Transfected plasmids have reduced expression in cells deficient in SEPTIN 9 or ESCRT proteins

새로운 지침을 세포에 전달하기 위해, 과학자들은 종종 플라스미드라고 알려진 작고 원형인 DNA 조각을 도입하는 형질전환(transfection)이라는 방법을 사용합니다. 목표는 이 유전 물질이 세포 안으로 들어가 단백질을 생성하거나 연구 도구로 쓰이는 등 작동을 시작하게 하는 것입니다. 하지만 그 여정은 장애물로 가득 차 있습니다. 플라스미드가 도입될 때, 이들은 대개 지방과 단백질로 만들어진 작은 거품 모양의 운반체 안에 포장됩니다. 세포는 이 운반체들을 음식이나 유용한 화물로 착각하여 엔도사이토시스(endocytosis)라고 불리는 과정을 통해 통째로 삼켜버립니다. 일단 내부로 들어오면, 플라스미드는 엔도솜(endosome)이라 불리는 막으로 둘러싸인 구획 안에 갇히게 됩니다. 유전적 지침이 작동하기 위해서는 플라스미드가 이 함정에서 탈출하여 세포의 주요 작업 공간인 세포질(cytoplasm)에 도달해야 합니다. 이 탈출은 매우 어렵고 비효율적이며, 대부분의 경우 플라스미드는 엔도솜 안에 갇힌 채로 남아 결국 제 역할을 수행하지 못하고 분해됩니다. 이러한 입자들이 어떻게 갇히는지, 그리고 무엇이 그것들이 자유롭게 벗어나는 것을 돕는지 정확히 이해하는 것은 과학자들이 세포로 유전 물질을 전달하는 방법을 개선하는 데 필수적입니다.

연구진은 최근 두 그룹의 단백질, 즉 SEPTIN 9과 ESCRT 복합체로 알려진 단백질 가족에 초점을 맞추어, 탈출에 영향을 미치는 구체적인 세포 기제를 조사했습니다. 연구팀은 먼저 세포에서 SEPTIN 9을 제거(depletion)한 후 형질전환된 플라스미드에 어떤 일이 일어나는지 관찰했습니다. 그들은 이 단백질이 없으면 플라스미드의 발현이 현저히 떨어진다는 것을 발견했습니다. 이 결과는 단순히 세포가 플라스미드 운반체를 삼키는 것을 멈췄기 때문이 아니었습니다. 흡수 과정은 정상적으로 유지되었습니다. 대신, SEPTIN 9의 부재는 플라스미드를 포함한 엔도솜이 산성화되는 것을 방해하는 것으로 보였습니다. 입자의 탈출은 종종 방출을 유도하기 위한 산도의 변화에 의존하기 때문에, 산성화의 결여는 플라스미드가 갇혀 있게 만들었습니다. 연구진은 SEPTIN 9이 엔도솜이라는 감옥으로부터 플라스미드의 pH 민감성 탈출을 용이하게 하는 일차적인 역할을 한다고 결론지었습니다.

조사는 연구팀이 ESCRT 단백질, 특히 VPS36과 ALIX를 살펴보았을 때 더욱 극적인 국면을 맞이했습니다. 이 단백질들을 제거했을 때, 형질전환된 플라스미드의 발현은 SEPTIN 9이 사라졌을 때보다 훨씬 더 급격히 떨어졌습니다. 이 세포들에서 형질전환된 DNA는 엔도솜의 막을 재형성하여 내부 소낭을 만드는 데 도움을 주는 특정 ESCRT 단백질인 CHMP4와 공존(colocalize), 즉 공간을 공유하는 데 실패했습니다. 이러한 상호작용의 결여는 ESCRT 기제가 아마도 플라스미드가 빠져나갈 수 있도록 엔도솜의 구조적 변화를 관리함으로써, 유전 물질의 성공적인 전달에 결정적인 역할을 한다는 점을 시사했습니다.

아마도 가장 많은 것을 드러낸 발견은 탈출에 실패한 플라스미들의 최종 운명에 관한 것이었습니다. 연구진은 형질전환된 DNA가 자가포식(autophagy)과 관련된 표지 단백질인 LC3B와 강하게 공존하는 것을 관찰했습니다. 자가포식은 세포가 자신의 구성 요소나 외부 침입자를 분해하기 위해 집어삼키는 세포의 자연적인 재활용 시스템입니다. 이 표지와 함께 플라스미드가 강력하게 존재한다는 것은, 탈출 기제가 실패할 경우 형질전환된 물질의 기본 경로가 세포의 재활용 시스템에 의해 휩쓸려 파괴되는 것임을 시사합니다. 이 발견은 세포의 풍경을 명확하게 그려냅니다. 플라스미드는 삼켜지고, 엔도솜의 산성 함정에서 벗어나기 위해 고군분투하며, 만약 SEPTIN 9이나 ESCRT 기체의 도움을 받아 자유롭게 벗어나지 못한다면, 결국 세포의 폐기물 처리 시스템으로 보내지게 됩니다.