Emergence of new function through evolutionary divergence of an intrinsically disordered region

세포 내부의 생명은 물질의 지속적이고 조직적인 흐름에 달려 있습니다. 이 흐름을 유지하기 위해 세포는 단백질로 이루어진 아주 작은 기계들을 사용하여 세포의 외피를 붙잡고, 이를 안쪽으로 끌어당겨 화물을 필요한 곳으로 운반하는 거품을 형성합니다. 엔도사이토시스(endocytosis)라고 알려진 이 과정은 특정 단백질 세트가 개척자 역할을 하여 먼저 도착해 자리를 표시하고 나머지 팀을 모집할 것을 요구합니다. 오랫동안 과학자들은 이 단백질들이 어떻게 작동하는지에 대한 지침이 그들의 단단하고 접힌 모양 안에 기록되어 있다고 믿었습니다. 그러나 점점 더 많은 연구를 통해 많은 단백질이 고정된 모양으로 접히지 않는 길고 흐물흐물한 구간을 포함하고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이것들은 '본질적 무질서 영역(intrinsically disordered regions)'이라 불립니다. 이 영역들은 영구적인 구조는 없지만, 쓸모없는 것이 아닙니다. 대신, 이들은 단백질이 다양한 파트너와 상호작용할 수 있게 해주는 유연한 연결 고리 역할을 합니다. 큰 의문은 이 흐려지고 형태가 없는 구간들이 어떻게 기존의 능력을 잃지 않으면서 진화 과정에서 갑자기 새롭고 특정한 직무를 얻게 되는가 하는 점이었습니다.

FCHO1과 FCHO2라는 이름의 두 단백질은 이 미스터리를 들여다볼 수 있는 명확한 창을 제공합니다. 이들은 고대 유전자의 복제로 태어난 사촌 관계로, 둘 다 동일한 세포 과정의 개척자 역할을 수행합니다. 공유된 역사와 유사한 전반적 설계를 가졌음에도 불구하고, 이들은 서로 다른 과업을 수행하며 서로의 자리를 대신할 수 없습니다. 만약 하나가 사라지면, 다른 하나가 그 임무를 인계받을 수 없습니다. 연구자들은 이 두 거의 동일한 단백질이 왜 그렇게 다르게 행동하는지를 이해하기 위해 연구를 시작했습니다. 단백질 내 원자의 움직임을 관찰할 수 있게 해주는 핵자기 공명 분광법(nuclear magnetic resonance spectroscopy)을 사용하여, 그들은 차이점이 흐물흐물한 영역 내의 특정하고 찰나적인 변화에 있다는 것을 발견했습니다. FCHO2의 무질서 영역은 완전히 형태가 없는 상태로 남아 있는 반면, FCHO1의 상응하는 영역은 때때로 헬릭스(helix)라고 불리는 촘촘한 나선형 모양으로 딱딱하게 뭉칩니다. 이 나선은 영구적이지 않습니다. 빠르게 형성되고 해체되지만, 감지하고 연구할 수 있을 만큼은 안정적입니다.

연구 결과, 이 일시적인 나선이 단백질의 독특한 행동을 결정짓는 핵심이라는 것이 밝혀졌습니다. FCHO1에서 이 헬릭스는 자석처럼 작용하여 단백질들이 서로 달라붙게 만들고, 세포 내부에서 더 큰 클러스터를 형성하도록 유도합니다. FCHO2는 이 헬릭스가 없기 때문에 이와 같은 방식으로 뭉치지 않습니다. 이 작은 구조적 특징이 차이의 유일한 원인임을 증명하기 위해, 연구자들은 정밀한 실험을 수행했습니다. 그들은 FCHO1의 헬릭스 유전 코드를 가져와 FCHO2에 삽입했습니다. 이 단순한 추가만으로도 FCHO2를 변형시켜, 스스로에게 달라붙어 자신의 사촌과 같은 세포 조립체를 형성할 수 있는 능력을 부여했습니다. 이 발견은 무질서한 영역이 일시적인 구조를 형성하는 능력을 갖춤으로써, 유연한 조각을 단백질 간에 전달될 수 있는 기능적 모듈로 변화시킴으로써 새로운 기능이 출현할 수 있음을 보여줍니다.

진화적 분석에 따르면, 이러한 헬릭스 형성 능력은 이 단백질들의 원래 조상에는 존재하지 않았습니다. 이는 유전자가 복제된 후에 나타났으며, 시간이 흐르면서 이 모양을 형성하려는 경향은 더욱 강해지고 신뢰할 수 있게 되었습니다. 놀랍게도, FCHO1이 이 새로운 능력을 얻었음에도 불구하고, 두 단백질의 원래 기능인 세포막에 결합하는 능력은 그대로 유지했습니다. 헬릭스를 형성하는 영역은 여전히 표면에 부착하는 고대의 역할을 수행했으며, 이는 단백질이 기존의 기능을 버리지 않고도 새로운 행동을 진화할 수 있음을 입증했습니다. 이 작업은 자연이 어떻게 동일하게 시작된 단백질을 전문화할 수 있는지에 대한 명확한 메커니즘을 제공합니다. 유연한 영역에 작고 일시적인 구조를 추가함으로써, 진화는 유기체를 살아가게 하는 필수적인 기능을 보존하면서도 세포를 위한 새로운 도구를 만들어낼 수 있습니다.