<사진. theonellamide 형광표적체의 화학구조
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

 
해양천연물 유래성분과 콜레스테롤의 결합으로 세포형태 이상이 일어나는 것 발견
 

일본 이화학연구소(RIKEN)는 해양천연물인 Theonellamide가 콜레스테롤과 결합하여 세포막 유동성을 교란시켜 세포 형태 이상을 일으키는 것을 발견했다고 발표하였다.

생명을 구성하는 세포막에 관련하여 세포막을 구성하는 지질이나 단백질의 종류는 밝혀졌지만, 그 상호작용은 아직 밝혀지지 않았다. 또한 세포막에 결합하여 약효를 보이는 화합물은 알려져 있지만, 그 작용 메커니즘은 거의 밝혀지지 않았다. 향후 신약개발등에 응용하기 위해서는 세포막의 구조나 기능을 상세히 해석하는 것이 중요하다.

연구진은 해면 유래의 생리활성물질인 Theonellamide 가 세포막의 주요 지질인 스테롤(인간은 콜레스테롤, 진균은 에르고스테롤)과 결합한다는 것을 이전 연구를 통해 발견하였다. 하지만 Theonellamide가 어떻게 콜레스테롤을 인식하고, 결합할 때 지질막에 어떤 현상이 일어나는지는 밝혀내지 못했다. 이에 연구진은 화학유전학 도구를 활용하여 Theonellamide를 이용하여 지질막의 유동성 및 세포골격 제어에 관한 콜레스테롤의 역할을 조사하였다.

연구진은 먼저 인공적으로 제작한 지질이중막과 인간 배양 세포를 이용하여 Theonellamide의 움직임을 검증하였다. 우선 인공지질 이중막에서 형광표식한 Theonellamide가 어떻게 환경의 콜레스테롤을 인식하는지를 조사하였다. 세포막을 구성하는 중요한 지질인 인지질과 콜레스테롤을 이용하여 제작한 인공막에 결합한 형광 Theonellamide의 양을 측정한 결과, 콜레스테롤의 농도에 의존하는 결합을 검출하였다. 다음으로 인지질의 종류를 바꾸면 Theonellamide의 인공막에의 결합이 인지질의 상전이 온도에 의존한다는 것을 발견하였다. Theonellamide는 상전이온도가 낮은 인지질과 콜레스테롤을 이용하여 제작한 인공막에 잘 결합하고, 상전이 온도가 높은 인지질과 콜레스테롤을 이용하여 제작한 인공막에는 거의 결합하지 않는다는 것을 발견하였다.

상전이 온도가 낮은 지질과 높은 지질은 서로 섞이지 않고 공존한다. (상분리) 상전이 온도가 낮은 지질이 상을 무질서액체산(Ld상), 높은 지질에서는 상의 질서액체상(Lo상)이라고 부른다. 이에 상분리를 일으키는 Ld상과 Lo상이 공존하는 인공지질에서 형광 Theonellamide의 결합을 관찰하였다. 그 결과 형광 Theonellamide는 Ld상의 영역에 선택적으로 결합하였다.  Theonellamide가 결합하는 콜레스테롤은 Ld상과 Lo상의 공존을 조절하는 대표적인 인자의 하나이라는 점에서, Theonellamide가 공전에 영향을 미칠 가능성이 있다고 추측되었다. 이에 높은 농도(50%)의 콜레스테롤을 포함한 상분리되지 않는 인공막을 제작하여, 여기에 Theonellamide를 추가하자 20분 후에 30% 이상의 인공막에서 상분리된다는 사실을 확인하였다.  또한 인간 배양세포에서도 상의 교란이 관찰될 때, Theonellamide를 처리하면 세포막의 유동성이 질서가 크게 변화한다는 것을 보여줬다.

마지막으로 Theonellamide가 세포에 기능을 미치는 영향을 조사하였다. 인간 배양 세포에 Theonellamide를 첨가하자, 수십 분 후 세포형태가 격하게 축소된다는 것을 확인하였다. 그 세포 수축의 현상은 콜레스테롤에 의존하는 것이었다. 또한 이 세포 수축은 세포 골격에있는 액틴의 붕괴에 따라, 중합한 미소관과 ATP등의 에너지에 의존할 필요가 있다는 것이 밝혀졌다. 세포막과 세포골격이 물리적으로 긴밀하게 상호작용한다. 이 결과는 세포막의 적절한 유동성이 세포막과 세포골격의 상호작용에 필요하다는 것을 시사하는 중요한 연구결과이다.

본 연구에서는 Theonellamide가 무질서액체상의 콜레스테롤에 결합하여, 지질막의 유동성을 혼란시킨다는 것을 확인하였다. 이 결과는 Theonellamide를 이용한 세포막의 유동성의 기능을 확인한 것과 함께 함께 지질막의 유동성을 조작하는 것이 가능하다는 사실을 보여준다. 현재 세포막과 인공지질 이중막에서 막의 유동성을 검출하기 위한 방법 중에서 이를 산란하는 연구 도구는 부족한 실정이다. 향후 Theonellamide는 콜레스테롤의 검출 시약으로만이 아니라 세포막이나 인공지질 이중막의 유동성을 조사하기 위한 화학 툴로 역할을 할 것으로 기대된다. 또한 Theonellamide에 의한 세포수축을 분자 레벨에서 해명할 수 있다면, 세포를 형성하는 세포막과 세포골격의 기능적인 관계에 의한 구체적인 이해가 가능할 것으로 보인다.

본 연구에 대한 상세한 연구결과는 Chemistry & Biology지에 게재된 "Targeting cholesterol in liquid-disordered environment by theonellamides modulates cell membrane order and cell shape"에서 확인할 수 있다.

■  KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr