Theoretical analysis of forces generated by mitotic spindle

분열하는 모든 살아있는 세포는 정밀한 공학적 기술을 수행해야 한다. 즉, 유전 물질을 두 개의 동일한 세트로 나누고 이를 세포의 반대편 끝으로 끌어당겨야 하는 것이다. 미토시스(mitosis, 체세포 분열)라고 알려진 이 과정은 단백질 섬유로 이루어진 미세한 기계인 스핀들(spoke, 방추사)이라는 일시적인 구조물에 의존하며, 이 구조물은 비계(scaffold)이자 모터의 역할을 한다. 이 기계 내부에서 아주 작은 분자 모터들이 이 섬유들을 따라 걸으며, 염색체를 세포 중앙에 정렬시키는 데 필요한 장력과 나중에 그것들을 양옆으로 잡아당기는 데 필요한 강력한 힘을 생성한다. 과학자들은 오랫동안 염색체를 정렬 단계에서 제자리에 유지하기 위해 이 섬유들이 얼마나 많은 힘을 가하는지 측정할 수 있었지만, 다음 단계로 넘어갈 때 당혹스러운 불일치가 나타났다. 연구자들이 분리 단계 동안 염색체의 움직임을 멈추려 했을 때, 앞서 정렬 상태를 유지할 때 필요했던 힘보다 수백 배나 더 강한 힘이 필요하다는 것을 발견했기 때문이다. 이 거대한 차이는 왜 이 기계가 멈추기 위해서 그렇게 엄청난 양의 에너지를 생성하는 것처럼 보이는지, 그리고 그 힘이 어디에서 오는지에 대해 생물학자들을 의문에 빠뜨렸다.

중국 과학원(Chinese Academy of Sciences)의 핑 시에(Ping Xie)가 발표한 새로운 이론적 연구는 스핀들이 힘을 생성하는 방식을 모델링함으로써 이 미스터리에 대한 명확한 설명을 제공한다. 이 연구는 스핀들이 정렬 단계와 분리 단계 사이에서 근본적인 엔진을 바꾸는 것이 아니라, 염색체를 멈추는 데 필요한 힘의 차이가 해당 염색체가 움직이려는 속도에 따른 직접적인 결과라고 제안한다. 염색체가 정렬되는 초기 단계에서는 섬유들이 장력을 받고 있지만 움직임은 상대적으로 느리다. 후기 단계인 염색체가 분리될 때는 섬유들의 끝부분이 탈중합(depolymerizing)되면서 염색체를 극(pole) 쪽으로 훨씬 더 빠른 속도로 몰아붙인다. 연구는 염색체를 멈추는 데 필요한 힘이 단순히 섬유의 강도에 관한 것이 아니라, 섬사가 염색체를 끌어당기려는 속도에 관한 것이라고 제안한다. 빠르게 움직이는 물체를 멈추기 위해서는, 설령 그것을 움직이는 엔진이 동일하더라도 느리게 움직이는 물체를 멈출 때보다 훨씬 더 큰 힘이 필요하다.

이 논문은 세포 분열 연구의 고전적 모델인 메뚜기 정세포(grasshopper spermatocytes)의 데이터에 초점을 맞춘다. 이 세포들에서 연구자들은 이전에 정렬 단계에서 단일 섬유를 제자리에 유지하는 데 약 7 피코뉴턴(piconewtons)의 힘이 든다는 것을 측정했다. 그러나 분리 단계에서 전체 염색체의 움직임을 멈추려 했을 때, 무려 700 피코뉴턴의 힘이 필요하다는 것을 발견했다. 하나의 염색체는 약 15개의 섬유에 부착되어 있으므로, 이는 분리 중에 각 섬유가 약 50 피코뉴턴의 힘을 생성하고 있음을 의미하며, 이는 앞서 관찰된 7 피코턴보다 훨씬 높다. 시에의 모델은 분리 중에 조작되지 않은 염색체가 중심에서 멀어지는 속도가 섬사의 이동 속도보다 훨씬 빠르다는 점을 계산함으로써 이를 설명한다. 섬사가 염색체를 매우 빠르게 끌어당기려 하기 때문에, 그 움직임을 상쇄하고 정지 상태로 만드는 데 필요한 힘이 자연스럽게 훨씬 더 커지는 것이다. 모델에 따르면, 정렬 중 각 섬사에 가해지는 인장력이 약 7.87 피코뉴턴이라면, 수학적으로 실험에서 관찰된 700 피코뉴턴의 정지 힘(stall force)을 완벽하게 예측할 수 있다.

또한 이 연구는 왜 다른 실험들에서 염색체를 멈추는 데 훨씬 낮은 힘이 필요하다고 보고되었는지에 대해서도 다룬다. 그런 경우 연구자들은 레이저 빔을 사용하여 염색체를 붙잡았다. 새로운 모델은 레이저 빛 자체가 섬사를 끌어당기는 분자 모터를 손상시키거나 분리시켜, 결과적으로 염색체의 속도를 늦추었을 수 있다고 제안한다. 만약 모터가 손상되어 염색체가 더 느리게 움직이고 있다면, 그것을 멈추는 데 훨씬 적은 힘이 들 것이다. 이는 세포가 정렬과 분리를 위해 두 개의 서로 다른 엔진을 가지고 있다고 가정할 필요 없이 이 불일치를 설명해 준다. 대신, 세포는 하나의 일관된 메커니즘을 사용하지만, 과정의 속도가 멈추는 데 필요한 힘을 결정하는 것이다.

나아가, 이 연구는 과학자들이 단 하나의 염색체만이 아니라 세포 내의 모든 염색체를 동시에 멈추려고 시도할 경우 어떤 일이 일어날지에 대한 구체적인 예측을 제시한다. 모델은 모든 염색체를 동시에 멈추는 데 필요한 총 힘이 단 하나의 염색체를 멈추는 데 필요한 힘보다 약 4배 더 클 것이라고 제안한다. 반대로, 그 전체 그룹 내에서 각 개별 염색체를 멈추는 데 필요한 힘은 단독 염색체를 멈추는 데 필요한 힘의 약 17%에 불과할 것이다. 이러한 반직관적인 결과는 섬사들이 서로 연결되어 있기 때문에 발생한다. 즉, 시스템의 한 부분을 멈추면 나머지 부분의 역학 관계가 변하게 된다. 저자는 향후 실험을 통해 이 예측을 테스트할 수 있기를 희망하며, 이를 통해 생성되는 힘이 움직임의 속도와 밀접하게 연관되어 있는 통합된 자기 조절 기계로서의 스핀들을 확인할 수 있을 것이라고 믿는다.

이 연구는 세포가 분열의 엄청난 힘을 어떻게 관리하는지에 대한 통합된 관점을 제공한다. 연구는 정지 힘이 왜 그렇게 높은지를 보여줌으로써, 그것이 분자 모터의 강도가 갑자기 증가했기 때문이 아니라 분리 속도가 높기 때문에 발생하는 자연스러운 결과임을 밝혀내어 의문을 해결한다. 스핀들은 기어를 바꾸거나 엔진을 변경할 필요가 없다. 그저 과정의 속도에 반응할 뿐이다. 움직이는 부품을 멈추는 데 필요한 힘은 그 부품이 얼마나 빨리 움직이느냐에 의해 결정된다는 것을 이해함으로써, 과학자들은 생명의 가장 근본적인 수준에서 역학을 더 잘 이해할 수 있다. 이 연구는 스핀들이 구성 요소들의 속도에 의해 힘이 균형을 이루는 견고한 시스템임을 확인해주며, 이를 통해 생명이 지속되는 데 필요한 정밀함과 힘으로 염색체가 분리되도록 보장한다.