과학은 역사에 발맞춰 발전해간다. 모든 연구분야가 꾸준히 발전하기 보다는 제각기 다른 속도로 앞서거니 뒤서거니 한다. 수십년 전의 교과서로부터 몇 발자국 진전하지 못한 연구분야도 기술적인 혁신이 계기가 되어 갑자기 큰 진전을 이루기도 한다. 이런 경우, 상승장의 주식시장에서는 어떤 주식을 사더라도 돈을 벌듯, 뭘 연구해도 학문의 발전에 기여하게 된다. 지금 되돌아보면 중심체(centrosome) 연구는 지난 20년이 전성기였다. 이 글에서는 중심체 연구가 갑자기 각광을 받게 된 요인을 짚어보고, 이 과정에서 우리 연구진의 기여를 정리해본다.
  중심체는 동물세포에서 관찰되는 세포내 소기관이다. 중심체는 미세소관 망(microtubule network) 형성에 중심이 되며, 특히 세포가 분열할 때 중심체는 염색체를 딸세포로 끌어오는 방추체(spindle pole)가 된다. 그런데 식물세포는 중심체가 없이도 세포분열을 하니까 과연 중심체가 세포분열에 필수적인지를 의심받았다. 동물세포에 중심체를 없애면 어떻게 될까? Basto 등(2006)은 중심체가 없는 초파리를 만들어서 성체까지 발생시켰다. 이는 중심체가 없더라도 동물세포는 분열할 수 있음을 의미한다. 하지만 이 초파리는 신경세포에 섬모(cilia)가 없는 관계로 음식물을 섭취하지 못해 곧 말라 죽었다(Basto et al., 2006). 이 결과는 섬모 형성이 중심체의 또 다른 주요 기능이 임을 보여준다. 실제로 중심체는 섬모를 형성하는 생명체에만 존재하며, 식물을 포함한 섬모를 형성하지 않는 생명체에는 중심체가 없다(Carvalho-Santos et al., 2011). 그럼 동물세포의 분열에서 중심체는 아무 역할이 없을까? 연구에 의하면, 중심체가 없는 세포는 분열이 빈번히 정지되고, 혹시 분열이 진행되어도 염색체 분리 과정에 실수가 많아져서, 결국 암을 포함한 다양한 질병의 원인이 된다고 알려졌다(Wong et al., 2015). 즉, 중심체는 세포분열의 안정성을 보장해준다.
  중심체의 존재는 약 120년 전에 독일의 세포생물학자인Theodor Boveri 박사에 의해 처음 보고되었다. Boveri 박사는 회충(Ascaris megalocephala) 배아의 감수분열 및 체세포분열을 현미경으로 관찰하는 과정에서 염색체를 딸세포로 끌고 오는 세포내 소기관을 관찰했다. 이 세포내 소기관은 난자에는 없지만, 수정 과정에서 정자로부터 도입되며, 이후의 세포분열에서 방추체 역할을 담당한다. 딸 세포 형성에 중심적 역할을 담당하기 때문에 이를 중심체라고 명명했다(Maderspacher, 2008).
  전자현미경의 등장 덕분에 중심체의 미세구조가 밝혀졌다. 중심체는 비막구조(non-membranous structure)의 세포내 소기관이며, 중심립(centriole)과 그 주변을 둘러싸고 있는 단백질 층인 중심구(pericentriolar materials)로 구성되어 있다. 중심립은 삼중 미세소관(triplet microtubule) 9개가 원통형으로 배열되어 있으며, 길이는 약 450nm, 직경은 250 nm 정도이다(Kong et al., 2020). 하지만 중심체는 세포 내에 겨우 두개만 존재하는, 매우 작은 세포내 소기관이기 때문에 생화학적, 세포학적 방법을 동원한 연구를 수행하기 어려웠고, 오랫동안 과학자의 관심에서 소외되었다.
  2000년대에 들어서면서 다양한 생물학적 연구기법이 개발됨에 따라 중심체 연구에도 불이 붙기 시작했다. 중심체 연구의 선두주자는 C. elegans를 대상으로 하는 유전학자였다. C. elegans 중심체는 정자(sperm)로부터 도입된 후, 수정란에서 스스로 복제하여 염색체를 두 딸세포로 끌고 가게 된다. 연구자들은 C. elegans수정란에서 중심체 복제가 일어나지 않는 돌연변이체를 발굴하고, 이들 유전자의 상하관계 및 기능을 연구했다(O’Connell et al, 2001; Leidel and Gonczy, 2003; Kemp et al, 2004). 이때 발굴된 유전자는 중심체 복제를 조절하는 인자 및 중심체를 구성하는 단백질 유전자이며, 사람을 포함한 동물세포에 대부분 보존되어 있음을 확인하였다. 즉, 중심체의 구조 및 복제기전은 진화적으로 보존되어 있다.
  단백질체적 방법(proteomics)도 중심체 연구에 적용되었다. 밀도구배 원심분리(density gradient centrifugation)방법으로 중심체를 모으고, 이를 대상으로 단백질체 분석을 수행하여 약 500여 종류의 중심체 단백질을 동정했다(Andersen et al., 2003). 연구자들은 이들 단백질에 특이적인 항체를 제작하여 면역염색을 하고, 초고해상도 현미경(superresolution microscopy)으로 분석함으로써, 중심체 단백질을 일일이 추적할 수 있게 되었다(Lawo et al., 2012). 이런 기술적인 혁신 덕분에 중심체 연구는 폭발적으로 진행되었고, 중심체의 구성, 복제를 포함한 주요 질문에 답을 찾아갔다.
  연구자들이 가장 궁금하게 생각했던 질문은 중심립의 복제 기전이다. 세포에는 항상 2개의 중심체가 존재하며, 이를 위해 중심립은 세포주기 동안에 복제 및 분리를 반복한다. 즉, S기에 염색체가 복제할 때 중심립도 복제되고, M기에 염색체가 딸세포로 분리될 때 중심체도 각 딸세포에 한 개씩 나뉘어진다. 하지만 각 중심체에는 두개의 중심립이 존재하기 때문에 G1기에는 이들 중심립이 각각 독립적인 중심체를 구성하여, 중심체의 숫자는 다시 2개가 된다. 중심립이 복제를 유도하는데 결정적인 인자는 PLK4라는 인산화효소이다(Bettencourt-Dias et al., 2005; Habedanck et al., 2005). PLK4가 과 발현하면 세포내 중심립의 숫자가 주체할 수 없을 정도로 늘어나고, PLK4활성도를 억제하면 중심립이 복제되지 않을 정도로 결정적인 역할을 한다. 따라서 중심립 복제 연구는 (1) PLK4의 활성도가 적정수준으로 조절되는 기전, 그리고 (2) PLK4의 기질을 특정하고, 이들의 역할을 규명하는 방향으로 진행되었다. 많은 중심체 연구자들은 자신들이 관심이 있는 단백질의 특성을 연구했고, 집단지성이 발동하여, 결국 큰 그림을 만들어냈다. 이들의 주요 연구를 종합하면, PLK4는 S기에서 활성이 강화되는데, 이때 모체 중심립의 한 부분에 집중되면서 일련의 기질을 인산화 시켜, 마차바퀴(cartwheel)와 유사한 단백질구조를 확보하고, 이를 모형삼아 삼중 미세소관 9개가 원형으로 배열한 딸 중심립을 합성한다는 것이다. 그 결과 딸 중심립은 모체 중심립 옆구리에서 직각으로 합성되어간다.
  중심체의 또 다른 중요한 기능은 섬모 형성이다. 섬모는 혈액세포를 제외한 많은 세포에 존재하지만, 놀랍게도 오랫동안 간과되어왔다. 일부 세포에서는 수백개에 이르는 섬모가 운동성을 가지고 있어서 물질 이동에 중요한 역할을 한다. 가장 대표적인 경우가 기관지 세포인데, 끈끈한 분비물에 붙은 먼지를 이동시켜서 기관지를 깨끗하게 유지하는 역할을 한다. 하지만 대부분의 세포에는 운동능력이 없은 섬모 한 개가 존재한다. 섬모의 구조 및 기능의 이상으로 말미암아 발병되는 일련의 질병을 섬모장애증후군(ciliopathies)라고 하는데, 다낭성신장(polycystic kidney), Bartet-Biedl syndrome, 등 여러 기관에서 다양한 증상이 나타난다. 이는 여러 조직세포에서 섬모가 다양한 외부신호를 감지하는 역할을 담당하기 때문이다. 특별히 Sonic Hedgehog을 비롯한 몇몇 신호 수용체는 섬모에만 존재하기 때문에, 만일 섬모가 없으면 특정신호를 세포가 받지 못하게 된다(Caspary et al., 2007). 섬모장애증후군에 관한 관심이 최근에 높아져서 섬모 연구가 활발하게 진행되고 있다.
  섬모는 모체 중심립으로부터 유래한다(Kumar and Reiter, 2021). 즉, 세포가 분열을 멈추게 되면 모체중심립은 세포의 표면으로 이동하여 삼중 미세소관 9개가 길게 늘어나게 되며, 이를 세포막이 둘러싼다. 섬모는 세포분열 등, 세포의 상황에 따라 다시 사라지기도 한다. 세포가 섬모를 형성하고 제거하는 과정은 아직 자세히 설명되지는 않았다. 하지만, 섬모의 세포질은 세포의 세포질과 구별되며, 섬모내 물질수송도 나름의 특별한 단백질을 통해 진행됨이 보고되었다.
  인생에서 일어나는 다른 일처럼 나는 우연한 계기로 중심체 연구를 시작했다. 당시 실험실에서는 남성생식세포에서 감수분열에 중요한 세포주기 조절인자를 연구하고 있었는데, 이중 하나가 NEK2라는 인산화 효소였다. 그런데 NEK2가 바로 중심체에 존재한다. 당시는 중심체에 관한 연구가 시작되기 전이였기 때문에 NEK2를 연구하는 건 바로 중심체를 연구하는 것과 마찬가지 얘기였다.
  중심체는 비막구조이기 때문에 단백질 간의 결합이 매우 중요하다. 그러므로 우리도 NEK2를 포함한 중심체구성 단백질 간의 결합을 yeast two-hybrid interaction의 방법으로 확인하는 연구를 시작했다. 대학원생들은 이 연구에 사용할 중심체단백질 유전자를 동정하고 확보하는데 고생을 많이 했다(Kim et al., 2008). 하지만 학문의 변방에 있는 우리나라에서 경쟁력 있는 연구를 수행하기 위해서는 중요한 연구재료를 확보하고 독창적 방법을 동원해야 한다. 비록 중심체단백질간 결합결과를 논문으로 발표하지는 못했으나, 당시 확보했던 유전자 및 특이항체는 이후 실험실 연구를 20년동안 끌어갈 수 있는 소중한 밑바탕이 되었다.
  본 실험실에서는 다양한 중심체 단백질을 연구했지만, 이 가운데 가장 많이 연구한 단백질은 pericentrin이다. pericentrin은 중심구의 구조를 지지하는 뼈대단백질(scaffold protein)으로 알려져 있다. 흥미롭게도 pericentrin은 세포분열 시기에 특이적으로 인산화되고, 결국 세포분열 말기에는 separase라는 효소에 의해 제거된다(Lee and Rhee, 2012; Matsuo et al., 2012). 이 과정은 방추체 역할을 담당한 중심체가 다시 간기(interphase)의 중심체로 돌아가는 과정에 중요함을 확인하였다. 흥미롭게도 pericentrin이 제거된 세포에서는 세포분열(mitosis) 도중에도 중심립 복제가 일어날 수 있음을 확인했는데, 이는 중심립을 둘러싸서 보호하는 중심구가 제거되었기 때문이다(Kim et al., 2019). 최근에는 pericentrin 결핍 생쥐를 제작한 후 표현형을 분석하고 있다.
  본 실험실은 중심체 연구 전성기에 참여하여, 가파른 연구경쟁을 뚫고 논문을 발표함으로써 자그마한 족적을 남겼다. 그리고 연구에 참여한 학생들은 학위를 마치고, 이를 근거로 직장을 잡았다. 기초연구의 발전으로 말미암은 인류 공영에 이바지한 것도 공적이지만, 열심히 연구해서 처자식을 먹여 살리는 것도 우리 인생에 중요한 공적이다.