Deep axonal proteomics of human iPSC-derived neurons by microfluidic separation and DIA-MS

세포의 도시: 길고 외로운 길을 따라가는 투어

시장과 도시 계획가들이 '소마(Soma)'라고 불리는 북적이는 도심 지역에 살고 있지만, 도시에서 가장 중요한 메신저들이 교외로 패키지를 배달하기 위해 단 하나의 좁은 고속도로를 따라 수백 마일을 여행해야 하는 도시를 상상해 보십시오. 생물학의 세계에서 이 도시는 뉴런, 즉 신경 세포입니다. 도심은 세포체이며, 이곳에는 DNA 도서관과 새로운 단백질을 만드는 공장이 위치합니다. 고속도로는 축삭(axon)으로, 인간의 경우 1미터 이상 길게 뻗을 수 있는 가늘고 긴 전선과 같으며, 뇌와 발가락 끝을 연결합니다.

오랫동안 과학자들은 도심 지역만을 연구할 수 있었습니다. 그들은 세포체를 쉽게 떠올려 그곳에서 어떤 단백질이 만들어지고 있는지 볼 수 있었습니다. 하지만 축삭은 어땠을까요? 그것은 마치 위성으로 도시 전체를 바라보면서 고속도로의 특정 1마일 구간만을 연구하려는 것과 같았습니다. 축삭은 너무 가늘고 멀리 떨어져 있어서, 실수로 '도심'까지 함께 잡아내지 않고 오직 '도로'만을 분리해내는 것이 믿기 힘들 정도로 어려웠습니다. 이는 큰 문제였는데, 왜냐하면 ALS(루게릭병)나 유전성 경성 마비와 같은 질병에서는 문제가 도시 중심부가 아니라 그 길고 외로운 도로에서 시작되는 경우가 많다는 것을 알고 있기 때문입니다. 도로가 왜 끊어지는지 이해하려면 도로 위에 정확히 무엇이 있는지 보아야 하지만, 지금까지는 고속도로만을 근접 촬영할 수 있는 도구가 없었습니다.

마이크로 터널 탈취 작와 슈퍼 스니퍼(Super-Sniffer)

이 논문은 과학자 팀이 '도심'(세포체)을 건드리지 않고 순수한 '고속도로'(축삭) 샘플을 훔치는 데 드디어 성공한 이야기를 다룹니다. 그들은 미세한 터널이 있는 정교하게 제작된 작은 플라스틱 칩을 사용하는 영리한 트릭을 사용했습니다. 그들은 줄기세포로 만든 인간 신경 세포를 이 칩 위에서 배양했습니다. 세포체는 너무 뚱뚱해서 작은 터널을 통과할 수 없었지만, 길고 가느다란 축삭은 터널을 통해 구불구불 지나가 반대편의 별도 챔버에 자리 잡았습니다. 이는 마치 도시의 교외가 터널로 도심과 연결되어 있는데, 그 터널이 너무 좁아서 배달 트럭만 통과할 수 있고 도시 계획가들은 중심부에 갇혀 있게 만든 도시를 건설한 것과 같습니다.

이 격리된 축삭들을 확보한 후, 그들은 두 번째 문제에 직면했습니다. 연구할 재료가 거의 없었다는 점입니다. 그들이 수확한 축삭은 너무 작아서 단백질이 약 50나노그램 정도밖에 되지 않았는데, 이는 대략 모래 한 알의 무게와 같습니다. 전통적인 현미경과 화학 스캐너는 보통 작동을 위해 산더미 같은 양의 재료를 필요로 합니다. 이를 해결하기 위해 팀은 '오비트랩 아스트랄(Orbitrap Astral)'이라는 초정밀 기계를 사용했는데, 이는 아주 미세한 분자의 향기까지 감지할 수 있는 '슈퍼 스니퍼' 역할을 합니다. 그들은 이 기계를 모든 단백질을 일일이 추측하며 찾는 대신, 샘플 내의 모든 단백질을 한 번에 고속 촬영하는 것과 같은 기술인 DIA-MS와 결합했습니다.

도로 위에서 발견한 것들

결과는 엄청난 성공이었습니다. 마이크로 터널과 슈퍼 스니퍼를 결과적으로 결합하여 사용함으로써, 팀은 축삭 구획에서 약 6,000개의 서로 다른 단백질을 식별하고 계수하는 데 성공했습니다. 이는 인류가 만든 축삭 지도 중 가장 깊고 상세한 지도로, 과학자들이 이전에 보았던 것보다 두 배 이상 많습니다. 세포체에서는 약 9,000개의 단백질을 발견했습니다.

두 목록을 비교했을 때, 그들은 축삭이 단순히 수동적인 전선이 아니라 바쁘고 특화된 공장이라는 것을 발견했습니다. 그들은 축삭에 특이적으로 풍부하게 존재하는 1,250개의 단백질을 발견했습니다. 이 단백질들은 주로 소낭(작은 배달 트럭)을 이동시키고, 세포 골격(도로의 구조적 들보)을 관리하며, 시냅스 신호(노선의 신호등)를 처리하는 데 관여했습니다. 반면, 세포체는 DNA를 읽고 새로운 RNA를 만드는 데 관여하는 단백질들로 가득 차 있었는데, 이는 설계도가 보관된 곳이 바로 그곳이기 때문에 당연한 결과입니다.

팀은 또한 두 가지 유형의 뉴런, 즉 피질 뉴런(뇌의 사고 중심부)과 하부 운동 뉴런(근육과 연결됨)을 조사했습니다. 그들은 두 유형의 뉴런 축삭 모두에서 공통적으로 풍부하게 나타나는 417개의 단백질로 구성된 '핵심 세트'를 발견했습니다. 이는 당신이 어떤 종류의 뉴런이든 상관없이, 당신의 축삭은 살아남고 임무를 수행하기 위한 표준 도구 상자를 가지고 있음을 시사합니다. 그러나 미세한 차이점도 발견되었습니다. 하부 운동 뉴런의 축삭은 미토콘드리아(세포의 발전소)와 관련된 단백질이 더 많았고, 피질 뉴론의 축삭은 리소좀(세포의 재활용 센터)과 관련된 단백질이 더 많았습니다. 이는 서로 다른 유형의 뉴런이 각자의 긴 도로를 유지하기 위해 서로 다른 관리 전략에 의존할 수 있음을 보여줍니다.

이것이 질병에 중요한 이유

과학자들은 이 새로운 지도를 가져와 ALS 및 유전성 경성 마비와 같은 신경 퇴행성 질환을 일으키는 것으로 알려진 유전자 목록과 대조했습니다. 그들은 대부분의 질병 유발 단백질이 자연적으로 축삭에 집중되어 있지 않다는 것을 발견했습니다. 즉, 이 단백질들은 어디에나 존재한다는 것입니다. 이는 매우 중요한 발견입니다. 이는 이러한 질병이 나쁜 단백질들이 축삭 속에 숨어 있기 때문에 발생하는 것이 아니라, 이 단백질들이 오작동할 때 축삭이 너무 민감하여 축삭이 가장 먼저 망가지기 때문에 발생한다는 것을 시사합니다.

이 논문은 이 새로운 워크플로우가 강력한 도구라고 결 결론짓습니다. 이는 과학자들이 처음으로 축삭을 명확하게 볼 수 있게 해주며, 축삭이 다양한 뉴런 유형에 걸쳐 공통된 '핵심' 도구를 공유하면서도 독특하고 특화된 필요성을 가지고 있다는 것을 밝혀냈습니다. 이 상세한 지도를 가짐으로써, 연구자들은 이제 질병이 어떻게 축삭의 섬세한 균형을 무너뜨리는지 정확히 이해할 수 있게 되었으며, 이는 도시가 무너지기 전에 도로를 보호함으로써 이러한 질환을 치료할 수 있는 더 나은 방법을 찾는 데 도움이 될 것입니다.