무궁무진한 미토콘드리아의 기능, 근육 줄기세포 활성화도 제어

근육 재생에 중요한 줄기세포 '휴면 상태' 조절 메커니즘 발견
미토콘드리아 '분열' 지속→근육 줄기세포에 심한 결함
캐나다 오타와대 연구진, 저널 '셀 스템 셀'에 논문

세포 소기관인 미토콘드리아의 주 임무는 ATP(아데노신삼인산), 즉 생명 활동에 필요한 에너지를 만드는 것이다.

음식물 등 유기물질에 저장된 화학 에너지가 ATP로 바뀌려면 미토콘드리아에서 산화적 인산화 과정을 거쳐야 한다.

미토콘드리아는 세포핵에 있는 것과 다른 자체 DNA를 가졌다.

세포의 에너지 수요가 증가하면 미토콘드리아는 DNA를 복제한 뒤 분열한다.

반대로 에너지 수요가 줄면 미토콘드리아는 불활성 상태로 변하거나 파괴된다.

미토콘드리아의 분열은 기본적으로 세균과 같은 이분법 형태로 진행되지만, 모두 똑같은 건 아니다.

미토콘드리아는 다른 미토콘드리아와 융합하기도 하고, 단백질과 폴리 리보솜(단백질 합성 소기관)이 풍부한 조건에선 새로운 미토콘드리아가 생기기도 한다.

지금까지 과학자들은 미토콘드리아의 분열과 융합이 어떤 작용을 하는지 잘 몰랐다.

그런데 미토콘드리아의 이런 형태 변이(shape transition)가 휴면 상태로 있던 성체 '근육 줄기세포'(MuSCs: muscle stem cells)의 활성화 조절에 결정적 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.

인체 조직의 안정성을 유지하는 데 필수적인 MuSCs는 보통 '휴지'(休止ㆍquiescence) 상태로 있으면서 자신을 보호한다.

그러다가 질병 등으로 손상된 조직을 복구하거나 재생할 필요가 있을 때 깨어나 활성화한다.

MuSCs는 휴면 상태의 균형이 유지돼야 오래 살아남을 수 있다.

이 발견이 주목받는 건 신경 퇴행 질환이나 노화 과정의 근육 위축을 치료하는 데 중요한 통찰이 될 수 있기 때문이다.

캐나다 오타와대 과학자들이 수행한 이 연구 결과는 최근 저널 '셀 스템 셀'(Cell Stem Cell)에 논문으로 실렸다.

7일 미국 과학진흥협회(AAAS) 사이트(www.eurekalert.org)에 공개된 논문 개요 등에 따르면 MuSCs는 근육 재생과 복구의 '원료'가 되는 독특한 원시 세포(primitive cell)다.

미토콘드리아는 '분사 분열'(分絲分裂ㆍfragmentation)이라는 형태 변이를 통해 MuSCs의 유지와 기능 활성화를 제어했다.

이 과정에서 미토콘드리아는 내장 '센서'(sensors)와 '통신 장치'(communicator) 역할을 동시에 했다.

실제로 MuSCs의 휴면 상태를 제어하는 건 미토콘드리아 단백질 중 하나인 OPA1으로 확인됐다.

이 단백질이 만성적으로 손실돼 미토콘드리아가 계속 '분사 분열'을 일으키면 MuSCs에 심한 결함이 생겼다.

미토콘드리아의 융합을 제어하는 OPA1 단백질이 근육 줄기세포의 유지와 기능 발휘에 관여한다는 건 처음 밝혀졌다.

일반적으로 미토콘드리아의 '분사 분열'은 조직을 구성하는 세포에 파괴적인 현상으로 여겨진다.

그런데 생쥐 모델의 성체 근육 줄기세포에 실험한 결과, 미토콘드리아의 '분사 분열'은 글루타싸이온(glutathione)이라는 수용성 항산화 펩타이드 수위를 높여 핵으로 가는 신호를 활성화했다.

이 과정에서 글루타싸이온은 미토콘드리아와 세포핵 사이의 신호 교환을 매개하는 역할을 했다.

논문의 교신저자를 맡은 미레일 하초 생물화학 조교수는 "근육 퇴행 질환이나 노화가 진행될 때 근육 줄기세포가 소멸하는 건 미토콘드리아 이상 때문"이라면서 "미토콘드리아 역학의 균형이 무너지면 줄기세포의 휴면 상태가 깨져 장기적 세포 소멸로 이어질 수 있다"라고 설명했다.

이번 연구 결과는 근육 퇴행 질환이나 노화 과정의 근육 위축증 등을 연구하는 과학자들에게 매우 흥미로운 내용이 될 수 있다.

전 세계적으로 근육 퇴행은 신체 기능의 이상을 일으키는 주요 원인 중 하나다.

이 발견은 관련 질환의 치료제 개발 전략에도 새로운 길을 열 수 있다.

예컨대 줄기세포의 미토콘드리아 기능을 조작해 인체 조직의 재생 잠재력을 복원하는 것도 생각할 수 있다고 연구팀은 강조했다.

/연합뉴스