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Cells hack virus-like protein to communicate

식물과 동물의 유전체는 수억만 년 전에 DNA로 침투한 바이러스의 잔재들로 가득 차 있다. 이러한 바이러스 잔재의 대부분은 비활성 상태이지만, 최신 연구에 따르면 일부는 세포가 상호소통 할 수 있도록하는 유전자로 진화했다고 한다.

지난 1월 11일 Cell 지에 발표 된 두 논문1,2은 이러한 유전자에 의해 발현된 단백질이 바이러스 유사 구조를 이용하여 세포 간에 정보를 전달한다고 제안했다. 이것은 장기 기억 형성과 여러 신경 기능의 열쇠가 될 수있는 새로운 형태의 세포 통신인 것이다.

두 개의 연구팀이 세포 외 소포(extracellular vesicles)를 연구하는 동안 독립적으로 세포막의 조각이 거품으로 뭉쳐서 세포로부터 떨어져 떠다니는 이 현상을 발견했다. 이 소포는 몸 전체를 순환 하지만, 그 기능에 관해서는 거의 알려진 것이 없다. 솔트레이크 시티 유타 대학의 신경 과학자 Jason Shepherd와 워체스터의 메사추세츠 의과 대학의 세포 생물학자 Vivian Budnik은 각각 마우스와 초파리 (Drosophila melanogaster)를 관찰 하였다.

보호 껍질 - Protective shells

연구진은 뉴런에 의해 방출된 세포외 소포의 다수가 Arc 로 불리는 유전자를 포함하고 있는 것을 발견했으며, 이 유전자는 뉴런이 서로 연결하는 것을 돕는다. Arc 를 가지고 있지 않도록 조작된 마우스는 장기적인 기억을 형성하는 데 문제가 생기며, 몇몇의 인간 신경 장애 증후군이 이 유전자와 관련되어 있다.

Shepherd와 Budnik이 마우스와 초파리의 이 유전자 염기서열을 분석했을 때, 그들은 이것이 gag 이라고 하는 바이러스 유전자와 유사하다는 것을 발견했다. HIV와 같은 레트로 바이러스는 이 Gag 단백질을 이용하여 캡시드(capsid)라 불리는 보호껍질을 조립하는데, 이 캡시드는 바이러스 감염 시에 세포간의 바이러스 유전물질을 수송하는 데에 쓰인다.

연구자들이 Arc 단백질을 고해상도 현미경으로 관찰했을 때, 그들은 이 단백질이 비슷한 캡시드를 형성하고 Arc를 발현하는 유전 정보, 혹은 mRNA, 를 운반한다는 것을 발견하였다. 이 캡시드는 그 후 세포막의 조각에 싸여서 세포 외 소포로 방출되었다.

다른 어떤 비 바이러스성 단백질도 캡시드를 형성하고 mRNA를 세포간 수송하는 것으로 나타난 적이 없다. "그것은 혁신적입니다"라고 노르웨이 베르겐 대학교의 신경 과학자인 Clive Bramham이 말했다.

연결하기 - Making Connections

초파리에서, Budnik 박사의 연구팀은 근육 세포에 연결되어 수축을 하도록 만드는 모터 뉴런 (motor neuron)이 Arc를 포함한 소포를 만든다는 것을 발견했다. 소포가 근육 세포에 도달하면, 그것은 근육 세포의 세포막과 융합되어 Arc 단백질과 mRNA를 방출한다. 근육세포가 이 단백질과 mRNA로 무엇을 하는 지는 확실하지 않지만, Budnik 박사는 이 유전자가 없는 초파리는 뉴런과 근육 사이의 연결이 거의 없다는 것을 발견했다.

Shepherd 박사의 연구팀은 이와 비슷한 현상을 마우스 뇌에서 채취한 뉴런에서 발견했다. 다른 뉴런에서 세포외 소포를 흡수한 뉴런은 자극을 받으면 Arc mRNA를 사용해서 단백질을 생성하기 시작한다.

Shepherd 박사와 Budnik 박사는 Arc를 포함한 소포가 동물의 신경계가 발달하거나 새로운 환경 및 기억에 적응함에 따라, 신경 세포가 연결을 끊고 형성하는 것을 돕는 역할을 한다고 생각한다. 초파리와 마우스의 Arc 가 비슷하긴 하지만, 이 둘은 서로 다른 시점에 각각의 종에 들어간 두개의 다른 레트로 바이러스로부터 진화 한 것으로 보인다. Budnik 박사는 마우스와 초파리 모두에 이것이 나타난 것은 "정말로 근본적인 뭔가가 있음에 틀림없습니다"라고 말했다.

더 많은 것을 찾아서 - Looking for more

세포 외 소포 (extracellular vesicels)를 연구하는 연구자들은 이 결과에 열광한다. 체내에서 소포의 기능에 대해 아는 바가 거의 없기 때문이다. "뭔가 새로운 것으로 보이는 군요," 존스 홉킨스 대학의 분자 생물학자인 Kenneth Witwer 박사는 말했다.

영국 옥스포드 대학교에서 세포 외 소포를 연구하는 생물학자인 Yvonne Couch는 "이건 답변을 하기 보다는 더 많은 질문들을 제기한다"라고 하였다. 그녀는 무엇이 뉴런을 자극하여 세포 외 소포들을 생성하며, 어떠한 다른 물질들도 인접 세포로 수송되는 지 궁금해하고 있다.

Shepherd 박사와 Budnik 박사는 Arc를 계속 연구할 계획이지만, 다른 단백질들도 이와 같은 방식으로 기능하는 지 여부 또한 관심이 있다. 인간 유전체는 대략 100개의 gag 유사 유전자를 가지고 있으며, 이들은 캡시드를 형성하는 단백질을 발현한다. 이 새로운 방식의 세포 간 의사소통은 우리 생각보다 더 흔할 지도 모른다. Shepherd 박사는 말했다, "우리는 이것이 단지 시작일 뿐이라고 생각합니다."