우리 몸의 세포는 가만히 멈춰 있는 것이 아니라 이동한다. 대부분의 사람들은 살아있는 세포를 실제로 보기 어렵다. 책에 그려진 동물 혹은 식물 세포의 그림으로만 접하는 경우가 많기 때문에 세포가 움직인다는 개념은 생소하다. 그러나 세포가 특정 방향으로 이동하는 과정은 배아의 발달 과정이나 상처 치유, 면역 반응 등에 필수적이다. 암이 여러 장기에 전이되는 현상도 바로 암 세포의 이동 때문에 가능하다. 이처럼 세포의 이동은 우리의 건강과 질병에 밀접한 관련이 있다.

세포는 어떻게 특정 방향으로 이동할 수 있는 힘을 얻는 걸까? 세포 이동에는 여러 종류의 소형 GTP 결합 단백질과 이 단백질의 활성을 조절하는 GEF 단백질들이 관여한다. 소형 GTP단백질은 세포 신호전달과정에서 신호를 켜고 끄는 스위치 역할을 하는 단백질로, GEF 단백질에 의해 조절되어 그 스위치가 작동된다. 세포는 진행 방향 부위의 소형 GTP 결합 단백질이 활성화되면서, 동력을 내는 액틴 섬유를 중합해 지느러미 같은 돌출부를 만들어 앞으로 나아간다.

그러나 기존 연구에서는 세포가 이동하는데 관여한다고 알려져 있는 여러 종류의 GEF 단백질을 세포에 발현시켜도 세포의 이동이 크게 증가하지 않는 한계가 있었다. 발견된 단백질 중에 세포 이동을 관장하는 핵심 단백질을 찾지 못했기 때문에 세포 이동의 구체적인 작동 원리도 알 수 없었다.

이에 따라 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 인지 및 사회성 연구단 허원도 그룹리더 연구팀은 바이오이미징 기술을 활용해 GEF단백질 중 하나인 'PLEKHG3' 단백질이 세포의 이동방향을 결정하는 '방향타' 역할을 담당한다는 사실을 처음으로 발견했다. 세포 내 63개 GEF 단백질들의 분포 양상을 분석해 세포가 이동하는 동안 세포이동을 조절할 가능성이 높은 GEF 단백질들을 선별한 결과, 그 중 PLEKHG3가 세포의 진행 방향 부위로 빠르게 이동하는 현상을 확인한 것이다.

▲ 세포의 이동과 PLEKHG3의 분포
세포의 가장자리 부근에서 흰점들이 뚜렷하게 보이는 부분이 PLEKHG3가 집중적으로 분포한 부분이다.
세포의 진행방향 부위로 PLEKHG3가 이동해 돌출부가 형성돼 세포가 속도를 높여 이동하고 있다.(영상 다운받기)

방향타 역할을 하는 이 단백질은 해당 부위에서 소형 GTP 결합 단백질을 활성화해 세포 골격을 이루는 액틴 섬유 형성을 유도한다. 액틴 섬유는 얽히고 설켜 그물망을 이루는데, 해당 부위가 팽창하면서 돌출부가 형성되고, 돌출부로부터 얻는 동력으로 세포는 이동하게 된다. 연구진은 방향타 단백질이 액틴 섬유 자체와도 강하게 결합하여, 이 결합이 소형 GTP 결합 단백질의 활성을 더욱 촉진시킨다는 사실을 발견했다. 방향타 단백질의 단독 작용뿐만 아니라 연구진이 새롭게 발견한 이 작용 경로까지 더해지면서, PLEKHG3가 세포의 이동 속도를 1.5배에서 2배 가까이 더 빠르게 할 수 있는 비밀이 밝혀지게 된 것이다.

또한, 연구진은 광유전학 기술로 방향타 단백질의 활성을 조절해 세포가 움직이는 방향을 인위적으로 제어하는 데 성공했다. 청색광 수용체를 이용해 만든 융합 단백질이 발현된 세포에 청색광을 비추면, 융합단백질이 PLEKHG3를 올가미처럼 붙잡아 PLEKHG3의 움직임을 방해하는 원리를 활용했다. 이에 따라 빛을 비추면 세포는 이동을 멈추고, 빛을 끄면 PLEKHG3의 활성이 다시 정상화돼, 세포는 움직인다. 더 나아가 연구진은 세포에 빛을 비추는 부위를 조정해서, 세포의 이동방향도 제어할 수 있음을 확인했다. 예를 들어, 세포의 왼쪽 부위에 청색광을 비추면, 해당 부위의 PLEKHG3 가 움직임을 방해받아 비 활성화되면서 세포 이동 위한 돌출부가 사라진다. 상대적으로 청색광을 비추지 않은 세포의 오른쪽 부위에 있는 PLEKHG3는 정상적으로 기능하므로 세포 이동에 관여하게 되고, 결과적으로 세포는 오른쪽으로 이동하게 된다.

▲ 광유전학 기술로 세포 이동방향 제어 (영상 다운받기)

본 연구는 방향타 단백질인 PLEKHG3가 세포를 움직이게 하는 핵심 단백질임을 밝히고, 광유전학 기술로 빛을 통해 세포의 이동을 자유롭게 제어한 데 의의가 있다. 허원도 그룹리더는 "세포 이동을 극대화하는 새로운 메커니즘을 밝혀 암세포 전이 및 면역 세포 이동을 연구할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구결과는 국제 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS, IF 9.809) 온라인 판에 미국 동부시간으로 8월 22일자(한국 시간 기준 8월 23일 새벽 4시)에 게재됐다.

대외협력실 김주연