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- 위치와 근육 상태에 따라 근육 세포핵에서 다른 유전자를 읽는다.
- 근육 세포는 전체 조직만큼 많은 기능을 수행할 수 있다.

근육 세포 : 예기치 않게 다양한 분업
모든 근육 세포에는 놀랍게도 다른 유전자 활동을 가진 많은 세포핵이 있다.

놀라운 다양성 :
우리의 각 근육 섬유는 단 하나의 세포로 구성되어 있지만 많은 세포핵을 가지고 있으며, 핵 특이적 유전자 활동의 분석에 따르면 예상보다 더 다르게 행동한다. 위치와 근육 상태에 따라 근육 세포핵에서 다른 유전자를 읽는다. 결과적으로 근육 세포는 전체 조직만큼 많은 기능을 수행할 수 있다. 

▲ 우리의 근육 섬유는 수백 개의 세포 핵을 가진 하나의 긴 세포로 구성된다. 연구원들은 이제 그들의 활동이 얼마나  다양하고 다른지 알아 냈다. © AG Birchmeier / MDC

일반적으로 각 세포에는 하나의 핵만 있다.
이것의 유전자 활동은 세포가 어떤 작업과 기능을 수행하고 어떤 세포 유형이 되는지를 결정한다. 그러나 이것은 우리의 근육 섬유에서는 다르다. 그들은 혈장에 수백 개의 세포핵을 가진 단 하나의 긴 세포로 구성된다. 초기 관찰은 이미 이러한 모든 핵이 똑같이 활성화되지는 않음을 시사했다. 세부 사항은 불분명했다.

거의 모든 핵이 다르게 활성화된다.

베를린 막스델브뤼크 분자 의학 센터(MDC)의 김민철이 이끄는 연구원들은 이제 근육 세포 핵의 ‘비밀 생활’에 대해 더 많은 통찰력을 얻었다. 연구를 위해 그들은 쥐의 경골 근육에서 나온 근육 섬유의 세포핵을 단일 핵 RNA 시퀀싱에 적용했다. 이것은 현재 근육 세포의 개별 핵에서 어떤 유전자가 활성화되어 있고 어떤 유전자를 읽을 수 있는지를 보여준다.

결과 :
동일한 근육 섬유의 세포핵은 매우 다른 유전자 활동을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 힘줄의 접합부에 위치한 핵에서보다 신경 접합부 근처의 핵에서 서로 다른 유전자가 판독된다. "다른 특수 핵은 분명히 국소 대사 또는 단백질 합성을 제어하며 근육 섬유에 분포되어 있다."

▲ 근육 스핀들의 구조를 보여주는 그림. b Calb1-Ires-Cre를 사용한 스핀들 근핵의 특정 라벨링. 화살표는 근육 스핀들을 나타낸다. c 근육 방추 근핵의 UMAP 플롯 (260 핵) (출처: 관련 논문 Fig.5)

전체 직물처럼 다재다능함

전반적으로 근육 세포의 세포핵은 예기치 않게 강력한 분화를 보였다.
"우리는 모두 매우 특정한 유전자 발현 패턴을 가진 많은 새로운 유형의 특수 핵을 발견했다"라고 Kim은 보고했다. 그러나 이 유전자들이 정확히 무엇을하는지는 아직 완전히 명확하지 않다. MDC의 선임 저자 카르멘 비르시마이어(Carmen Birchmeier)는 "우리는 이전에 완전히 알려지지 않은 근육 섬유의 작은 핵 그룹에서 켜진 수백 개의 유전자를 발견했다.

▲ f. 분리된 근육 방추 섬유의 단일 분자 FISH 실험. 화살표는 spdNMJ를 나타내고 스핀들 섬유의 중앙 비수축성 부분을 별표로 표시한다. 모든 스케일 바, 50 µm. 두 개 이상의 개별에서 발현 패턴이 검증되었다. (출처: 관련논문 Single-nucleus transcriptomics reveals functional compartmentalization in syncytial skeletal muscle cells)

따라서 핵이 풍부한 근육 세포는 이전에 예상했던 것보다 유전적으로 훨씬 더 복잡하고 동적으로 구성된다. "핵의 이질성으로 인해 개별 근육 세포는 매우 다른 세포 유형으로 구성된 조직과 거의 같은 역할을 할 수 있다. 따라서 신경 세포와 통신하거나 특정 근육 단백질을 생성하는 것과 같은 수많은 작업을 수행 할 수 있다"고 Kim은 설명했다.

근육 상태에 따른 차이

이러한 다재다능 함은 근육 세포가 휴식 및 재생 근육에서 단일 핵 활동의 비교가 보여주듯이 부상 후 신속하고 목표된 방식으로 재생되도록 한다. “정말 놀란 것은 두 가지 유형의 근육 섬유에 각각 고유한 패턴의 유전자 활동을 가진 매우 다양한 유형의 핵이 있다는 사실이다”고 Birchmeier는 말했다.

연구자들이 건강한 근육의 핵을 유전된 근육 질환인 뒤쉔-이영양증(DMD, Duchenne-Dystrophie)을 가진 쥐의 핵과 비교했을 때 비슷한 것이 발견됐다. 병든 생쥐에서는 그 밖에 존재하는 세포 유형이 누락됐고 다른 핵은 더이상 그룹으로 구성되지 않았다. 대신 전체 세포에 흩어져 있었다.
Birchmeier는 "우리는 또한 세포핵의 질병 특이적 아형(subtypen)을 발견했다"고 보고했다.

근육 세포의 유전적 내부 작용을 처음으로 엿볼 때조차도 근육 세포 핵의 유전적 활동이 예기치 않게 다양하고 일을 공유하는 것이 얼마나 많은지 알 수 있다.
이 활동을 완전히 해독하기까지는 아직 멀다.
"근육 조직의 크기와 복잡성을 고려할 때, 근육 세포 핵의 완전한 다양성은 여전히 ​​더 연구가 필요하다"라고 과학자들은 말했다.
(Nature Communications, 2020; doi : 10.1038 / s41467-020-20064-9)
출처 : Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

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