배경: 세포 하나는 앞뒤 위치를 어떻게 구분할까

거대 단세포 생물인 나팔벌레(Stentor coeruleus)에서 전령RNA(mRNA)가 세포 앞뒤에 서로 다르게 분포하고, 뒤쪽에 mRNA가 농축된 일부 MYB 유전자를 억제하면 후방 구조 재생에 결함이 생긴다는 연구 결과가 PNAS에 실렸다. 미세소관 구성 단백질이나 세포질 다이네인(dynein) 중간사슬의 발현을 억제했을 때도 여러 mRNA의 앞뒤 분포가 흐트러졌다.

길이가 약 1 mm인 나팔벌레는 앞쪽에 섬모 띠, 뒤쪽에 부착 구조를 갖춘다. 세포를 반으로 잘라도 각 절반이 잃어버린 부분을 재생한다는 특징이 있다. 구조가 늘 일정한 위치에 만들어진다는 사실은 세포 내부에 위치정보가 존재함을 암시하지만, 이를 전달하는 분자적 원리는 충분히 밝혀지지 않았다. 연구진은 배아 발달에서 특정 부위에 모인 mRNA가 위치정보와 연결된다는 데 착안해 나팔벌레의 앞뒤 축을 조사했다.

핵심 발견: 앞뒤 RNA 비교와 유전자 억제로 재생 기능 조사

연구진은 세포를 앞뒤로 절단하고, 시료마다 앞쪽 절편 50개와 뒤쪽 절편 50개를 각각 모아 벌크 RNA 시퀀싱(RNA-seq)을 수행했다. 탐색적 분석 기준인 q<0.2에서 앞뒤 농축 정도가 다른 유전자 6,276개를 확인했다. 연구진의 추정에 따르면 20%의 거짓발견률을 고려한 규모는 전체 유전자 모델의 약 15%에 해당한다. 후보를 폭넓게 찾기 위한 기준이므로 이 목록 전체를 확정된 위치결정 유전자로 해석해서는 안 된다.

앞쪽에 농축된 mRNA는 구조·대사 관련 단백질을, 뒤쪽에 농축된 mRNA는 신호전달·조절 관련 단백질을 암호화하는 경향을 보였다. 앞뒤 농축 차이를 보인 MYB DNA 결합 도메인 단백질의 전사체 50개 중 40개가 뒤쪽에 농축된 것으로 나타났다.

연구진은 후방 농축 전사체에 해당하는 MYB 유전자 두 개를 RNA 간섭(RNAi)으로 억제한 뒤 세포를 절단했다. 절단 24시간 뒤 관찰에서는 일부 앞쪽 반세포가 뒤쪽의 가늘어지는 꼬리 구조를 제대로 재생하지 못했다. 이미 후방 구조를 가진 뒤쪽 반세포에서는 같은 결함의 빈도가 대조군과 비슷했다는 차이가 있다. 이는 해당 유전자 산물이 후방 구조를 새로 만드는 데 관여한다는 해석을 뒷받침한다. 다만 유전자 발현을 줄인 결과만으로 mRNA의 위치 자체가 재생에 필수라고 입증되지는 않는다.

미세소관 구성요소인 베타튜불린(β-tubulin)이나 다이네인 중간사슬을 억제한 실험에서는 세포 형태와 mRNA 분포가 함께 변했다. 같은 세포에서 나온 앞뒤 절반을 짝지어 RNA-seq로 비교한 결과, 여러 전사체의 분포 차이가 줄거나 방향이 뒤집혔다. 다이네인 억제 조건 G04에서는 분포 편향이 유의하게 역전된 후보 403개를 찾았다. 다른 유전자를 표적으로 삼은 G05에서는 전체 시료 수준의 앞뒤 구분이 흐려졌지만, 개별 전사체의 유의한 편향 변화는 검출되지 않았다. 두 조건의 차이가 생물학적 특성 때문인지 기술적 영향인지는 불분명하다.

의미와 전망: 위치정보의 후보를 찾았지만 수송 원리는 미해결

이번 연구는 단일세포 내부의 mRNA 분포를 조사하고 일부 후보 유전자의 재생 기능을 시험할 기반을 마련했다. 연구진은 모터 단백질이 미세소관을 따라 mRNA를 운반할 가능성을 제안했다. 그러나 mRNA 이동을 직접 추적한 실험은 아니며, 다이네인 억제가 미세소관의 조직화에 영향을 미쳤을 가능성도 남아 있다.

특정 부위의 전사와 모터 수송이 함께 분포를 만든다는 설명 역시 검증할 모델이다. 후속 연구의 과제는 키네신과 RNA 결합 어댑터의 역할, mRNA 위치와 단백질 위치의 관계를 확인하는 일이다. 유전자 산물의 양과 세포 내 배치가 재생에 각각 어떻게 기여하는지도 구분해야 한다.

연구 방법과 결과는 PNAS 논문 원문에서 확인할 수 있다.