세포 분열 방식에 대한 새로운 발견으로 교과서가 도전을 받고 있다.

거대한 배아 세포는 과학자들이 이전에 생각했던 방식대로 분열하지 않습니다. 단일 조임 고리 대신, 세포 골격 섬유와 세포 내부 강성의 주기적인 변화에 의해 작동하는 정지-진동식 "기계식 래칫"을 사용하여 분열합니다. (사진 제공: Shutterstock)

세포 분열은 생명의 근본이지만, 과학자들은 특히 알을 낳는 동물에서 배아 발달 초기 단계의 세포 분열 과정을 완전히 설명하는 데 어려움을 겪어왔습니다. 드레스덴 공과대학교(TUD Dresden University of Technology) 생명물리학(PoL) 우수연구센터의 브루게스(Brugués) 연구팀은 대형 배아 세포가 완전한 수축환을 형성하지 않고도 분열할 수 있도록 하는, 이전에 알려지지 않았던 메커니즘을 발견했습니다. 네이처(Nature) 에 발표된 이들의 연구 결과는 세포 골격의 구성 요소와 세포 내부(세포질)의 물리적 특성이 '래칫' 메커니즘을 통해 상호 작용하여 세포 분열을 유도하는 방식을 보여줌으로써 기존 교과서 모델에 도전장을 내밀고 있습니다.

많은 생물체에서 세포는 세포 중앙에 액틴 단백질로 이루어진 고리를 형성하여 분열합니다. 이 고리는 마치 조이는 끈처럼 조여지면서 세포를 두 개의 딸세포로 압축합니다. 이러한 주머니끈식 분열 모델은 일반적으로 적용되지만, 상어, 오리너구리, 조류, 파충류와 같이 배아 세포 크기가 특히 큰 종의 분열은 설명하지 못합니다. 이러한 경우, 세포의 엄청난 크기와 큰 난황낭의 존재로 인해 액틴 고리가 완전히 닫히지 않습니다. 수년 동안 연구자들은 이처럼 큰 세포들이 어떻게 분열하는지 궁금해했습니다.

"배아 세포에 이렇게 큰 난황이 있으면 기하학적 제약이 따릅니다. 느슨한 끝부분을 가진 수축대가 어떻게 안정적으로 유지되면서 이 거대한 세포를 분열시킬 만큼 충분한 힘을 생성할 수 있을까요?" 브루게스 연구팀에서 박사 학위를 받은 앨리슨 키커스(Alison Kickuth)는 네이처(Nature)지에 발표된 이번 연구의 주저자로서 이 질문을 던졌습니다. 그녀의 실험은 이 질문 에 대한 답을 제시합니다.

제브라피쉬 연구를 통해 미세소관의 안정화 역할이 밝혀졌습니다.

이를 조사하기 위해 연구진은 발달 속도가 빠르고 초기 단계에 난황이 풍부한 큰 세포를 포함하는 제브라피시 배아를 이용했습니다. 앨리슨은 레이저를 사용하여 액틴 띠를 정밀하게 절단한 결과, 띠가 절단된 후에도 계속 안쪽으로 이동하는 것을 발견했습니다. 이는 액틴 띠가 양 끝단에만 고정된 것이 아니라 전체 길이에 걸쳐 지지되고 있음을 시사합니다.

연구팀은 세포골격의 또 다른 핵심 구성 요소인 미세소관이 액틴 띠가 절단될 때 휘어지고 퍼지는 것을 관찰했습니다. 이 섬유들은 액틴 띠가 수축할 때 안정화에 도움을 주는 것으로 보였습니다. 미세소관의 중요성을 확인하기 위해 연구진은 두 가지 방법으로 미세소관을 파괴했습니다. 하나는 화학적으로 탈중합을 유도하여 새로운 미세소관 형성을 효과적으로 차단하는 것이고, 다른 하나는 미세한 기름 방울을 삽입하여 물리적으로 방해하는 것이었습니다. 두 경우 모두 미세소관이 없으면 액틴 띠가 붕괴되었는데, 이는 미세소관이 띠의 형성 및 수축 과정에서 중요한 기계적 지지 및 신호 전달 기능을 제공한다는 것을 보여줍니다.

세포 주기 동안 세포질 강직도가 변화합니다.

세포는 세포주기를 거치면서 세포골격을 자연적으로 재구성합니다. 이 세포주기는 DNA가 분리되는 분열기(M기)와 세포가 성장하고 DNA를 복제하는 간기로 구성됩니다. DNA 분리 후, 성상체라고 불리는 큰 미세소관 구조가 세포질 전체로 확장됩니다. 간기 동안 이 성상체는 액틴 띠가 형성될 위치를 결정하는 데 도움을 주어 미래의 세포 분열 부위를 표시합니다.

미세소관은 세포질의 경직도에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 연구진은 성상체가 세포 내부를 경직시켜 액틴 띠를 고정하는 데 도움을 줄 수 있는지 조사했습니다. 이를 측정하기 위해 세포 내부에 자성 비드를 넣고 자기력 하에서 비드의 움직임을 추적했습니다. 이를 통해 세포 주기의 여러 단계에 걸쳐 세포질 경직도의 변화를 평가할 수 있었습니다.

연구진은 세포질이 간기 동안 더 단단해져 액틴 띠를 안정화하는 지지 구조를 형성한다는 사실을 발견했습니다. 그러나 M기에는 세포질이 더 유동적이 되어 액틴 띠가 새로 생성되는 두 세포 사이로 이동할 수 있게 됩니다. 이러한 세포질의 단단함과 유동성 사이의 변화는 세포 분열을 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

기계식 래칫이 시간에 따라 분할을 구동합니다.

한 가지 의문점이 남았습니다. M기 동안 세포질이 더 유동적으로 변한다면, 액틴 띠는 어떻게 붕괴되지 않고 유지될까요? 연구팀은 시간에 따른 액틴 띠 양 끝의 움직임을 추적하여, M기 동안 수축하면서 액틴 띠가 불안정해지기는 하지만 완전히 붕괴되지는 않는다는 사실을 발견했습니다. 오히려, 부분적인 수축은 초기 배아 세포 주기의 빠른 속도에 의해 "보존"되는 것입니다.

세포가 다음 간기에 접어들어 성상체가 다시 형성되면 세포질이 다시 굳어지면서 띠가 안정화됩니다. 그런 다음 띠는 다음 유동기 동안 계속 안쪽으로 이동합니다. 이러한 일시적인 불안정성과 안정화의 반복은 세포가 완전히 분열될 때까지 여러 세포 주기에 걸쳐 반복됩니다. 이 과정은 마치 '기계식 래칫'처럼 작용하여 수축환이 완전히 닫히지 않고도 분열을 점진적으로 진행합니다. 세포는 한 번의 세포 주기에서 분열을 완료하는 것이 아니라, 세포질의 물리적 상태를 교대로 변화시키면서 단계적으로 분열을 이루어냅니다.

"시간적 래칫 메커니즘은 세포 분열이 어떻게 작동하는지에 대한 우리의 관점을 근본적으로 바꿉니다."라고 이번 연구의 교신 저자인 얀 브루게스는 강조했습니다. 연구진은 이 메커니즘이 빠르게 분열하여 기존 모델로는 설명할 수 없는 매우 큰 배아 세포에 효과적인 해결책을 제공한다고 제안합니다.

"제브라피시는 배아 세포의 세포질 분열이 본질적으로 불안정하다는 점에서 매우 흥미로운 사례입니다. 이러한 불안정성을 극복하기 위해 세포는 빠르게 분열하며, 분열이 완료될 때까지 여러 세포 주기 동안 안정 상태와 유동 상태를 번갈아 가며 띠가 침투할 수 있도록 합니다."라고 앨리슨은 이 발견에 대해 강조했습니다.

이 연구는 크고 난황이 풍부한 배아의 세포 분열을 이해하기 위한 새로운 틀을 제시하며, 이는 많은 알을 낳는 종에 적용될 수 있습니다. 또한 세포 과정 조절에 있어 세포질의 물질적 특성 변화가 정확한 시점에 일어나는 것이 중요하다는 점을 강조합니다. 이러한 통찰은 과학자들이 다양한 생물체의 초기 발생을 연구하는 방식을 재정립할 수 있을 것입니다.

연구비 지원: 본 연구는 독일 연구재단(DFG)의 독일 우수 연구 전략 사업(EXC-2068-390729961 - 드레스덴 공과대학교 생명물리학 우수 연구 클러스터)의 지원을 받았습니다. 또한, 폭스바겐 '라이프' 프로젝트(과제번호 96827)의 지원도 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/02/260227071928.htm