Heimdall SNAREs reveal an ancestral architecture of eukaryotic SNARE complexes

우리가 알고 있는 생명은 두 가지 유형의 세포 사이의 근본적인 분절을 바탕으로 구축되어 있습니다. 박테리아와 고세균에서 발견되는 한 유형은 단순하며 내부 구획이 없습니다. 식물, 동물, 균류에서 발견되는 다른 유형은 핵이나 에너지를 생성하는 미토콘드리아와 같은 뚜렷한 방들로 가득 찬 복잡한 구조를 가집니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 정교한 내부 수송 시스템을 갖춘 복잡한 세포가 어떻게 단순한 조상으로부터 처음 출현했는지 궁금해해 왔습니다. 중요한 단서는 이 내부의 방들 사이로 물질을 이동시키는 기계 장치에 있습니다. 복잡한 세포에서는 베시클(vesicle)이라 불리는 작은 거품이 화물을 한 곳에서 다른 곳으로 운반하며, 목표 막과 융합하여 그 짐을 전달합니다. 이 융합은 두 막을 서로 끌어당겨 병합될 때까지 잡아당기는 분자 지퍼 역할을 하는 특정 단백질 세트에 의해 구동됩니다. SNARE라고 알려진 이 단백질들은 복잡한 유기체에서 생존에 필수적이지만, 그 진화적 기원은 미스터리로 남아 있었습니다. 이 정교한 기계가 최초의 복잡한 세포와 함께 갑자기 나타난 것일까요, 아니면 우리의 고대 조상들에게 존재했던 더 단순한 시스템으로부터 진화한 것일까요?

이에 답하기 위해 연구자들은 아스가르드 고세균(Asgard archaea)이라고 불리는 미생물 그룹에 주목했습니다. 해양 퇴적물의 유전적 분석을 통해 비교적 최근에 발견된 이 단세포 생물들은 복잡한 생명의 조상과 가장 가까운 것으로 알려진 친척입니다. 이 그룹 내의 일부 종, 특히 하임달라코아르코타(Heimdallarchaeota)라고 불리는 종들은 복잡한 세포의 내부 수송에 사용되는 것과 놀라울 정도로 유사한 유전자를 보유하고 있음이 밝혀졌습니다. 이러한 유전자 중에는 SNARE 지퍼와 닮은 단백질을 만드는 지침이 포함되어 있습니다. 그러나 유전적 청사진을 가지고 있는 것이 기계가 작동한다는 것을 증명하는 것과 같지는 않습니다. 결정적인 질문은 이 고대 단백질들이 막을 융합하는 데 필요한 안정적인 4가닥 다발로 실제로 조립될 수 있는지, 아니면 오늘날 우리가 보는 방식으로 기능하지 못하는 단순한 잔해에 불과한지였습니다.

한 과학자 팀은 실험실에서 이 하임달 SNARE 단백질을 분리하고 연구함으로써 이를 테스트하고자 했습니다. 그들은 HPS1이라고 명명한 하임달라코아르코타 생물체에서 발견된 특정 단백질에 집중했습니다. 먼저, 그들은 단백질을 정제하고 물리적 특성을 조사했습니다. 그들은 이 단백질이 대부분의 다른 단백질을 파괴할 수 있는 열과 화학적 스트레스에도 저항할 만큼 믿기지 않을 정도로 안정적이라는 것을 발견했습니다. 용액 상태에서 그 형태를 분석했을 때, 단백질은 단일 가닥으로 떠다니는 것이 아니라, 자신과 동일한 세 개의 복사본과 자발적으로 결합하여 단단한 4가닥 다발을 형성했습니다. 이는 복잡한 세포에서 기능적 다발이 협력하는 네 가지 다른 유형의 단백질로 만들어진다는 점을 고려할 때 중요한 발견이었습니다. 고대의 버전이 네 개의 동일한 복사본을 사용하여 안정적인 다발을 형성할 수 있다는 사실은 이 기계가 더 단순한 조상 형태였음을 시사했습니다.

이 다발이 정확히 어떻게 구축되었는지 확인하기 위해, 연구진은 단백질 결정을 배양하고 X선(X-ray)을 사용하여 원자 구조를 지도화했습니다. 그 결과 이미지는 네 개의 동일한 나선이 서로 감겨 있는 긴 꼬인 밧줄을 보여주었습니다. 이 다발의 맨 중심에는 네 개의 동일한 글루타민(glutamine) 아미노산 그룹이 만나는 특정 층이 있었습니다. 복잡한 세포에서 이 중심 층은 보통 다양한 화학 그룹에 의해 형성되며, 이는 융합 과정에 필수적인 비대칭 구조를 만듭니다. 연구진은 고대의 다발이 네 면이 모두 똑같이 보이는 완벽한 대칭을 이루고 있음을 발견했습니다. 이러한 대칭성에도 불구하고, 다발의 핵심은 인간 세포에서 발견되는 복잡한 버전만큼이나 조밀하고 안전하게 채워져 있었습니다. 이는 SNARE 다발의 근본적인 구조가 복잡한 세포가 진화하기 훨씬 전부터 존재했으며, 균질한 4개의 동일한 부분 시스템에서 기원했음을 나타냈습니다.

연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 고대 다발이 현대 버전과 어떻게 다르게 행동할지 탐구했습니다. 그들은 단순히 네 개의 동일한 글루타민 그룹 중 하나를 복잡한 세포에서 보이는 다른 화학 그룹으로 교체하는 것이 오늘날의 비대칭 구조를 즉각적으로 만들어낼 수 있는지 테스트했습니다. 시뮬레이션 결과, 이 간단한 교체는 작동하지 않았습니다. 즉, 다발이 복잡한 세포에서 보이는 비대칭 구조로 자발적으로 재배열되지 않았습니다. 대신, 고대의 대칭적 설계는 독자적으로 안정된 상태를 유지했습니다. 이는 단순한 4부품 동일 시스템에서 복잡하고 전문화된 4부품 시스템으로의 전환이 빠르거나 우연한 변화가 아니었음을 시사합니다. 이는 단백질이 시간이 지남에 따라 점진적으로 변화하고 전문화되는 더 긴 진화 과정이 필요했을 것임을 의미합니다.

추가 실험을 통해 연구진은 이 고대 단백질의 전체 길이를 인간 세포에 삽입했을 때, 그것이 세포의 내부 막 시스템, 특히 소포체(endoplasmic reticulum)로 성공적으로 이동한다는 것을 확인했습니다. 이는 고대 단백질이 복잡한 생명의 세포 기계와 호환되며, 막에 삽입되고 올바른 위치를 찾을 능력이 있음을 입증했습니다. 또한 연구는 이 단백질들의 유전적 역사를 조사하여, 이들이 다양한 하임달라코아르코타 종에는 존재하지만 다른 관련 그룹에는 부재함을 발견했습니다. 이러한 분포는 복잡한 생명의 조상이 자신의 고세균 친척들과 갈라지기 전에 이 특정 유형의 SNARE 단백질을 보유했을 가능성을 뒷받침합니다.

이 발견은 세포의 복잡성이 어떻게 발생했는지에 대한 명확한 그림을 그려줍니다. 세포 내부로 물질을 이동시키는 필수 기계는 첫 번째 복잡한 세포가 형성될 때 갑자기 나타난 것이 아닙니다. 대신, 그것은 고대 고세균 조상의 기존 시스템으로부터 진화했습니다. 이 조상은 안정적인 구조를 형성할 수 있는 단순하고 대칭적인 단백질 다발을 보유하고 있었습니다. 수백만 년에 걸쳐 이 기본적인 도구 상트는 복제되고 수정되었으며, 결국 현대의 식물과 동물을 구동하는 다양하고 전문화된 단백질 세트로 이어졌습니다. 이 연구는 우리의 세포 복잡성의 깊은 뿌리가 복잡한 세포가 존재하기 훨씬 전부터 생명의 정교한 기계를 향한 첫걸음이 시작되었던 고세균의 고대 대칭 세계에 있음을 확인해 줍니다.