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- 극저온 전자 단층 촬영을 사용해 단백질 필라멘트의 상호 작용이 근육 운동을 유도하는 구조인 근절의 고해상도 3D 이미지를 생성

근육 세포의 섬세한 모습
극저온 전자 단층 촬영(Cryoelectron tomography)는 사르코메어(sarcomere, 근섬유 분절)의 분자 세부 사항을 보여준다.

처음으로 연구자들이 근육 섬유의 가장 작은 기능 단위를 가장 작은 세부 사항까지 볼 수 있도록 만들었다. 그들은 극저온 전자 단층 촬영을 사용해 단백질 필라멘트의 상호 작용이 근육 운동을 유도하는 구조인 근절의 고해상도 3D 이미지를 생성했다.
과학자들이 저널 “Cell”에 이 중요한 기능 단위에 대한 이전에는 볼 수 없었던 새로운 세부 사항을 공개했다. 

▲ 근육에서 가장 작은 기능 단위인 근절의 액틴과 미오신 필라멘트. © 분자 생리학 MPI(막스 플랑크 연구소)

근육은 우리 몸의 역동적이고 필수 불가결한 부분이다.
그 구조는 지금까지 부분적으로만 명확했다. 예를 들어 최근 한 연구에 따르면 모든 근육 섬유 세포에는 분업이 있는 수십에서 수백 개의 세포핵이 있다.
핵 외에도 각 근육 섬유에는 근육의 기능 단위인 근육이 위치한 수백 개의 원 섬유가 포함돼 있다. 그들에서 단백질 미오신(myosin)과 액틴(actin)은 상호작용해 근육 수축과 이완을 만든다.

사르코메어(sarcomeres)의 기본 구조는 오랫동안 알려져 왔지만 액틴과 미오신 간의 상호 작용에 대한 미세한 구조적 세부 사항은 불분명하다. 이전 조사는 충분히 높은 해상도를 얻지 못했거나 개별 구성 요소로만 수행됐다.

쇼크 동결 및 전자 X-ray

도르트문트에 있는 막스 플랑크 분자 생리학 연구소의 첵신 왕(Zhexin Wang)과 그의 동료들은 최근 크리오일렉트론 토모그라피(cryoelectron tomography)를 사용해 근절의 미세 구조에 대한 최초의 상세한 정보를 얻었다. 이를 위해 마우스의 근육 조직은 먼저 약 영하 175도에서 충격 냉동된다. 연구진은 이온 빔을 사용해 냉동 샘플에서 근육 섬유의 일부를 절단했다.

이것은 약 100nm(나노 미터)의 두께를 가진 매우 얇은 전자 투과성 라멜라를 생성한다.
전자 현미경에서 이 라멜라는 일련의 이미지가 생성되는 동안 단계적으로 기울어진다.
컴퓨터 단층 촬영과 마찬가지로 이러한 개별 이미지를 결합하여 3차원 이미지를 만든다.

▲ 그림 2 얇은 필라멘트의 하위 부피 평균은 이중 헤드 미오신과 얇은 필라멘트의 상호 작용 및 이중 헤드 내 경쇄 도메인의 두 가지 형태를 보여준다.(출처: 관련논문 The molecular basis for sarcomere organization in vertebrate skeletal muscle)

거의 원자 분해능으로 구조화

이 조사의 결과, 팀은 전체 sarcomere의 3차원 조직을 밝힐 수 있었다.
“냉동 전자 단층 촬영을 사용하면 거의 자연 상태에서 동결된 근육의 상세한 3D 이미지를 얻을 수 있다”며 “이제 우리는 거의 원자 분해능으로 근섬유를 볼 수 있다. 이 차원은 최근까지 우리에게 완전히 닫혀 있었다. 정말 대단하다!” 고 왕(Wang)의 동료 스테판 라운저(Stefan Raunser)는 말했다.

특히 촬영은 예를 들어 액틴 스레드가 두 sarcomer 유닛 사이의 분리 디스크인 Z디스크에 고정되는 방식을 보여준다. 따라서 불규칙한 네트워크를 형성하고 다른 공간 배열을 가정할 수 있다. 또한, 더 얇은 액틴과 더 두꺼운 미오신 필라멘트가 겹치는 부분에 배열되는 방법이 명확해졌다. 각 액틴 스레드는 세 개의 두꺼운 미오신 스레드로 둘러싸여 있다.

더블 헤드로 결합

연구진은 또 수축된 근육의 단백질 필라멘트가 서로 어떻게 결합하는지를 처음으로 밝혀냈고 놀라운 사실을 알게 됐다. 동일한 미오신의 두 머리가 액틴 가닥에 결합할 수 있다는 것이다. 이중 미오신 머리가 두 개의 다른 액틴 가닥에 결합하는 이전에 유일하게 의심되는 또 다른 배열도 처음으로 실험적으로 입증됐다.

“이것은 시작에 불과하다. 극저온 전자 단층 촬영은 틈새 기술에서 구조 생물학 내의 광범위한 방법으로 점점 더 발전하고 있다”고 Raunser는 말했다. "곧 분자 그리고 원자 수준에서 근육 질환을 연구할 수 있게 될 것이다.
”
조사된 마우스 근육 세포는 인간의 근육 세포와 매우 유사하지만 연구진은 가까운 미래에 생검 또는 다능성 줄기세포에서 인간 근육 조직을 검사할 계획이다.
(Cell, 2021; doi : 10.1016 / j.cell.2021.02.047)
출처 : Max Planck Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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