A minimal Asgard archaeal ESCRT-III system remodels membranes across scales
이 연구는 아스가르드 고균(Asgard archaea) 유래의 최소 단위인 2개 하위 유닛 ESCRT-III/Vps4 시스템이 나노 및 마이크로 규모 모두에서 막을 변형하고 수축시키기 위해 서로 다른 조립 모드를 활용함으로써, 진핵생물과 유사한 막 재구성 능력을 재현한다는 것을 입증한다.
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모든 살아있는 세포는 막이라고 불리는 얇고 기름진 피부로 둘러싸인 액체 주머니입니다. 이 피부는 단순히 수동적인 벽이 아닙니다. 세포가 분열하거나, 손상을 복구하거나, 내부로 물질을 운반할 수 있도록 끊임없이 구부러지고, 조이고, 형태를 바꾸어야 하는 역동적인 표면입니다. 이러한 작업을 수행하면서 피부를 찢어지지 않게 하기 위해, 세포는 정교한 단백질 기계에 의존합니다. 인간과 같은 복잡한 생명체에서 가장 중요한 기계 중 하나는 ESCRT-III라고 불립니다. 이것은 분자 건설팀처럼 작동하여, 막의 좁은 목 부분을 조여서 끊어내는 나선형 모양으로 조립되며, 이 과정은 세포 분열과 낡은 부품의 제거에 필수적입니다. 오랫동안 과학자들은 이러한 복잡한 기계가 작동하기 위해서는 많은 다양한 단백질 부품들로 이루어진 거대한 팀이 필요하다고 믿었습니다.
하지만 이 기계들이 어떻게 진화했는지에 대한 이야기는 아직 미완성입니다. 복잡한 생명체의 가장 가까운 친척은 아스가르드 고균(Asgard archaea)이라 불리는 고대의 단세포 생물 집단입니다. 인간과 달리, 이 생물들은 단 두 종류의 주요 구성 요소와 하나의 모터 단백질만을 가진 매우 간소화된 버전의 ESCT 시스템을 보유하고 있습니다. 이는 근본적인 질문을 던집니다. 이렇게 적은 부품을 가진 최소한의 팀이 실제로 막의 형태를 바꾸는 복잡한 과업을 수행할 수 있을까요? 아니면 이러한 능력을 발휘하기 위해서는 현대 세포에서 발견되는 것과 같은 완전하고 복잡한 기계가 필요할까요?
막스 플랑크 생화학 연구소의 연구팀은 실험실 접시에서 아스가르드 시스템을 처음부터 다시 구축함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 그들은 로키아키움(Lokiarchaeum)이라는 아스가르드 가문의 일원으로부터 추출한 두 가지 특정 단백질과 하나의 모터 단백질을 분리했습니다. 강력한 현미경을 통해 이 단백질들이 인공 막과 상호작용하는 모습을 관찰함으로써, 그들은 이 작은 두 부분의 시스템이 예상보다 훨씬 더 유능하다는 것을 발견했습니다. 이 시스템은 단순히 복잡한 세포의 행동을 흉내 내는 것에 그치지 않고, 바이러스 규모에서 전체 세포 규모에 이르기까지 광범위한 크기에 걸쳐 작동하는 독특한 구조를 스스로 만들어냅니다.
연구진은 먼저 ESCRT-IIIA와 ESCRT-IIIB라고 명명한 두 가지 주요 단백질이 각각 어떻게 행동하는지 조사했습니다. 막 위에 놓였을 때, 첫 번째 단백질인 ESCRT-IIIA는 길고 유연한 밧줄처럼 행동했습니다. 그것은 놀라울 정도로 길게 늘어져 수 마이크로미터에 달하는 필라멘트를 형성했고, 지름 약 1마이크로미터의 완벽한 고리 모양으로 말려 들어갔습니다. 이 고리들은 일반적인 광학 현미경으로도 명확하게 볼 수 있을 만큼 컸습니다. 두 번째 단백질인 ESST-IIIB는 다르게 행동했습니다. 긴 밧줄을 형성하는 대신, 그것은 수십 나노미터 너비의 코일 스프링을 닮은 촘촘한 나노 규모의 나선을 형성했습니다.
연구팀은 모터 단백질인 Vps4를 도입하여 이 구조들을 어떻게 제어하는지 살펴보았습니다. 모터 단백질은 조절자 역할을 했지만, 두 가지 다른 단백질을 서로 상반된 방식으로 대했습니다. Vps4가 ESCRT-IIIA로 만들어진 긴 고리와 필라멘트를 만났을 때, 그것은 해체자 역할을 했습니다. 그것은 필라멘트의 끝부분을 갉아먹고 고리를 축소시켜 사라지게 함으로써 구성 요소들을 효과적으로 재활용했습니다. 반대로, Vps4가 ESCRT-IIIB의 촘촘한 나선을 만났을 때는 그것을 파괴하지 않았습니다. 대신 그것을 쥐어짜서 나선이 더 촘촘하게 밀집되도록 하고 중앙의 구멍을 닫았습니다. 이는 단 두 종류의 구성 요소만으로도 시스템이 구별되고 전문화된 과업을 수행할 수 있음을 보여주었습니다. 즉, 한 단백질은 해체 가능한 큰 골격을 만들고, 다른 단백질은 조여지고 보존되는 조밀한 구조를 형성하는 것입니다.
가장 놀라운 발견은 연구진이 두 단백질을 결합했을 때 나타났습니다. 그들은 단백질이 추가되는 순서가 중요하다는 것을 발견했습니다. ESCRT-IIIA의 긴 필라멘트가 먼저 형성되었을 때, 더 작은 ESCRT-IIIB 나선이 그곳에 부착되어 새로운 하이브리드 구조를 만들어냈습니다. 이 결합된 조립체들은 첫 번째 단백질의 단순한 고리도, 두 번째 단백질의 촘촘한 나선도 아닌, 긴 스프링 형태의 헬릭스(helix)처럼 보였습니다. 그것들은 나노 규모와 마이크로 규모 사이의 간극을 메우는 독특하고 고차원적인 형태였습니다.
이 최소한의 시스템이 실제 세포막을 실제로 재형성할 수 있는지 테스트하기 위해, 연구진은 이 단백질들을 거대한 자유 부유형 지질 거품인 베지클(vesicle) 위에 배치했습니다. 결과는 극적이었습니다. 단백질들은 표면에 단순히 머물러 있는 것이 아니라, 막을 능동적으로 당기고 비틀었습니다. 긴 필라멘트와 나선은 거대한 베지클을 수축시켜 형태를 좁히고 변형시켰습니다. 이는 단 두 개의 ESCT 단백질과 하나의 모터만으로도, 목 부분을 조이는 작은 나선부터 전체 세포를 재형성하는 큰 필라멘트에 이르기까지 다양한 규모의 막을 리모델링하는 데 필요한 힘을 생성하기에 충분하다는 것을 입증했습니다.
이러한 발견은 오늘날 인간에게서 보이는 복잡한 막 재형성 기계가 갑자기 나타난 것이 아님을 시사합니다. 대신, 그것은 이미 정교한 작업을 수행할 수 있었던 단순하고 고대의 시스템으로부터 진화했을 가능성이 높습니다. 최소한의 도구를 가진 아스가르드 고균은 적은 수의 특화된 부품이 어떻게 다양한 형태와 기능을 만들어낼 수 있는지를 보여줍니다. 이 시스템은 인간의 기계를 흉내 낸 원시적이고 서투른 버전이 아닙니다. 그것은 수십억 년 동안 정제되어 온 매우 효율적이고 다재다능한 도구입니다. 두 개의 단백질이 얼마나 넓은 범위의 크기에 걸쳐 막을 구축하고, 재형성하며, 조절할 수 있는지를 보여줌으로써, 이 연구는 세포의 기본적인 원리가 복잡한 세포가 존재하기 훨씬 전부터 어떻게 확립되었는지, 즉 세포 진화의 초기 단계에 대한 명확한 창을 제공합니다.
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