생명과학과 김진우 교수 연구팀이 호메오 단백질의 세포 간 이동으로 세포와 세포 사이에 정보가 전달될 수 있음을 규명했다. 호메오 단백질에 대한 정설을 뒤엎은 이번 연구 결과는 지난 7월 16일 <셀 리포트(Cell Reports)>에 게재됐다.

호메오 단백질의 역할과 기능

호메오 단백질은 DNA에 결합하는 호메오 도메인을 가지고 있는 전사인자로, 세포가 신체의 어떤 부위로 발달할지를 결정하는데 핵심적인 역할을 한다고 알려져 있다. 즉, 호메오 단백질의 종류에 따라 발달 과정에 있는 세포들의 유전자 발현이 달라져 세포의 운명을 결정하는 것이다. 따라서 호메오 단백질 역시 다른 전사인자들과 마찬가지로 세포의 핵 내에서만 작용한다는 것이 학계에서 통용되던 기존 개념이었다. 하지만 세포 외부에 있는 호메오 단백질의 일부가 세포막을 통과할 수 있다는 사실이 1991년에 밝혀졌고, 이후 호메오 단백질이 세포막을 자유롭게 통과해 주변 세포로 이동까지 한다는 주장도 제기되어 학계에서 논란이 되었다. 

세포막 통과하는 호메오 단백질

호메오 단백질의 세포 간 이동이 처음 알려진 이후, 총 10여 종류에 이르는 호메오 단백질이 세포막을 통과해서 이동한다는 사실이 밝혀졌다. 하지만 이 특징이 200종류가 넘는 모든 호메오 단백질에서 공통적으로 나타나는 현상인지는 밝혀지지 않았었다. 연구팀은 모든 호메오 단백질에 침투 능력이 존재하는지를 검증하기 위해 전체 인간 호메오 단백질의 70%인 160여 종의 호메오 단백질을 대상으로 연구를 진행했다. 생체 외에서 진행하는 실험의 세포주로는 인간배아유래 신장내피세포(HEK-293T), 생쥐 시상하부 신경세포(GT1-7), 성견 코카스파니엘 신장상피세포(MDCK), 인간 자궁경부암 세포(HeLa) 세포를 이용했다. 연구 결과, 85개의 호메오 단백질이 4개의 세포주 모두에서 세포막 밖으로 분비되는 것을 밝혀냈다. 더불어, 153개의 호메오 단백질이 4종의 세포주 중 적어도 한 종 이상에서 분비될 수 있었다.

이러한 결과를 통해 연구팀은 호메오 단백질이 세포 외부로 이동하는 것은 일반적인 특성이지만, 세포의 종류와 환경에 따라 달라질 수 있음을 증명했다. 연구팀은 해당 결과가 생체 내부에서도 재현되는지를 확인하기 위해 생쥐 배아 뇌 조직과 성체 망막 조직을 이용한 실험 또한 진행했다. 그 결과, 호메오 단백질이 세포막을 통과해 외부로 이동하며, 생체 내 조직에서도 호메오 단백질이 분비될 수 있음을 확인했다.

단백질 분비 조절하는 아미노산 잔기

구팀은 세포 내에서 호메오 단백질의 분비 능력을 결정하는 분자적 특징에 대한 연구도 진행했다. 연구팀은 호메오 단백질의 분비 능력이 세포막을 침투하는 호메오 도메인뿐만 아니라 단백질의 3차원 구조에 의해 결정된다는 것을 밝혔다. 호메오 단백질의 3차원 구조는 호메오 도메인과 이를 둘러싼 다양한 종류의 아미노산들에 의해 달라진다. 즉, 호메오 단백질의 분비 능력이 호메오 도메인 외부의 아미노산 서열과도 관련이 있는 것이다. 연구팀은 바이오및뇌공학과 김동섭 교수 연구팀과 공동연구를 통해 분비능이 높은 호메오 단백질의 아미노산 서열을 분석했고, 이를 통해 분비능이 높은 호메오 단백질의 호메오 도메인 외부에 소수성 아미노산 잔기가 특징적으로 분포함을 밝혔다. 연구팀은 이러한 소수성 아미노산 서열을 변화해 배양세포와 생체 조직에서 호메오 단백질이 분비되는 정도를 조절하는 데 성공했다.

이번 연구는 세포 간 이동이 호메오 단백질의 일반적인 특성임을 증명해 세포 간 이동 현상 논란에 종지부를 찍었다는 의의가 있다. 연구에 제1 저자로 참여한 이은정 박사는 “호메오 단백질에 대한 후속 연구를 통해 기존에 알려진 단백질 분비 경로 외에 다양한 세포 내 단백질들이 분비되는 경로에 대해 알 수 있을 것이며, 호메오 단백질 이상과 관련된 다양한 질환의 치료에 정제된 호메오 단백질을 사용할 수도 있을 것”이라고 밝혔다.