Spatially Constrained Monte Carlo Permutation Test Reveals Diffusion Changes Near Stress Granules
이 논문은 SPaCe-MC를 소개하는데, 이는 다양한 스트레스 조건에서 스트레스 과립(stress granules) 근처의 보존된 국소 확산 제약을 밝혀내는 공간 제약 몬테카를로 순열 검정으로, 이질적인 세포 내 환경에서 기존의 세포 전체 평균 분석이 가진 한계를 극복한다.
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모든 살아있는 세포 내부에서 세포질은 균일한 수프가 아니라 북적이고 붐비는 도시와 같습니다. 그곳은 세포를 생존하게 하기 위해 움직여야 하는 단백질, RNA 및 기타 분자 기계들로 가득 차 있습니다. 과학자들은 이러한 움직임, 즉 확산이 모든 곳에서 동일하지 않으며, 분자가 어디에 있는지와 세포에서 무엇이 일어나고 있는지에 따라 달라진다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 수십 년 동안 연구자들은 이 분자들이 얼마나 빨리 움직이는지 측정하려고 노력해 왔지만, 그들의 도구는 종 often 세포 전체의 평균 속도를 측정하는 경우가 많았습니다. 이러한 접근 방식은 특정 다리가 완전히 정체되어 있는 반면 바로 옆의 고속도로는 비어 있다는 사실을 놓친 채, 국가 전체의 평균 교통 속도를 측정하는 것과 같습니다. 세포가 스트레스를 받으면, 세포는 유전 정보를 보호하기 위해 스트레스 과립(stress granules)이라고 불리는 일시적인 대피소를 구축합니다. 이 과粒들은 독소나 열과 같은 공격을 받을 때 형성되는 RNA와 단백질의 조밀한 클러스터입니다. 큰 의문은 이 대피소들이 내부의 분자 이동 방식을 변화시키는지, 아니면 단순히 세포의 나머지 부분이 변하는 동안 그 자리에 가만히 앉아 있는 것인지 하는 점이었습니다.
사우스캐롤라이나 대학교의 연구팀은 이 질문에 답하기 위해 그 어느 때보다 훨씬 더 자세히 들여다보는 작업을 수행했습니다. 그들은 자신들이 발명한 '공간 제약 테스트(spatially constrained test)'라는 통계적 도구를 사용하여, 스트레스 과립 바로 옆에 있는 작은 입자들의 움직임과 세포 나머지 부분의 입자 움직임을 비교했습니다. 단순히 세포 전체의 평균을 내는 대신, 그들은 세포 환경의 스파이 역할을 할 수 있을 만큼 작은 40나노미터 크기의 나노입자를 추적했습니다. 그들은 세 가지 다른 방식으로 세포에 스트레스를 주며 이 입자들의 움직임을 관찰했습니다: 산화 스트레스를 유발하는 화학 물질에 노출시키거나, 과립 형성을 돕는 특정 단백질을 차단하거나, 혹은 두 방법을 모두 사용하는 방식입니다. 각 방법은 스트레스 과립을 만들어냈지만, 또한 세포의 일반적인 환경을 매우 서로 다른 방식으로 변화시켰습니다. 어떤 경우에는 세포 전체가 더 유동적이 되어 입자들이 더 빠르게 질주할 수 있게 되었고, 다른 경우에는 세포가 더 혼잡하고 느려져 모든 것을 둔하게 만들었습니다.
연구진은 만약 그들이 세포 전체만을 보았더라면 세 가지 완전히 다른 이야기를 보게 되었을 것이라는 점을 발견했습니다. 한 가지 스트레스 방식은 세포를 더 빠르게 만들었고, 다른 방식은 더 느리게 만들었으며, 세 번째 방식은 이 두 가지가 섞인 형태를 만들었습니다. 그러나 그들이 새로운 방법을 사용하여 스트레스 과립 바로 옆의 영역을 확대해서 보았을 때, 다른 패턴이 나타났습니다. 세포의 나머지 부분이 어떻게 행동하든 상관없이, 스트레스 과립 바로 주변 영역은 항상 더 혼잡하고 제한적이었습니다. 나노입자들은 세포의 나머지 부분과 비교했을 때 이 특정 구역에서 더 느리고 더 어렵게 움직였습니다. 이러한 국소적인 속도 저하는 세 가지 스트레스 조건 모두에서 일관되게 나타났으며, 이는 스트레스 과립의 존재가 세포의 다른 곳에서 무슨 일이 일어나느냐와 관계없이 그 가장자리 근처에 독특한 물리적 환경을 만든다는 것을 시사합니다.
이것이 단순히 데이터의 인위적인 결과가 아님을 확인하기 위해, 연구진은 그들의 방법을 테스트하고자 수천 번의 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 입자가 움직여야 하는 알려진 규칙을 가진 가상의 세포들을 만들고, 그 후 그들의 통계적 테스트를 적용하여 프로그래밍된 차이점을 찾아낼 수 있는지 확인했습니다. 시뮬레이션은 충분한 입자 궤적(particle tracks)이 분석될 수 있다면, 그들의 도구가 이러한 국소적 변화를 포착하는 데 신뢰할 수 있다는 것을 확인해 주었습니다. 또한 그들은 나노입자가 정확히 어디에 위치하는지 보기 위해 고해상도 이미징을 사용했습니다. 그들은 '스트레스 과립 관련'이라고 명명한 대부분의 입자가 실제로 과립 내부에 있는 것이 아니라, 과립 표면으로부터 약 100나노미터 이내에 떠다니고 있다는 것을 발견했습니다. 이는 움직임의 변화가 과립 주변의 얇은 껍질(shell) 안에서 발생한다는 것을 의미하며, 이 영역은 세포 전체를 볼 때는 놓치기 쉬울 정도로 매우 작습니다.
또한 이 연구는 스트레스 과립 자체가 모든 실험에서 동일하지 않다는 점을 밝혀냈습니다. 연구진이 특정 단백질인 DDX3를 차단했을 때, 세포는 더 적은 수의 과립을 형성했으며, 형성된 과립들은 화학적 스트레스만 있을 때 형성된 것과는 다른 화학적 구성을 가졌습니다. 이러한 과립의 크기, 수, 내부 구성의 차이에도 불구하고, 주변 입자에 미치는 물리적 영향은 동일했습니다. 과립 주변의 영역은 항상 더 제한적이었습니다. 이러한 발견은 스트레스 과립에 의해 생성된 국소적 물리 환경이 구조 자체의 근본적인 특성이며, 세포의 전반적인 상태가 급격히 변하더라도 지속된다는 것을 시사합니다.
국소적 효과를 전역적 효과와 분리함으로써, 연구진은 세포가 동시에 존재하는 많은 서로 다른 물리적 현실의 장소라는 것을 보여주었습니다. 단일 세포는 특정 구조물이 존재함에 따라 한 영역에서는 유동적이고 다른 영역에서는 혼잡할 수 있습니다. 그들의 새로운 방법은 이러한 숨겨진 차이를 매핑하는 방법을 제공하며, 세포의 행동을 평균을 보는 것만으로는 이해할 수 없음을 보여줍니다. 대신, 스트레스 과립 바로 옆의 세포의 아주 작은 구석을 지배하는 특정 규칙들은 별개이며 일관적이며, 이는 세포가 스트레스에서 살아남기 위해 내부 공간을 어떻게 조직하는지 이해하는 새로운 길을 제시합니다.
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