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곤충의 산소전달, 기존 학설 뒤엎는 새로운 발견

- 초파리 혈구세포가 체내 산소 분압을 조절하는 기전 규명 -

◈본문

□ 국내 연구진이 곤충의 혈구세포가 산소를 전달하는 새로운 기전을 밝혀 곤충의 호흡작용과 진화에 대한 새로운 단초를 제공했다.

□ 지금까지 정설로 자리 잡고 있던 곤충의 산소전달 방법이 뒤집히는 연구 결과가 나왔다. 한국연구재단(이사장 이광복)은 심지원 교수(한양대학교) 연구팀이 초파리 유충의 혈구세포가 산소전달을 하는 능력을 갖추고 있음을 확인하고, 그 원리를 규명했다고 밝혔다.

□ 지금까지 곤충의 산소호흡은 외부와 직접 연결되어 있는 숨관을 통해 이루어진다고 알려져 있었으며, 곤충의 골수성 혈구세포는 호흡작용과 무관하다고 생각되었다.

□ 연구팀은 초파리 유전학 및 이미징 기법을 사용하여 초파리 혈구세포 중 크리스탈세포(Crystal cell)*의 호흡조절 분자기전을 규명했다.

*크리스탈세포: 초파리의 세 가지 골수성 혈구세포 중 흑색화 작용에 관여하는 혈구세포

□ 연구팀은 산소분압 변화에 따라 변화하는 혈구세포들의 움직임을 실측영상으로 촬영한 결과, 혈구세포들이 숨관과 혈장 사이에서 방향성 있게 이동함을 발견하였으며, 특히 이 과정에서 크리스탈세포가 주된 역할을 한다는 것을 밝혔다. 특히, 크리스탈세포의 이동은 산소농도에 따라 세포 내 단백질 상 변화를 일으키는 프로페놀 산화효소(PPO)*에 의해 조절됨을 확인했다.

*프로페놀 산화효소(Prophenoloxidase): 페놀 산화효소의 전구체로 흑색화 작용에 관여하는 효소이며 헤모시아닌의 공통 조상 단백질

□ 또한, 유전자 조작을 통하여 크리스탈세포가 없거나 프로페놀 산화효소가 제거된 초파리 유충이 산소가 부족한 것과 같은 표현형을 보임을 발견했다.

□ 추가 실험을 통해 초파리 유충이 특히 먹이 속에 파묻혀 발생할 때 크리스탈세포의 산소 전달 기능이 필수적인 기전으로 작용함을 증명하였다.

□ 이번 연구성과에 대해 심지원 교수는 “초파리 유충의 혈구세포가 체내 산소분압을 조절하는 기능을 최초로 규명한 본 연구는 생물학 교과서를 바꿀 내용”이라며, “본 연구가 곤충을 비롯한 무척추동물의 호흡발달과 진화를 이해하는 데에 도움이 되길 바란다”는 기대를 전했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 최저명 국제학술지 ‘네이쳐(Nature)’에 6월 26일 게재되었다.

<작성 : 한양대학교 심지원 교수>

1. 연구의 필요성

○ 지금까지 학계에서는 곤충의 호흡이 숨관 의존적으로 일어나며 곤충에는 적혈구 유사 혈구세포가 존재하지 않는다고 알려져 있었음.

○ 하지만, 수생 곤충이나 거대 곤충 등이 숨관에 의존한 호흡기체 확산을 통해 충분히 기체교환을 할 수 있는 지의 여부는 불투명했으며, 새로운 패러다임을 제시할 관련 연구가 절실히 필요했음.

○ 최근, 초파리의 혈구세포 중 크리스탈세포(Crystal cell)*가 산소와 이산화탄소의 분압에 따라 분화가 조절되는 기전이 밝혀졌지만, 크리스탈세포가 직접 산소호흡에 관여하는 지는 알려진 바 없었음.

*크리스탈세포: 초파리의 세 가지 골수성 혈구세포 중 흑색화 작용에 관여하는 혈구세포

2. 연구내용

○ 본 연구진은 유전자 조작을 통해 크리스탈세포를 제거한 초파리 유충이 정상 산소분압에서도 저산소 환경에서 자란 개체와 동일한 표현형을 보임을 발견하였음.

○ 초파리 유충을 다양한 산소분압 환경에서 키우며 혈구세포를 관찰한 결과, 산소분압의 변화에 따라 혈구세포들이 숨관과 순환하는 혈액 사이에서 일정한 움직임을 보인다는 것을 발견하였으며, 이러한 혈구세포의 이동은 크리스탈세포 의존적임을 확인하였음.

○ 연구진은 크리스탈세포 특이적 유전자를 RNAi 기법을 통해 분석하여 크리스탈세포 내부에 결정을 이루고 있는 프로페놀 산화효소2(PPO2)의 단백질 결정화가 산소분압과 구리농도, pH에 따라 혈구세포 움직임을 조절하는 기전을 규명하였음.

○ 초파리 유충은 초기 생활사의 대부분을 먹이 속에 파묻힌 형태로 보내는데, 이 시기 동안 숨관에 의존한 호흡이 어려울 수 있음. 연구진은 이러한 초파리 유충의 발달과정에서 크리스탈세포에 의한 산소전달이 중요한 역할을 수행함을 확인하였음.

○ 초파리의 프로페놀 산화효소2는 흑색화 기전의 주요 효소로 잘 알려져 있지만, 단백질 진화 상 헤모시아닌의 선조 단백질로 분류됨. 연구진은 유전자 재조합을 통해 프로페놀 산화효소2가 없는 크리스탈세포에 투구게의 헤모시아닌을 도입해주었을 때 초파리 유충의 저산소 표현형이 회복되는 것을 확인하여 진화적으로 보존된 크리스탈세포 내 프로페놀 산화효소2의 호흡기능을 제시하였음.

* 헤모시아닌 : 무척추동물에서 발견되는 산소전달 단백질로 구리를 매개로 산소를 전달함

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구를 통해 기존에 생명과학 교과서에서 알려져 있던 학계의 가설과 달리 초파리와 같은 곤충의 혈구세포가 직접 산소전달을 할 수 있는 가능성을 새롭게 제시했으며, 사람의 적혈구와 유사한 기능을 하는 혈구세포가 곤충에서 면역기능과 산소호흡기능을 동시에 수행하며 보존되어 있을 가능성을 최초로 제시하였음.

○ 또한 본 연구는 열린 혈관계를 가진 무척추동물의 호흡기능에 대한 새로운 통찰력을 제공하며 혈구세포와 혈관계, 호흡계의 진화에 대한 실마리를 풀 수 있는 새로운 실마리로서 폭넓게 응용될 수 있기를 기대함.

(그림1) 크리스탈세포의 실측 이미지

그림 설명 : 초파리 애벌레 속 많은 혈구세포들 중 세포 내부에 다양한 모양과 크기의 결정을 가지고 있는 크리스탈 세포를 공초점 현미경을 통해 찍은 사진임. 초록색의 결정을 이루고 있는 단백질은 프로페놀 산화효소2(PPO2)이며 상전이를 통해 체내 산소분압 조절에 관여함을 밝힘.

그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 심지원교수

(그림2) 진화학적으로 새롭게 규명된 곤충 혈구세포

그림 설명 : 본 연구는 곤충의 혈구세포 중 내부에 단백질 결정을 발현하는 크리스탈세포의 산소전달 가능성에 대한 내용으로, 호흡과 혈구세포의 진화에 대한 새로운 시각을 제시하는 연구임. 따라서 크리스탈세포를 지질시대의 송진이 화석처럼 굳을 때 나올 수 있는 호박에 합쳐 보여준 그림임.

그림설명 및 그림제공: 한양대학교 심지원 교수

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