국내 연구진, 생체세포 간 연결 채널 '커넥신' 구조 밝혀

기사내용 요약
KBSI-고려대-서울대, 간극연접채널 개폐 기전 밝혀
초저온전자현미경 활용해 세포막 단백질구조 규명

[대전=뉴시스] 커넥신43 간극연접채널의 개폐 조절에 관여되는 모노머의 구조적 다양성. 왼쪽은 모든 NTH가 구멍의 입구로 향할 때는 콜레스테롤이 채널 내벽에 달라 붙어 NTH가 채널 안으로 말려 들어가지 못하고 기공이 닫히는 상태를, 가운데는 NTH가 기공 입구로 향하는 구조와 기공 내벽에 위치하는 구조가 적절히 혼재돼 있을 때 기공의 크기가 가장 크게 열리는 상태를 보여준다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 초저온전자현미경으로 생체세포 간 신호 및 물질 이동의 작용기작을 밝혔다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 전자현미경·분광분석팀 정형섭 박사팀이 고려대학교 생명과학과 우재성·서울대학교 화학부 이형호 교수팀과 공동으로 세포 간 연결통로인 '커넥신43'과 '커넥신36' 간극연접채널 단백질의 구조와 개폐 기전을 최초로 규명했다고 3일 밝혔다.

간극연접채널은 세포막에 위치하며 커넥신 단백질로 이뤄진 세포 간 통로를 통해 정보이동을 촉진시키는 역할을 한다.

커넥신 N-말단에 존재하는 나선구조 도메인(N-terminal helix·NTH)이 열리고 닫히면서 인접 세포에 신호나 물질을 전달·조절한다.

이를 통해 이온, 당, 아미노산, 핵산 등 작은 분자들이 통과하며 시냅스 신호 전달, 심장 수축, 세포의 성장·분화 등 다양한 기능을 수행한다.

인간에게는 총 21종의 커넥신 단백질이 존재하며 커넥신의 결함은 다양한 질병의 원인이 된다.

21종의 커넥신 단백질 중 '커넥신26', '커넥신46/50' 간극연접채널의 3차원 구조는 규명됐지만 이들은 주로 열려있는 상태로 예상되는 정적인 구조로 밝혀져 채널 개폐 기전을 이해하는 데 한계가 있었다.

이에 앞서 지난 2020년 KBSI와 고려대 우재성 교수팀이 '커넥신31.3' 단백질 구조를 분석해 채널이 닫힌 상태에서의 기전을 규명했으나 커넥신31.3 단백질 역시 21종의 커넥신 중 유일하게 세포-세포외기질 채널로의 기능만 담당하기 때문에 세포-세포 간 신호 및 물질 이동의 정확한 기전은 파악키 어려웠다.

[대전=뉴시스] 커넥신36 간극연접채널 개폐의 구조적 특이성. NTH가 매우 흔들거려 잘 보이지 않는 채널 구조에서는 입구와 내부가 지질에 의해 막혀 이온의 흐름이 차단될 수 있는 구조가 관찰됨(왼쪽). NHT가 내벽으로 들어가 붙어있는 상태에서는 가운데 빈 공간의 좁은 틈으로 이온의 이동이 이뤄지는 것으로 나타난다(오른쪽). *재판매 및 DB 금지

이번에 공동연구팀은 심장의 규칙적인 운동에 중요 역할을 하는 커넥신43과 뇌의 전기적 신호 전달에 직접 관여하는 커넥신36 간극연접채널의 개폐 기전을 분자수준에서 확인키 위해 KBSI의 초저온전자현미경으로 고분해능 3차원 구조를 재현했다.

이를 통해 채널의 구멍이 막힌 상태와 열린 상태를 포함한 다양한 형태의 구조를 획득하고 채널의 개폐 활동에 핵심 역할을 하는 주요 물질 및 NTH의 구조적 변화를 확인했다.

커넥신43에서는 채널 개폐에 있어 콜레스테롤이 중요한 역할을 하는 것으로 알려졌고 이번 연구에서도 콜레스테롤은 농도가 높으면 채널 내벽에 달라 붙어 NTH가 채널 안으로 들어가지 못해 구멍의 크기가 가장 작은 구조로 관찰됐다.

또 커넥신36에서는 지질이 채널 개폐에 직접 관여하는 것으로 확인됐다. NTH가 흔들거리는 채널 구조에서는 다량의 지질 분자들이 채널 입구와 내부를 막아 이온의 흐름을 차단할 수 있는 구조를 보였다.

반면 NTH가 채널 내벽으로 들어가 붙어있는 상태에서는 지질이 구멍 내부로 들어올 수 없는 상태가 되지만 NTH 사이에 개방된 좁은 틈으로 이온의 이동은 이뤄질 수 있는 것으로 관찰됐다.

이번에 규명된 간극연접채널의 구조와 기전은 심부전, 부정맥, 눈-코-치아 골격이형성증, 뇌전증, 당뇨, 암 등의 원인과 과정에 대한 분자수준에서의 이해를 돕는다.

연구 결과는 서경배연구재단의 신진과학자 연구지원프로그램, 한국연구재단의 개인기초연구, 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐으며 기초과학분야 상위 학술지인 'Nature Communications'지(IF 17.694)에 두 편의 논문으로 게재됐다.

KBSI 정형섭 박사는 "이번 연구를 통해 초저온전자현미경이 세포막 단백질 구조 규명에 매우 유용한 분석 도구임을 재차 확인할 수 있었다"며 "간극연접채널의 구조와 기전에 대한 이해는 관련 질환의 원인을 분자 수준에서 더 명확히 파악하고 치료와 관련된 신약 개발에 중요한 역할을 할 것"이라고 기대했다.

☞공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com