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세포 성장에 관한 기존 가정(Assumption)을 뒤집는 결과



4/23/2003 – 이 날짜로 올라온 Journal of Biology를 살피면, 현대세포생물학의 근간이 될 세포 성장에 관한 기존 가정을 뒤엎는 결과가 발표되어 있어 놀랍다. 영국 런던대 소속 이안 콘론과 마틴 라프라는 두 연구자는 포유동물의 세포 크기는 기존에 가정해 왔던 것과 다르게 성장/조절된다고 밝히고 있으며 이것은1970년대 이후 지금까지 과학자들이 설정해 왔던 세포의 성장 및 분화에 관한 가정을 뒤집는 것이다.

포유동물의 세포는 어떻게 그 크기(세포 크기)를 조절하여 적절한 분할의 시기를 “결정”할까? 이를 규명하기 위하여 콘론(Conlon)과 라프(Raff)라는 영국 과학자들은 쥐의 좌골 신경(sciatic nerve)으로부터 슈완 쎌(Schwann cell)을 가지고 일련의 실험을 수행하였다. 세포 크기, 성장, 분할과 같은 류의 프로세스에 관해 지난 30여년 동안 효모(yeast)를 가지고 다양한 연구가 광범위하게 이루어져 왔고, 두가지 유형의 이런 세포들은 일면 서로 유사한 것으로 알려져 왔다. 효모와 포유동물의 세포 공히 성장 및 분할 시 평균적으로 일정한 세포크기를 유지할 능력이 있다고 인식돼 온 것. 따라서, 효모 세포가 스스로 일정 수준의 특정 사이즈에 도달할 때까지 분할하고 나면 그것을 검증해 줄 어떤 “체크 포인트(checkpoints)”가 과학자들 손에 쥐어져 있었던 것이고, 효모 세포에 적용된 체크 포인트를 그대로 포유동물의 세포 성장 및 분할 메커니즘 확인 시에 사용해 왔던 바, 지금까지 실험적으로 이와 같이 가정한 후 결과를 산출해 내는 것에 관한 별도의 검증 또는 의심이 없었던 것이 사실이다.

혹시나 하는 의문을 가지고 정밀 측정 장치를 이용, 콘론과 라프는 실험을 해 보았는데 이들이 발견한 것은 효모와 포유동물의 세포 성장 방식에 의외로 큰 차이가 있다는 점이었다. 효모 세포가 분할에 의해 성장하는 비율은 수학적으로 ‘기하급수적(exponentially)’이며, 고정된 특정 시간 내에 자신의 크기를 두 배에 달하도록 성장시켜 분할하는 반면, 포유동물의 성장률은 그저 ‘선형적(linear way)’ 증가에 다름 아니여서 매일 거의 동일한 양만큼 크기가 커질 뿐이란다. 이것은 어떤 의미를 갖냐 하면, 포유동물의 세포는 그 세포의 크기에 상관없이 성장 비율이 동일한 반면, 효모의 경우 크기가 큰 놈이 작은 놈 보다 더 빨리 자라게 된다는 뜻이다.

종래의 연구 결과에 따르면 자양분이 풍성한 환경으로 옮겨질 경우 효모 세포는 성장 및 분할에 있어 거의 한 주기 안에 신속히 ‘풍부해진 먹이 조건’으로 순응해 간다고 밝혀졌다. 섭취할 수 있는 자양분이 더 많을 수록 효모 세포의 평균 크기는 비례해서 증가하였던 것 – 그러므로, 효모 세포가 분할을 하기 전에 자신의 크기는 얼마나 커져야 할 까를 결정하는 기준은 ‘세포-크기’를 척도로한 체크 포인트가 적절한 것으로 보였고 실제 이것이 사용되어 왔다.

포유동물 세포의 경우에도 효모와 마찬가지로 ‘세포-크기’를 척도로한 체크 포인트를 적용한 가정이 무방하다고 여겨진 것. 그러나, 콘론과 라프의 발견에 따르면 포유 동물의 세포를 자양분이 풍부한 환경에 가져다 놓을 경우 통상 자신들이 기대했던 평균 사이즈로 성장하기 전, 여섯 번 가량 먼저 세포 분할이 일어난다는 점이다. 두 연구자는 이런 결과를 가지고 포유동물의 세포가 분할의 시기를 결정하기 위해 세포 자신의 사이즈를 기준 척도로 삼아 성장의 체크 포인트로 삼지 않는다고 결론지었다. 대신, 콘론과 라프가 제안한 것은 포유 동물이 서로 “대화(talk)”를 나눈다는 것이며, 세포들도 소위 서로 말을 주고 받고, 대화법은 세포외 신호 전달 체계(extracellular signaling)로서 이와 같은 의사 소통을 통해 자신이 얼마나 큰 싸이즈의 세포가 될 지, 또 언제 분할하게 될지 여부를 스스로 처해진 환경 및 자양분에 따라 이웃 세포와 더불어 조절해 간다는 것이다. 다음은 라프의 변:

“동물들의 세포를 관찰해 보면 이들(세포)은 이웃한 세포들로부터 시그널 즉 어떤 신호를 받지 않는 한 절대 꿈쩍 안 하고 무반응으로 일관하고 있습니다.”

이들의 새로운 연구 결과는 세포 성장과 세포 크기와 관련되어 효모와 포유동물의 세포들 사이에 존재하는 중요한 차이점을 명확히 밝히고 있다고 판단된다. 즉, 이들이 발견한 효모와 일반 세포 사이의 상이점은 생물학적으로 ‘근거있음’으로 평가되는 것이다. 효모는 단세포 기관이다. 따라서, 효모 세포는 서로 종속적이라기 보다 각자 따로 독립적으로 자신이 처한 환경 내에 공급되는 자양분의 양에 따라 성장 및 분할의 시간적 비율이 급격히 증가할 수 있다. 반면, 일반 포유 동물들의 세포는 사실 큰 기관/개체를 구성하고 있는 일부분에 지나지 않는다. 세포 보다 큰 단위가 조직, 조직 위에 기관, 기관 위에 개체가 있다고 본다면, 동물의 세포가 성장해 가는 것은 전체 기관 및 동물 자신의 유익(the good)과 직결되므로 영국의 위 두 연구자가 발견한 사항들은 생물학적으로 매우 신빙성있는 것으로 받아들여 진다. 즉, 동물 세포는 다른 세포로부터 신호를 받아 성장과 분할을 조절해 나간다고 팩트로 여길 수 있는 것.

세포의 성장과 증식을 이해하는 일은 소위 작금에 뜨고 있는 생물학 자체만 놓고 보아도 매우 심오한 의미를 지니는 작업으로 궁극에는 암과 같은 질병에 제동을 걸기 위한 필수적 근본 작업이라 의미 심장하다.

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Study Challenges an Assumption About Cell Growth

4/23/2003 -- Research published today in Journal of Biology challenges an assumption about cell growth that underpins modern cellular biology. Ian Conlon and Martin Raff, of University College London, show that mammalian cells do not regulate their size in the way scientists have assumed they do since the 1970s.

Conlon and Raff conducted a series of experiments, using Schwann cells from the sciatic nerve of rats, to establish how mammalian cells control their size and ‘decide’ when to divide. This processes of cell size, growth and division has been widely studied in yeast for thirty years, and many aspects are the same in the two types of cell. Both yeast and mammalian cells are known to be able to maintain a constant average size as they grow and divide. It has therefore been assumed that the ‘checkpoints’ yeast cells use to ensure that they divide when they reach the correct size are mirrored by checkpoints in mammalian cells, but that assumption had not been tested experimentally - until now.

Using precise measurements, Conlon and Raff found key differences in the ways yeast and mammalian cells grow. Yeast cells grow exponentially, doubling in size over a fixed time period, but mammalian cells grow in a linear way, getting larger by the same amount each day; this means that the rate at which mammalian cells grow is the same regardless of the cell’s size, whereas in yeast big cells grow faster than small ones.

Previous research had shown that when moved to a nutrient-rich environment, yeast cells adjust quickly - within one cycle of growth and division. The average size of the cells increases when there are more nutrients available – so, yeast uses cell-size checkpoints to determine how large the cell should be before it divides.

It had been assumed that mammalian cells also use cell-size checkpoints. But Conlon and Raff found that when mammalian cells were moved to a nutrient-rich environment, it took approximately six divisions before cells grew to the average size they expected. This led them to conclude that mammalian cells do not use checkpoints based on their size to determine when to divide. Instead, Conlon and Raff suggest that mammalian cells ‘talk’ to each other, using extracellular signalling, to determine how large they should grow and when they should divide. “Animal cells hardly do anything without signals from other cells” says Raff.

The new research makes clear that there are important differences between the way yeast and mammalian cells coordinate cell growth and size. These differences make sense biologically. Yeast is a single-celled organism - cells are independent of each other and can grow and divide as fast as the nutrients in their environment can support. Animal cells are part of a larger organism, so their growth affects the good of the whole animal, and it makes good biological sense that this is controlled by signals from other cells.

Understanding cell growth and proliferation is of profound importance for biology and has implications for tackling disease, including cancer.
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footnotes:
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1. 슈완 셀(Schwann cell)은?
독일의 세포생물학자이자 생리학자인 슈반(Schwann)의 이름을 따 슈반세포로 부르기도 한다. 보통 말초신경을 따라 가다 보면 크기가 큰 신경세포의 축색돌기(axon)를 감싸 보호하고 있는 부위가 있는데, 바로 덮개(sheath)와 같은 부위가 슈완 셀이다. 슈완 셀들은 마치 전선을 보호하고 있는 절연재(insulation)와 같이 축색돌기를 단단히 감싸 보호하는 막(membrane)인데, 여타 다른 어떤 세포들의 외곽 표면 막(surface membrane)에 우선하여 지질 즉 지방 성분을 다량 함유하고 있다. 슈완 셀이 가지고 있는 이런 지방성 단백질(lipid-protein)을 우리말로는 미엘린 다시 말해 마이얼린(myelin)이라고 하는데, 바로 슈완 셀이 분비하는 중요한 지방질 물질이라 하겠다. 간단히, 미엘린(myeline 또는 myelin; 수초를 이루는 지방질 물질)을 분비하는 신경 세포의 하나로 두 개의 란비에르 결절 사이 신경 섬유를 둘러 싸고 있는 것이 슈완 셀/슈반세포이다.

2. 슈완 셀의 대표성? (포유동물 세포 전부를 대표할 수 있나?)
아래 해당 논문을 읽으신 분이라면 들 수 있는 의문일텐데, 슈반이 1882년 71세의 나이로 죽기 훨씬 전인 1839년 그의 이름을 딴 "Schwann Cell Theory (슈반의 세포 이론)"을 발표한 바 있다. 위의 영국인 생물학자들이 효모(yeast)와 슈완 셀(Schwann cell)을 비교하여 실험한 것은 슈반의 세포 이론에 조금만 이해를 가지고 있으면 얼마나 도전적이며 자극적이기 까지 한지 금방 눈치챌 수 있는데, 그 이유는 생물의 어떤 개체는 하나의 세포로만 구성되어 소위 단세포 개체 또는 단세포 동물로 구분되며, 다른 하나는 사람을 비롯한 포유류와 같이 다세포로 구성된 개체, 즉 다세포 동물로 구분된다고 주창한 사람이 바로 슈반(Schwann)이며 그의 이론이었다. 따라서, 위 영국 생물학자인 콘론(Conlon)과 라프(Raff)가 사용한 두가지 서로 다른 세포 즉, 효모(yeast)는 바로 슈반(Schwann)이 구분했던 "단세포"를 대표하는 샘플이고, 효모와 대별되게 비교해 놓은 "슈완 셀(Schwann Cell)"은 다세포 개체(multicellular organism)를 강력히 암시하고 있는 것이다. 지금까지 단세포나 다세포나 기본적으로 성장 --> 분할하는 것은 별반 다를 것 없이 가정하고 설명해 왔으나, 실제 단세포(효모)와 다세포(슈완 셀)의 성장 및 분할 메커니즘은 "다르다"는 것이 2003년 영국인 과학자 2인이 주장하는 바이며, 흥미롭지 않을 수 없다. 왜냐하면, 19세기말의 놀라운 생물학적 발견에 대해 21세기의 서두에 강력한 화답을 보낸 격이므로 !

3. 해당 논문은 online으로 현재 개방되어 있으며 링크해 두었으므로 이동하시면 제약없이 보실 수 있습니다: 클릭 ==> Journal of Biology에 무료로 공개 http://jbiol.com/content/2/1/7



4. 관련 기사) http://www.ohmynews.com/article_view.asp?menu=c10600&no=110058&rel%5Fno=1&back%5Furl=&page=1&character=01&serial%5Fname=