걸쭉한 혈액 환경에서 더 빠르게 활동하는 세포 존재
토론토 대학교와 죤스 홉킨스 대학교와 밴더빌트 대학교의 공동 연구진은 어떤 세포들은 자신들의 주름 잡힌 가장자리들이 환경의 점성도를 알아채고 적응해서 속도를 높이기 때문에 놀랍게도 더 걸쭉한 액체 속에서 더 빠르게 이동하는 것을 발견했다. 걸쭉한 액체는 물과 대조적인 꿀이나 혹은 혈액과 대조적인 점액을 생각해보면 된다. 암세포와 섬유아세포의 세포가 환경의 점성도를 감지하고 속도를 높인 결과로 흔히 조직에 흉터가 생기고 이는 세포를 둘러싼 환경의 점성도가 질병에 중요한 기여를 하는 것을 시사하고 또 종양의 진행과 낭포성 섬유증으로 점액이 가득 찬 폐에 흉터가 생기는 것과 상처 치유 과정을 설명하는 데 도움이 될 수 있는 듯하다. 이 연구는 연구가 덜 된 분야인 세포 환경을 새롭게 조명한다.

토론토 대학교 인문과학부 세포 및 시스템 생물학과의 조교수로 논문의 교신저자인 세르게이 플로트니코브는 다음과 같이 말했다. “세포의 점성과 접착 간의 연관성이 이전에는 입증된 적이 없었다. 우리는 주변 환경이 더 걸쭉하면 할수록 그만큼 더 강력하게 세포들이 기질에 접착해서 그만큼 더 빨리 이동하는 것을 발견했다. 마치 미끄러운 신발과 대비해서 스파이크가 달린 신발을 신고 빙판을 걷는 것과 아주 비슷하다.”

세포들이 왜 그런 놀라운 방법으로 행동하는지를 이해하는 것이 중요하다. 그 이유는 암 종양이 점성이 있는 환경을 만들고 이는 퍼져나가는 암세포들이 비암성 조직보다도 종양 속으로 더 빠르게 이동할 수 있는 것을 의미하기 때문이다. 암세포들이 걸쭉한 환경에서 속도를 높이는 것을 연구진이 관찰했기 때문에 그들은 암세포에 주름 잡힌 가장자리가 발달하는 것이 암세포가 인체의 다른 부위로 퍼져나는데 기여하는 듯하다는 결론을 내렸다.

다른 한편으로는 섬유아세포의 경우 (이동해서) 퍼져나가는 반응을 표적으로 삼는 것이 낭포성 섬유증으로 점액으로 채워진 폐의 조직 손상을 줄일 수 있는 듯하다. 주름이 잡힌 섬유아세포들이 더 신속하게 이동하기 때문에 섬유아세포가 점액을 통과해서 상처로 이동하는 첫 번째 유형의 세포이며, 회복보다는 흉터 형성에 기여를 하게 되는 것이다. 이런 연구 결과는 또 폐 점액의 점성도를 바꾸어서 세포 이동을 통제할 수 있는 것을 의미하는 듯하다.

토론토 대학교 인문과학부 세포 및 시스템 생물학과의 박사과정 학생으로 이번 연구에 참여한 어네스트 루는 이렇게 말했다. “세포가 주변에 있는 것에 대해 어떻게 반응하는지를 보여주고 또 그런 부위의 물질적인 특성을 묘사해서 우리는 무엇이 그들의 행동에 영향을 미치고 궁극적으로는 어떻게 그들의 행동에 영향을 미치는지를 알아낼 수 있었다.” 플로트니코브는 예를 들면 아마도 만약 당신이 상처에 벌꿀같이 걸쭉한 액체를 바른다면 세포가 상처 속으로 더 깊숙이 더 빠르게 들어가서 상처를 더 효과적으로 회복시킬 것이라고 거들었다.

플로트니코브와 루는 첨단 현미경 기술을 사용해서 세포가 이동할 때 가해지는 견인력과 세포들 내부의 구조적인 분자들의 변화를 측정했다. 그들은 주름이 잡힌 가장자리들을 가진 암세포와 섬유아세포를 매끄러운 가장자리를 가진 세포들과 비교해보았다. 그들은 주름이 잡힌 가장자리들이 걸쭉해진 환경을 감지해서 세포가 저항을 헤쳐 나가도록 해주는 반응 즉 주름들이 편평해지고 펼쳐져서 주변의 표면에 매달리는 반응을 유발한다는 결론을 내렸다.

세포 이동 속도 연구로 새로운 치료법 개발 기대
이 실험은 죤스 홉킨스 대학교에서 시작되었다. 그곳에서 기계공학과의 조교수로 논문의 주저자인 윤 첸과 박사과정 학생으로 제1 저자인 매튜 피트만이 처음으로 암세포의 이동을 연구했다. 피트만은 점성이 있는 점액 같은 폴리머 용액을 만들어서 그 용액을 상이한 유형의 세포들에게 뿌렸는데, 걸쭉한 액체를 통해 이동할 때는 암세포들이 비암성 세포들보다 더 빠르게 이동하는 것을 관찰했다. 그런 행동을 더 깊이 조사해보기 위해 첸은 밀고 당기는 세포 운동을 전공한 토론토 대학교의 플로트니코브와 공동으로 연구를 했다. 플로트니코브는 점액같이 걸쭉한 액체를 뚫고 들어가는 속도의 변화에 깜짝 놀랐다. 보통 우리는 현미경으로 느리고 미묘한 변화를 살펴보았지만, 실시간으로 2배나 빠른 속도로 이동하고 원래 크기보다 2배로 펼쳐지는 세포를 볼 수가 있었다고 그는 말했다.

일반적으로 세포의 움직임은 근육이 수축하도록 도와주는 미오신 단백질에 의해 좌우된다. 플로트니코브와 루는 미요신을 막으면 세포가 퍼져나가는 것을 막을 수 있을 것으로 추론했지만 그렇게 해도 세포가 여전히 속도를 더 높이는 증거가 나타나자 놀랐다. 그들은 세포의 내부에 근육을 수축시키는 데 기여하는 악틴 단백질이 종대를 이루고 정렬해 있고 그런 악틴 단백질의 종대들이 걸쭉한 액체에 반응해서 더 견고해져서, 세포의 가장자리를 더 멀리 밀어내는 것을 발견했다.

이제 연구진들은 가장자리에 주름이 잡힌 세포들이 걸쭉한 환경을 뚫고 이동하는 것을 어떻게 늦출 수 있을는지를 연구하고 있다. 암과 낭포성 섬유증을 앓는 사람들을 위한 새로운 치료법을 개발할 길을 열어줄 수도 있기 때문이다.

참조:
M. Pittman et al., "Membrane ruffling is a mechanosensor of
extracellular fluid viscosity" Nature Physics, 2022; DOI:
10.1038/s41567-022-01676-y