연구필요성
우리 몸의 세포는 스스로 형태를 유지하고, 물질을 운반하며, 분열을 반복하기 위해 끊임없이 내부 구조를 새로 짓는다. 이때 중심적인 역할을 하는 것이 세포의 뼈대인 세포골격이다.
세포골격은 ‘튜불린’이라 불리는 단백질로 이루어져 있으며, 이 단백질들이 정확히 접히고 조립되어야 세포가 정상적으로 작동할 수 있다.
그러나 튜불린 단백질은 스스로 안정적인 구조를 만들지 못하기 때문에, 이를 도와주는 전담 샤페론 복합체의 도움이 필요하다. TBC의 돌연변이나 기능 이상은 단백질 조립 과정을 방해해 세포골격의 구조를 불안정하게 만들고, 그 결과 신경퇴행성 질환, 발달장애, 희귀 유전질환등의 원인이 된다.
따라서 TBC가 어떤 방식으로 단백질을 접고 조립하고 해체하는지를 분자 수준에서 밝히는 것은, 세포의 구조 형성과 항상성을 이해하고 생명 유지의 근본 원리를 규명하는 데 매우 중요하다.
연구성과/기대효과
서울대학교 노성훈 교수 연구팀은 초저온 전자현미경(cryo-EM)을 이용해 인간 세포의 전담 샤페론 슈퍼복합체가 단백질을 접고 조립하며, 필요할 때 해체하는 전 과정을 원자 수준에서 시각화하는 데 성공했다.
연구팀은 세포골격 단백질이 만들어지고 검수되며 완성되는 과정을 ‘분자 영화’처럼 단계별로 재현함으로써, 단백질의 접힘–조립–검증이 서로 분리된 절차가 아니라 하나의 통합된 품질 관리 체계로 작동한다는 사실을 밝혔다.
이번 연구는 세포가 스스로의 구조를 설계하고 유지하는 분자적 메커니즘을 보여준 첫 사례로, 단백질 조립 결함으로 인한 신경퇴행성 질환, 발달장애, 암 등 다양한 질환의 병인 이해와 치료 전략 개발에 새로운 방향을 제시한다.
즉, 세포의 구조를 바로 세우는 분자 수준의 설계도를 제시함으로써, 생명체의 질서 유지와 질병 치료의 연결고리를 밝힌 획기적인 성과다.
본문
서울대 노성훈 교수팀, 세포의 뼈대를 만드는 ‘샤페론 슈퍼복합체’의 정체를 원자 수준에서 규명 (Science, 2025년 10월 30일자 게재)
우리 몸의 세포 안에서는 지금 이 순간에도 쉼 없는 ‘건설 공사’가 진행되고 있다. 그 중심에는 세포의 뼈대를 이루는 세포골격(cytoskeleton) 이 있다. 세포골격은 세포의 모양을 지탱하고 내부 물질을 운반하며, 세포가 분열할 때 염색체를 정확히 나누는 등 생명 유지에 필수적인 역할을 맡는다. 도시로 비유하자면, 세포골격은 도로와 지하철, 건물 같은 도시의 근본 인프라에 해당한다.
이 인프라들이 서로 연결되어 도시의 형태와 기능을 유지하듯, 세포골격은 세포의 생애 전 주기에 걸쳐 만들어지고 해체되기를 반복한다. 이 단백질은 세포 내부의 질서와 움직임을 지탱하가장 기본 단위이지만, 이 단백질이 어떻게 관리되는지는 오랫동안 생명과학의 미스터리로 남아 있었다.
서울대학교 노성훈 교수 연구팀 (성연제, 김현민 연구원)은 이번 연구에서 세포골격 단백질의 생성과 조립 전 과정을 책임지는 “전담 샤페론 슈퍼복합체(chaperone supercomplex)”의 존재를 확인하고, 그 작동 방식을 원자 수준에서 규명하여 세계적인 학술지 사이언스(Science) 에 게재하였다.
특히, 이번 연구는 서울대 세포거대분자이미징 핵심연구지원센터의 최신 초저온 전자현미경(cryo-electron microscopy) 기술을 기반으로 수행되었다. 연구팀은 단백질을 극저온 상태로 급속히 얼린 뒤 전자빔으로 촬영해, 이 슈퍼복합체가 단백질을 분리하고 재조립하며 완성품을 내보내는 과정을 마치 연속된 장면이 이어지는 ‘분자 영화(molecular movie)’처럼 시각화하는데 성공하였다.
그 결과, 이 슈퍼복합체가 세포골격 조립의 시작과 끝을 모두 조율하며, 필요에 따라 구조를 해체하고 다시 조립하는 양방향 제어 시스템으로 작동한다는 사실이 밝혀졌다. 이는 세포가 내부의 질서를 유지하고 불안정한 단백질로부터 스스로를 보호하기 위해 얼마나 정교한 시스템을 발전시켜 왔는지를 분자 수준에서 보여주는 결정적 증거다.
이 과정이 제대로 작동하지 않으면 세포분열 이상, 신경 퇴행, 발달장애 등 다양한 질환이 발생할 수 있다. 실제로 세포골격 단백질의 불안정성이나 조립 결함은 알츠하이머병, 파킨슨병, 루게릭병(ALS) 같은 신경퇴행성 질환이나 근육 약화, 면역세포 기능 이상, 암세포 전이와 같은 현상과 깊은 관련이 있다.
이번 연구에서 규명한 이 샤페론 슈퍼복합체는 이러한 질환의 근본 원인 중 하나인 단백질 조립 오류를 바로잡는 분자적 메커니즘을 제시하며 생명의 질서를 분자단위에서 회복시키는 근원적 단초를 제시했다는 점에서 큰 의미를 갖는다.
연구결과
Structural dissection of αβ-tubulin heterodimer assembly and disassembly by human tubulin-specific chaperones
Yeonjae Seong, Hyunmin Kim, Kyumi Byun, Yeon-Woo Park, and Soung-Hun Roh
(Science, in press, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady2708)
미세소관은 세포 골격의 한 종류로 세포분열, 세포 형태 유지, 세포 내 수송 등에서 핵심적인 역할을 수행한다. 미세소관을 이루는 기본 단위인 α-와 β-튜불린은 튜불린 특이적 샤페론(TBCs)에 의해 조립되고 분해된다.
본 연구에서는 인간 TBC 복합체가 αβ-튜불린 이합체의 조립과 해체를 매개하는 구조적 메커니즘을 원자 수준에서 규명하였다. 이러한 과정의 결함은 다양한 신경퇴행성 질환 및 발달 장애와 직접적으로 연관되어 있다.
용어설명
○세포 골격 (Cytoskeleton) : 세포 내에서 구조적 지지와 형태 유지를 담당하는 단백질 네트워크. 세포의 운동, 세포 내 수송, 분열 등 다양한 생리적 과정에 관여함. 미세소관, 미세섬유, 중간섬유로 구성된다.
○사페론 (Chaperone) : 세포 내에서 새로 합성되거나 부분적으로 변성된 단백질이 올바른 3차원 구조로 접히도록 돕는 단백질군. 비정상적인 단백질 응집이나 오접힘(misfolding)을 방지하여 단백질 항성성(proteostasis) 유지에 기여함.
○튜불린 (Tubulin) : 세포 골격의 한 종류인 미세소관을 구성하는 기본 단백질로 α-튜불린과 β-튜불린이 존재한다. 이들은 결합하여 αβ-튜불린 이합체를 형성하고, 이 이합체들이 중합(polymerization)되어 미세소관을 형성한다.
그림설명
샤페론 슈퍼복합체는 세포골격 단백질을 각각 단량체로 분리할 수 있다. 이 복합체에 에너지를 전달하는 분자가 결합하면 복합체의 구조적 변화를 유도하여 세포골격을 조립하는 촉진하는 방향으로 작동하게 된다. 두 단량체는 복합체 내에서 서로 맞물리며 새로운 이합체를 형성한다.
마지막 단계에서 성숙한 세포골격 단백질이 생산된다. 이러한 조립-분해의 순환은 세포 골격 단백질의 품질을 점검하는 분자적인 체크 포인트로 작용하며, 세포 내에서 세포 골겨의 형성과 해체 과정을 정밀하게 조절하는 핵심적인 역할을 한다.
샤페론 슈퍼복합체는 세포골격 단백질을 각각 단량체로 분리할 수 있다. 이 복합체에 에너지를 전달하는 분자가 결합하면 복합체의 구조적 변화를 유도하여 세포골격을 조립하는 촉진하는 방향으로 작동하게 된다.
두 단량체는 복합체 내에서 서로 맞물리며 새로운 이합체를 형성한다. 마지막 단계에서 성숙한 세포골격 단백질이 생산된다. 이러한 조립-분해의 순환은 세포 골격 단백질의 품질을 점검하는 분자적인 체크 포인트로 작용하며, 세포 내에서 세포 골겨의 형성과 해체 과정을 정밀하게 조절하는 핵심적인 역할을 한다.
