 대한 작동 메커니즘을 규명하였다.

ㅇ 또한 효모의 Nvj1p-Vac8p 단백질복합체 형성 양상이 인간에서 발견되는 유사 단백질복합체의 형성과 놀라울 정도로 비슷하다는 점을 확인하였다. 이것은 Nvj1p-Vac8p 단백질복합체가 막접촉면 형성을 매개하는 역할뿐만 아니라, 인간과 같은 고등 세포에서 보여주는 유사 단백질의 기능도 동시에 수행할 수도 있다는 것을 암시한다. 따라서 핵과 리소좀 간의 막접촉점에서 일어나는 새로운 생명활동을 밝히는 데 중요한 단서로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

ㅇ 이 연구는 막접촉점을 형성하는 단백질복합체의 X-ray 3차원 구조를 규명한 세계 최초의 연구이다. 막접촉점 형성과정의 새로운 이론을 제안한 것에 큰 의의가 있으며, 그간 미지의 영역으로 남아 있던 소낭에 의한 경로가 아닌 새로운 세포 내부의 물질이동 경로에 대한 연구에서 새로운 전기를 마련했다는 점에서 큰 의미가 있다 할 것이다.

3. 기대효과

ㅇ 이 연구에서는 진핵세포 내부의 물질이동 경로 및 조절 메커니즘을 이해하는데 필수적인 세포소기관 간 막접촉점 형성 단백질복합체의 3차원구조를 규명하고 이를 이용하여 작동 메커니즘을 규명하였다. 막접촉점 단백질복합체의 3차원구조 규명 기술은 향후 다른 막접촉점 생성원리 규명을 위한 다양한 연구에 유용하게 널리 활용될 수 있으리라 사료되며, 이를 통해 획득할 진핵세포 생성 및 조절원리에 대한 지식은 인류의 오랜 숙원인 생명의 기원에 대한 신비를 해결하는데 일조할 것이다. 또한 세포 내 물질이동의 결함에 의해 야기되는 질병의 치료법 개발에 이론적 단초를 제공할 수 있으리라 사료된다.

(그림 3) Vac8p 정상 단백질과 돌연변이 단백질이 NVJ 막접촉점 형성에 미치는 영향을 보여주는 그림

Vac8p 정상 단백질이 발현되는 세포에서는 NVJ가 잘 형성되지만 (왼쪽 그림), Nvj1p 단백질과 상호작용을 하는 아미노산을 돌연변이 시킨 Vac8p 단백질을 발현시키는 세포에서는 NVJ가 형성되지 못하고 있다 (오른쪽 그림). 그림에서 Vac8p 단백질이 존재하는 리소좀이 붉은색으로 염색되었고, Nvj1p 단백질은 녹색형광으로 표지되었다.

인터뷰

- 연구를 시작한 계기나 배경은 무엇인가

세포내부의 물질 이동에서 세포소기관 간 막접촉점에 의한 경로가 중요함에도 불구하고 상대적으로 관련 단백질의 구조생물학 및 기능연구가 매우 미흡하다는 것을 확인한 것이 계기가 되었다.

- 연구 전개 과정에 대한 소개

효모 세포에서 핵과 리소좀간의 막접촉점으로 알려진 NVJ (Nucleuss-Vacuole Junction)를 형성한다고 알려진 Nvj1p-Vac8p 단백질복합체의 3차원구조를 X-ray 결정구조연구를 통해 규명하였다. 이러한 구조생물학적 연구결과를 바탕으로 Nvj1p 및 Vac8p 두 단백질들이 어떻게 상호작용을 하면서 복합체를 형성하고, 또 이러한 복합체 형성이 어떻게 NVJ라는 핵-리소좀 간 막접촉점을 형성하게 되는지에 대해 효모 세포를 활용하여 분자 수준의 작동 메커니즘을 규명하였다.

- 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇이며 어떻게 극복(해결)하였는지

X-ray 결정구조방법은 규명하고자 하는 단백질의 단결정을 얻어야 하는 비교적 어려운 장애요소를 포함하고 있었다. 고해상도로 회절이 가능한 Nvj1p-Vac8p 단백질복합체의 단결정을 얻기 위해 복합체 단백질의 생화학적 성질을 분석하는 다양한 실험들이 시도되었다.

- 이번 성과, 무엇이 다른가

세포소기관 간 막접촉점 형성 단백질복합체의 3차원 X-ray 구조 및 작동기전을 세계 최초로 규명함이다. 이 연구에서 획득한 막접촉점 단백질복합체 3차원구조 규명 기술 및 분자기전 연구 노하우는 향후 진핵세포 내부의 다양한 막접촉점 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것이며, 세포 내부의 물질이동 결함으로 발생하는 다양한 질병의 치료법 개발에 이론적 단초를 제공할 수 있을 것이다.

- 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은

단백질 3차원 구조를 규명하기 위해 이번 연구에서 사용된 단백질 결정이 크기가 매우 작고 정형화된 모양을 갖고 있지 않아 실험 전에는 X-ray 회절 실험 결과를 낙관하지 못했는데, 우려와 달리 단백질 결정이 모양과 크기에 상관없이 X-ray 에 회절을 잘해 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

이번 연구를 통해 확립한 막접촉점 구조 및 기능연구 노하우를 활용하여 진핵세포에 존재하는 다양한 막접촉점의 구조와 기능을 규명할 계획이다.

용 어 설 명

1. PNAS

○ 미국과학학술원(NAS)이 발행하는 국제학술지로 100여년의 역사를 가진 권위 있는 학술지(2017년 기준 Impact Factor : 9.423)

2. 진핵세포 (eukaryotic cell)

○ 인간과 같은 고등생명체를 구성하는 세포로서 세균과 같은 원핵세포와 구별되는 세포로서 유전정보를 저장하는 핵, 단백질 및 지질을 합성하는 소포체, 생체물질을 분해하는 리소좀 등 다양한 기능을 수행하는 막구조체, 즉 세포소기관을 포함하고 있는 세포

3. 세포소기관 (intracellular organelle)

○ 진핵세포에 다양한 형태로 존재하는 막구조체로서 각기 고유한 화학적 환경을 하고 있어서 독특한 기능을 수행하게 된다. 소포체, 골지체, 핵, 리소좀 등이 그것이다. 진핵세포는 이러한 세포소기관들의 상호작용을 통해 생성되고, 유지된다고 할 수 있기 때문에, 진핵세포를 이해하기 위해서는 세포소기관들의 기능 및 상호작용을 이해하는 것이 필수적이다.

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

○ 서로 다른 세포소기관들이 물리적으로 접촉하는 곳으로써, 주로 특정 단백질들이 단백질복합체를 만들면서 형성된다. 막접촉점의 정확한 기능은 아직 밝혀져 있지 않으나, 주로 이를 통해서 지질, 이온 등 다양한 물질의 상호교환이 일어난다고 알려져 있다.

5. Nvj1p-Vac8p 복합체

○ 리소좀 단백질인 Vac8p과 핵/소포체 단백질인 Nvj1p가 결합된 단백질 복합체로써, 효모 세포에서 대표적인 세포 소기관으로 알려진 핵과 소포체 및 리소좀의 막접촉면 형성을 직접적으로 매개하는 것으로 알려져 있다.

6. 핵과 소포체 및 리소좀 막접촉면 (Nucleus Vacuole Junction, NVJ)

○ 효모 세포에서 핵막 및 소포체 막과 리소좀 막이 10-30 나노미터 정도의 사이를 두고 물리적으로 접촉해 있는 세포 내 특정 지역이다. 효모가 영양분이 부족할 때, 핵의 일부분을 인접해 있는 리소좀이 포식하고 분해하여 영양분을 획득하는 일종의 자가포식 현상이 일어나는 곳으로 알려져 있다.

이창욱 교수[교신저자]