세포 속 미토콘드리아 이상이 질병을 유발할 수 있어
신시내티 대학교가 실시한 최근의 연구는 암을 포함한 특정한 질병들의 치료제로 광선을 사용할 수가 있다는 가능성을 보여준다. 즉, 신시내티 대학교와 일리노이 대학교 어배너-섐페인과 버팔로 대학교의 연구진은 광선으로 활성화된 단백질이 세포 내의 기능 장애를 정상화하는 데 도움을 줄 수 있는 것을 입증한 자신들의 연구 결과를 발표했다. 이 연구는 세포의 발전소로서 에너지의 원천으로 작용하는, 세포 소기관인 미토콘드리아의 기능에 초점을 맞추었다. 세포 소기관들은 세포 내에서 여러 가지 일을 수행하는 전문화된 작은 구조물들이다.

논문의 저자 중 1명인 지아지에 디아오 박사는 수백 개의 미토콘드리아가 건강한 세포들 속에서 균형을 유지하기 위해 융합과 분열 즉 끊임없이 합쳐지고 작은 부분들로 갈라진다고 말했다. 그러나 미토콘드리아가 제대로 작용하지 않으면 이 융합과 분열 과정에 불균형이 생긴다. 그런 불균형이 치매나 어떤 암과 같은 신경 퇴행성 질환을 포함한 수많은 미토콘드리아 질병을 유발할 수가 있다.

디아오는 이전의 연구가 또 다른 세포 소기관인 리소좀이란 것이 미토콘드리아의 분열에 역할을 수행하는 것을 발견했다고 말했다. 미토콘드리아가 리소좀과 접촉하게 되면 리소좀이 한 쌍의 가위처럼 행동해서 미토콘드리아를 더 작은 조각들로 잘라버린다. 이번 연구는 리소좀과 미토콘드리아를 세포 속으로 끌어들여서 분열 과정을 촉발하는 데 초점을 맞추었다. 이는 광선을 사용해서 구체적인 세포 기능들을 정확하게 통제할 수 있는 광유전학이라는 기술을 사용해서 이루어졌다.

일리노이 대학교 어배너-섐페인의 부교수로 청색광으로 미토콘드리아와 리소좀을 통제하는 광유전자 도구를 개발했고 이번 연구에도 참여한 카이 쟝 박사는 다음과 같이 말했다. “식물의 많은 단백질은 식물에 낮이나 밤인지를 알려주는 광선에 민감하다. 광유전학은 식물로부터 광선에 민감한 그런 단백질들을 빌려와서 동물의 세포에 사용한다. 그런 단백질들을 세포 소기관들에 부착시켜 이번 연구에서 보여준 미토콘드리아와 리소좀 같은 세포 소기관들 간의 상호 작용을 광선을 사용해서 통제할 수가 있다.”

세포 내에 있는 미토콘드리아와 리소좀은 서로 밀접한 영향을 주고받아
연구진은 2개의 별다른 단백질을 줄기세포 속의 미토콘드리아와 리소좀에 부착시켰다. 청색광으로 자극을 주자 단백질들이 자연적으로 서로 결합해서 새로운 1개의 단백질을 형성했고 이게 또 미토콘드리아와 리소좀이 접촉하도록 만들었다. 일단 미토콘드리아와 리소좀이 접촉하자, 리소좀이 미토콘드리아를 갈라서 분열이 일어났다.

신시내티 대학교 의대 암 생물학과의 부교수 겸 동대학교 암 센터의 일원인 디아오는 이렇게 말했다. “우리는 이게 미토콘드리아의 기능을 회복시킬 수 있는 것을 발견했다. 일부 세포는 심지어 정상으로 되돌아갈 수 있었다. 이는 단지 간단한 약간의 광선 자극으로 우리가 세포의 미토콘드리아 기능을 부분적으로 회복시킬 수 있는 것을 증명했다.”

디아오는 이 기술이 정상적인 세포 기능을 달성하기 위해서 작은 조각으로 갈라질 필요가 있는 엄청나게 커진 미토콘드리아를 가진 환자들에게 특별히 유용할 수 있다고 말했다. 또 이 기술은 미토콘드리아들이 더 이상 기능을 할 수 없을 때까지 끝없이 미토콘드리아를 더 작은 조각들로 분열시키는 암세포들도 겨냥할 수가 있을 것이다. 미토콘드리아가 암세포들의 에너지이기 때문에 결국은 암세포들이 죽게 될 것이라고 디아오는 말했다. 정상적인 기능을 발휘하는 미토콘드리아가 없으면 암세포는 모두 다 죽게 될 것이라고 그는 부언했다.

단백질들이 광선에 의해 활성화되기 때문에 그로 인해 구체적인 세포들에 대한 더 표적적인 접근법이 가능하게 된다고 디아오는 말했다. 광선에 노출되는 세포들만 영향을 받기 때문에 이는 주변의 건강한 세포들은 이 기술로 자체적인 미토콘드리아가 불균형이 되지 않는 것을 의미한다. 현재 미토콘드리아 분열을 유도하는 데 사용할 수 있는 다른 과정들이 있지만, 광유전학적 방법이 어떤 화학물질이나 유독한 물질에 연루되지 않기 때문에 더 안전하다고 디아오는 설명했다. 우리가 가지고 있는 것이 실제로 자연적인 과정이고 우리는 단지 그것을 더 빠르게 만들었다고 디아오는 말했다. 따라서 광유전학적 방법은 부작용을 줄여야 할 필요가 있는 화학물질이나 치료법 혹은 방사선요법 같은 것과는 다르다고 그는 덧붙여 말했다.

디아오는 미토콘드리아가 불균형일 때는 미토콘드리아들이 너무 작아서 세포 내에서 합쳐져야만 하는데도 합쳐지지 않기 때문에 그런 문제를 다루기 위해 자신의 연구진이 동일한 기술을 사용해서 융합을 촉진하는 연구에도 이미 착수했다고 말했다. 카이 쟝의 실험실에서 실시 중인 추가적인 연구에도 인간의 조직을 침투하는데 더 긴 파장이 필요하므로 녹색, 적색, 적외선을 포함한 다른 색깔의 광선으로 작용하는 새로운 광유전학적 시스템을 개발하는 것이 포함되어있다.

카이 쟝은 다음과 같이 말했다. “우리는 여러 색깔의 광유전학적 시스템을 도입해서 세포 소기관들이 행동하고 상호 작용하는 방법을 통제하는 다수의 방법을 우리에게 제공해주는 더 많은 도구를 갖기를 원한다. 예를 들면 1가지 색깔이 세포 소기관들이 합쳐지도록 만들지만 다른 색깔은 그것들을 강제로 분리한다. 그런 식으로 우리는 그것들의 상호 작용을 정확하게 통제할 수가 있다.”

인간의 줄기세포를 사용하는 현재의 연구에서 한발 더 나아가서 동물 모델을 사용해서 그 효과를 테스트하고 또 한발 더 나아가서 궁극적으로는 임상시험들을 통해 인간을 대상으로 이 기술을 테스트해보는 것을 연구진은 희망하고 있다. 동시에 다른 연구진들은 유사한 결과를 얻기 위해 광선 대신에 자기장과 음향 진동을 사용하는 것을 연구하고 있다고 디아오는 말했다.

참조:
K. Qiu et al., "Light-activated mitochondrial fission through
optogenetic control of mitochondria-lysosome contacts" Nat Commun.
2022 Jul 25;13(1):4303. doi: 10.1038/s41467-022-31970-5.