핵공 복합체의 경이로운 복잡성 : 창조 설계-생명 [한국창조과학회 자료실]

핵공 복합체의 경이로운 복잡성

미디어위원회

2023-06-25

핵공 복합체의 경이로운 복잡성

(Internal Beauty : the Nuclear Pore Complex)

by Margaret Helder, PhD

3D 입체 퍼즐처럼 세포핵의 외피는 경이로움을 자아낸다.

당신이 조각 그림 맞추기(jigsaw puzzle)을 좋아하는 사람이라고 상상해보자. 30개의 서로 다른 모양들로 구성된, 500조각의 입체 그림 조각들을 맞추어야하는 특별한 도전이 주어졌다면, 그 조각들을 맞추어 지정된 구조물을 재현하는 데 얼마나 걸릴까? 아마도 몇 년이 걸리지 않을까? 사실, 사람은 생각보다 똑똑한데도 말이다. 그러나 우리 몸의 세포는 이 문제를 최대 15분 내에 해결한다! 어떻게 그렇게 할까? 아무도 모르지만, 그 이야기는 흥미롭다.

우리 몸의 모든 세포에는 해당 세포의 생명 활동을 지시하는 데 필요한 정보가 들어있는 핵(nucleus)이 있다. 핵 내부에서 정보는 DNA에서 복사본(RNA)으로 다운로드 되며, 이 복사본은 세포의 구조와 작동 기능을 제공하는 데 필요한 단백질들을 생산하기 위해, 주변 세포질(cytoplasm)로 이동해야 한다. 핵으로 들어가거나 나가야 하는 커다란 분자들은 핵 외피(nuclear envelope, 핵을 둘러싸고 있는 이중 막)에 있는 특수 문(gates), 또는 세공(pores)을 통과해야 한다. 핵 외피에는 수천 개의 세공들이 있다. 살아있는 세포에서 가장 커다란, 특수 분자기계들이 핵공 복합체(nuclear pore complexes)라는 특수 통로(gateways)를 형성하고 있다. 이들은 30가지의 다른 모양과 다른 크기들의 500여 개의 단백질 분자들로 구성되어 있다. 이제 당신은 앞에서 언급한 특별한 도전의 수수께끼를 알게 되는 것이다.

핵 외피가 핵을 보호하는 데 매우 중요하다는 점을 고려할 때, 세포가 분열하고자 할 때, 핵 외피를 제거해야 하는데, 이것은 놀라운 일이다! 핵은 열려진 세포에서 분열한다. 그러나 분열 과정이 끝나 두 개의 새로운 딸세포가 형성되고 난 후, 서둘러 두 개의 딸핵 주위에 새로운 핵 외피를 형성한다. 그렇다면 각 핵공 복합체(NPC)가 어떻게 생겨나고, 어떻게 기능하는지, 어떻게 알 수 있었을까?

2007년 11월, 핵공 복합체(nuclear pore complex, NPC)의 구조에 대한 연구가 Nature 지의 커버 스토리로 보고되었다.[1] 과학자들은 전자현미경을 통해 NPC의 기본 모양은 알고 있었지만, 구성 단백질들이 서로 어떻게 결합되어 있는지 전혀 알지 못했다. X-선 결정학 및 기타 연구를 통해, 그들은 구성 단백질들의 모양에 대한 아이디어를 얻었다. 또한 핵공 복합체 내에 각 개별 단백질의 복사본이 몇 개 있는지 알아냈다. 이제 이 모든 단백질들이 어떻게 서로 결합하고 있는지 알아낼 차례였다. 컴퓨터는 모든 구성 요소들을 3차원 배열을 통해 전체 모양에 맞도록, 반복적인 시도를 실행했다. 결국 과학자들은 컴퓨터가 이 문제에 가장 적합한 솔루션을 어느 정도 찾아냈다는 사실에 만족해했다. 컴퓨터가 가장 잘 맞는 구성 요소를 풀 수 있었던 것은 컴퓨터의 정보 조절 능력 덕분이었다. 컴퓨터는 과학자들의 3차원적 조각 그림 맞추기 과제를 해결했다. 하지만 세포는 어떻게 15분 이내에 이 퍼즐을 풀 수 있으며, 왜 그러한 놀라운 속도가 필요할까?

.핵공 복합체(NPC)가 있는 핵 외피. <lustra Media>

핵 외피는 핵 주위에 빠르게 형성되어 내부의 유전정보를 보호한다. 동시에 핵 외피의 약 4000~5000 개의 틈새는 핵공 복합체 분자기계들로 채워진다. 어떻게든 대사 과정은 각 핵공 복합체의 500개 단백질 분자들이 정확한 구조를 취하도록 지시한다. 적절한 커다란 분자가 핵에 들어가거나 나올 수 있도록 완벽해야 한다. 하지만 한 가지 문제가 더 있다. 세포 분열 후 핵이 커지면서 더 많은 핵공들이 필요하다. 흥미로운 점은 이 경우 핵공 복합체가 다른 과정을 통해 형성되기 때문에, 시간이 더 오래 걸리지만(약 1시간 정도 소요), 새로운 핵공 복합체의 구성과 기능은 이전에 형성된 것과 동일하다는 점이다.[2]

핵공 복합체를 형성하는 거대 분자 기계들은 도넛 모양의 구조물 두 개가 서로 쌓여 있는데, 하나는 핵 내부를 향하고, 다른 하나는 세포질 외부의 세포 물질을 향하고 있다. 채널 내부에는 고정된 형태가 없는 유연한 필라멘트가 얽혀 있다. 이 필라멘트를 통해 운반물이 핵 안으로 들어가고, 핵 밖으로 나가는지 여부를 제어한다.[3] 그러나 막힌 핵공 부위에서는 상황이 그리 간단하지 않다.

핵 내부에 관심을 집중해 보겠다. DNA에서 RNA로 정보를 빠르게 복사하는 데에는 단백질(세포질에서 핵으로 들어온)들이 필요하다. 그런 다음 스플라이오좀(spliceosomes)이 RNA 분자의 불필요한 특정 부분을 잘라낸다. 이제 세포에 필요한 특정 단백질의 생성을 지시하는 메신저 RNA(mRNA) 가닥이 생겼다. 하지만 mRNA는 (아직) 핵 밖으로 나갈 수 없다. 단백질들은 사슬의 앞쪽 끝에 캡(cap)을 형성해야 하며, AMP(adenosine monophosphate, ATP에서 인산기 두 개만 없는)의 긴 꼬리가 뒤쪽 끝에 부착되어야 한다. 이 꼬리는 뉴클레오타이드의 긴 사슬을 안정화시킨다. 이 복합체는 mRNP(ribonucleoprotein complex)라고 불려진다. 마지막으로 전사-수출 복합체(transcription-export complex)가 mRNP 화물에 연결된다. 이제 핵공 복합체의 채널-프로퍼(channel-proper)에 있는 필라멘트가 화물을 인식하고, 핵 외피를 가로질러 세포질로 운반한다.[4]

살아있는 세포는 초고도의 정밀성과 복잡성을 갖고 있는 걸작임이 분명하다. 핵 외피는 세포의 아주 작은 구성 요소에 불과하다. 그럼에도 불구하고 이 외피는 핵의 유전정보와 핵에서 주변 세포질로 나오는 정보의 무결성을 보호하는 필수적인 기능을 수행한다. 핵에서 나오는 정보가 현실로 바뀌는 곳은 바로 세포질이다. 핵에서 잘못된 정보가 나오면, 세포는 죽거나 활력을 잃게 된다. 이런 일이 발생하지 않도록 최대한 방지하는 것이 핵공 복합체의 역할이다. 따라서 핵에서 적절하게 포장된 mRNA 조각(현재 mRNP라고 함)이 운반 수출 인자에 의해 인식되어, 화물이 채널 필라멘트에 빠르게 부착된 다음, 반대편으로 안전하게 운반되기까지 많은 단계들이 필요하다.[5] 이러한 과정이 모두 우연히 생겨났을까?

3차원 구조를 이해하는 사람들에게 더욱 놀라운 것은, 세포가 500개의 개별 단백질(30가지 다른 모양)들을 조작하고, 몇 분 안에 정확하게 배열하여, 아름다운 기능적 구조인 핵공 복합체를 만드는 방법이다. 마치 몇 주나 몇 달이 아닌, 몇 분 만에 집을 짓는 것과 같다.

핵공 복합체를 형성하는 데 사용되는 한 가지 과정만으로도 충분히 드라마틱할 수 있다. 그러나 세포는 예기치 않게 "뚜렷한 운동학적, 분자적, 구조적 특징"을 나타내는 근본적으로 다른 두 가지 과정을 사용하고 있다.[6] 그럼에도 세포는 여전히 첫 번째 과정과 똑같은 단백질 복합체를 만들어낸다. 두 번째 과정의 최종 배열이 첫 번째 과정과 다른 배열을 초래했다면, 핵공 복합체에서 단백질들의 배열은 중요하지 않다고 생각할 수도 있다. 하지만 그렇지 않다. 잘못 배치될 가능성이 있는 구성 요소 조각들이 너무도 많은 상황에서, 두 가지 경로를 통해 동일한 구조를 달성한다는 것은 자연주의적인 무작위적 과정으로 우연히 만들어질 가능성을 극도로 낮춘다.

핵공 복합체를 만들기 위한 세포의 놀라운 선택과 기술이 한 번 작동되는 것도 놀라운 일이지만, 조각들을 다른 순서로 조작하면서 그것을 두 번째로 만들어내는 것은 초자연적인 지능이 필요하다. 우리는 창조주 하나님이 다른 모든 것들을 만드신 것 외에도, 예술적 아름다움을 사랑하시고, 기능적인 설계를 좋아하신다는 것을 알고 있다. 핵공 복합체는 이 모든 기준을 충족한다. 창조주 하나님을 찬양하라!

References

1. Frank Alber et al. Determining the architectures of macromolecular assemblies. Nature 450, Nov. 29, pp. 683-694. And Frank Alber et al. 2007. The molecular architecture of the nuclear pore complex. Nature 450, Nov. 29, pp. 695-701.

2. Shotaro Otsuka et al. A quantitative map of nuclear pore assembly reveals two distinct mechanisms. Nature 613 January 19 (2023), pp. 575-581. “Our data revealed that the two NPC assembly pathways are markedly different.” p. 579

3. Miao Yu et al. Visualizing the disordered nuclear transport machinery in situ. Nature 617, May 4 (2023), pp. 162-169.

4. Belen Pacheco-Fiallos et al. mRNA recognition and packaging by the human transcription-export complex. Nature 616, April 27, pp. 828-835. And Otsuka et al. 2023.

5. Belen Pacheco-Fiallos et al. 2023 And Frank Alber et al. Determining the architectures of macromolecular assemblies. 2007. “Filling this tube and projecting into both the cytoplasmic and nuclear sides are flexible filamentous domains from proteins termed FG (phenylalanine-glycine) repeat nucleoporins; these domains form the docking sites for transport factors that carry macromolecular cargoes through the NPC” p. 683.

6. Shotaro Otsuka et al. p. 575.

*Margaret Helder completed her education with a Ph.D. in Botany from Western University in London, Ontario (Canada). She was hired as Assistant Professor in Biosciences at Brock University in St. Catharines, Ontario. Coming to Alberta in 1977, Dr Helder was an expert witness for the State of Arkansas, December 1981, during the creation/evolution ‘balanced treatment’ trial. She served as member of the editorial board of Occasional Papers of the Baraminology Study Group in 2001. She also lectured once or twice a year (upon invitation) in scheduled classes at University of Alberta (St. Joseph’s College) from 1998-2012. Her technical publications include articles in the Canadian Journal of Botany, chapter 19 in Recent Advances in Aquatic Mycology (E. B. Gareth Jones. Editor. 1976), and most recently she authored No Christian Silence on Science (2016) which promotes critical evaluation of scientific claims. She is married to John Helder and they have six adult children.

참조 : 세포막의 Kir2.1 채널 : 세포내 한 분자기계의 나노 구조가 밝혀졌다.

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