An architectural switch in the evolution of the γ-tubulin ring complex

살아있는 세포의 내부를 북적이는 미세한 도시라고 상상해 보십시오. 이 도시가 조직적이고 활기차게 움직이려면, 마이크로튜블(microtubules)이라고 불리는 아주 작은 속이 빈 튜브 형태의 튼튼한 내부 골격이 필요합니다. 이 튜브들을 고층 빌딩의 강철 들보나 고속 열차를 위한 선로라고 생각하십시오. 하지만 여기서 까다로운 점은, 이 선로들이 아무 데서나 갑자기 나타나는 것이 아니라는 사실입니다. 이들은 건축 블록들이 정확히 어떻게 배열되어야 하는지를 알려주는 마스터 설계도, 즉 그 주변에 구축될 틀이 필요합니다. 대부분의 생명체에서 이 설계도는 $\gamma$-튜불린 링 복합체, 줄여서 $\gamma$-TuRC라고 불리는 특별한 기계입니다. 이 기계는 보통 정확히 13개의 차선(또는 원섬유, protofilaments)이 튜브를 따라 달리는 선로를 건설합니다. 그러나 자연에는 예외가 가득합니다. 예리한 벌레인 C. elegans(예쁜꼬마선충)와 같은 일부 생물은 단 11개의 차선만 있는 선로를 건설합니다. 오랫동안 과학자들은 이 동일한 종류의 기계가 어떻게 13차선 고속도로를 만드는 것에서 11차선 고속도로를 만드는 것으로 전환하는 방법을 알고 있는지 의문을 품었습니다. 왜 설계도의 모양이 변하는 것일까요?

이 논문은 초저온 전자 현미경(cryo-electron microscopy)이라는 강력한 이미징 기술을 사용하여 C. elegans의 $\gamma$-TuRC 기계를 매우 선명한 3D 스냅샷으로 포착함으로써 그 미스터리를 파헤칩니다. 연구진은 이 벌레의 기계가 원뿔 모양을 띠고 있으며, 이것이 11차선 선로를 만들어야 하는 필요성에 완벽하게 부합한다는 것을 발견했습니다. 하지만 진짜 놀라운 점은 그것이 '어떻게' 그렇게 하느냐는 것입니다. 대부분의 기계가 표준 세트의 부품을 사용하는 반면, 이 벌레의 버전은 일반적인 부품 중 일부를 교체했습니다. 다른 생물체에서 발견되는 표준 구성 요소 대신, 이 기계는 GCP2라고 불리는 단백질의 추가 복사본과 선충류에서만 발견되는 두 가지 특수 단백질(GTAP-1 및 GTAP-2)로 이루어진 독특한 네 개의 살이 있는 바퀴(four-spoked wheel)를 사용합니다. 또한 이 연구는 이 기계가 "연료" 분자(뉴클레오타이드)를 잡고 있지 않을 때, 일부 부품이 다소 흐물거리거나 펼쳐진 것처럼 보인다는 점을 시사하며, 이는 연료가 구조를 단단하고 작업 준비가 된 상태로 유지한다는 것을 암시합니다.

아마도 가장 매혹적인 반전은 과학자들이 바로 그 독특한 네 개의 살이 있는 바퀴만을 가져다가 시험관에서 테스트했을 때 일어났습니다. 그들은 이 바퀴들이 벌레가 자연에서 사용하는 11차선 크기가 아니라, "표준" 크기인 13차선 템플릿을 형성하기 위해 서로 연결될 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 이 기계가 믿을 수 없을 정도로 유연하다는 것을 시사합니다. 즉, 다양한 모양을 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 벌레의 경우 특정 부품들이 이를 11차선 모드로 고정하기 위해 재용도화된 것입니다. 이 논문은 세포가 어떻게 골격을 만드는지에 대한 모든 미스터리를 해결했다고 주장하지는 않지만, 한 특정 유기체가 비표준적인 11차선 마이크로튜불을 만들기 위해 어떻게 자신의 도구를 적응시키는지에 대한 명확한 구조적 청사진을 제공함으로써, 진화가 어떻게 보편적인 기계를 만져서 새로운 것을 만들어낼 수 있는지를 우리에게 보여줍니다.