진핵세포는 핵을 비롯한 다양한 기능을 하는 세포소기관을 갖는다. 진핵세포가 세포분열 할 때, 소화작용을 일으키는 세포소기관인 '리소좀'의 유전을 조절하는 단백질의 작동원리가 세계 최초로 밝혀져 주목받고 있다.

UNIST 생명과학과 이창욱 교수팀은 GIST 생명과학과 전영수 교수팀과 함께 공동연구를 진행했다. 연구팀은 효모 모델을 활용해 세포분열 시 자가포식에 관여하는 리소좀 단백질인 Vac8이 결합파트너 단백질인 Vac17과 복합체를 형성해 자가포식을 억제하고 분열된 세포로 리소좀 수송을 조절한다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다. 이와 관련된 연구는 향후 세포분열 이상으로 발생하는 암, 만성질환 등 치료연구에 있어서 중요한 초석이 될 것으로 전망된다.

세포분열은 인간을 비롯한 생명체의 생명유지에 있어 필수 불가결한 요소이다. 그래서 이는 많은 세포 내 기전들로 인해 정교하게 조절된다. 특히 완전하고 안전한 세포분열을 위해서는 세포 내 자가포식조절이 매우 중요하다. 자가포식 활동으로 분열하는 세포의 세포소기관 및 구성물질 등이 분해되면 정상적인 딸세포로의 분열이 이루어질 수 없기 때문이다.

리소좀 단백질인 Vac8은 여러 결합파트너와 복합체를 형성해 선택적으로 자가포식을 조절한다고 알려져 있다. 또 Vac17, Myo2 단백질과 결합해 세포분열 시 리소좀 수송에도 관여한다. Vac8이 Vac17, Myo2와 삼중 구조체를 형성하고, 이렇게 형성된 복합체는 일종의 세포 내 도로의 역할을 하는 액틴 단백질을 통해 모세포에서 딸세포로 리소좀을 수송한다는 것이다.

기존 연구를 통해 Vac8과 Vac17 단백질의 복합체 형성이 리소좀 수송에 중요하다는 사실이 밝혀져 있었으나, Vac8이 어떠한 원리로 세포 내 자가포식을 억제하고, 리소좀 수송 기능을 수행할 수 있는지에 대한 분자 수준의 연구는 밝혀지지 않았다.

본 연구팀은 X-ray 구조법을 통해 Vac8-Vac17 복합체의 고해상도 구조를 세계 최초로 규명했다. 해당 복합체는 두 개의 결합 인터페이스를 형성한다. 특히 연구팀은 인터페이스 형성에 직접 관여하는 아미노산을 확인했으며, 이 아미노산에 돌연변이가 일어난 Vac8 및 Vac17을 가진 효모에서는 세포 분열시 리소좀이 딸세포로 이동하지 못하는 것을 관찰했다. Vac8 단백질이 리소좀 수송을 조절한다는 것을 직접적으로 입증한 것이다.

또 이번 연구에서는 Vac8이 특정 결합 파트너와 복합체를 이루었을 때 형성하는 4차 구조가 자가포식과 리소좀 수송을 구별해 조절한다는 사실을 입증해냈다. 연구팀은 이러한 구조적 차이가 Vac8에 포함된 ARM 도메인과 N-말단의 H1 helix에 의한 조절임을 밝혀냈다. Vac8-Vac17의 복합체가 형성되면, Vac17이 Vac8의 H1 helix를 붙잡게 되고, H1 helix가 ARM도메인으로부터 분리되지 않게 만들어 자가포식을 일으키는 복합체(Vac8-Nvj1, Vac8-Atg13) 형성을 억제한다. 이는 세포분열 시, 자가포식이 억제되고 리소좀의 수송이 일어난다는 것을 의미한다.

이창욱 생명과학과 교수는 "이 연구는 세포분열 시 자가포식 활동의 억제와 리소좀 수송이 한가지 단백질에 의해 어떻게 조절될 수 있는지를 보여준 중요한 사례"라며 "세포분열과 관련된 질병인 암 및 여러 종류의 만성질환 등의 연구에 대한 중요한 초석이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 미국과학학술원회보(PNAS) 4월 24일자로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(선도연구센터지원사업, 중견연구자지원사업, 바이오융합원천기술개발사업) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.