일본 이화학연구소(RIKEN)는 마우스 근원세포 내의 소포체를 관찰하여, 소포체 칼슘 농도 저하가 골격근 형성 전에 일어나며 근분화의 시그널로 작용한다는 사실을 밝혀내었다.
세포 소기관은 1개의 소기관 내에서 세포 표면에 있는 막 단백질이나 세포외로 분비되는 단백질을 만들어낸다. 소포체는 칼슘의 저장기관이며, 칼슘을 방출하여 세포 내 칼슘농도를 조절하는 역할을 한다. 정상 입체구조를 형성하지 못하는 이상 단백질이나 부분적으로 손상된 이상 단백질이 소포체 내에 축적되면 소포체 기능이 저하되는 ‘소포체 스트레스’ 상태가 일어난다. 소포체 스트레스가 발생하면, 소포체 막상 센서 단백질이 작동하여 세포가 빈틈없이 유전자 발현조절이나 단백질 번역조절을 수행할 수 있도록 항상성을 유지한다. 소포체 스트레스는 소포체에서 만들어지는 단백질의 변이나, 합성량이 많을 때 일어나기 쉬우며 산화 스트레스, 바이러스 감염, 소포체 내 칼슘 농조 저하로 인해 일어난다. 한편, 포유류의 골격근은 근섬유세포의 다발로 구성되어 있으며 근섬유세포는 수 많은 근원세포가 반복적인 세포융합으로 만들어지는 다핵세포이다. 연구진은 이미 연구를 통해 근원세포에서 세포융합 전에 소포체 스트레스가 발생하고 있다는 증거를 발견하였으며, 소포체 스트레스에 응답하여 일어나는 유전자 발현조절을 저하하면 근분화가 일어나지 않는다는 사실을 발견하였다. 이는 정상적인 근분화 과정에서 소포체 스트레스가 필요하다는 것을 시사하지만, 근원세포 내에서 소포체 스트레스가 어떻게 발생하는지는 밝혀지지 않았다.
연구팀은 마우스의 근원세포에서 근육이 형성되는 과정에서 소포체가 만들어지는 과정을 관찰하였다. 근원세포의 소포체막에 형광물질로 표식하면 특징적인 그물코구조를 확인할 수 있다. ([그림 1A]) 이어 근원세포를 분화유도배지에 놓고, 세포를 같은 방향으로 정렬시키면 세포융합이 일어난다. 세포융합 직전 상태에서 그물코구조와 함께 소포체가 부분적으로 변형된 구나 고리상태의 특수한 구조가 형성된다는 것을 확인할 수 있다. ([그림 1B]) 이 구조는 세포융합이 진행되는 동안 일시적으로 존재하며, 핵 10개 정도를 포함하는 다핵세포가 되면 서서히 작아지고 마침내 사라지게 된다. 이번에 발견한 구조체는 소포체에서 칼슘이 세포질 기질로 방출될 때, 소포체 내의 칼슘농도가 저하되면서 만들어지게 된다. 이에 소포체 칼슘의 출구가 되는 칼슘 채널을 가로막는 약제를 근원세포로 처리하면, 구조체가 형성되지 않고 세포융합 전에 만들어져야 할 소포체 스트레스도 보이지 않아 세포융합도 일어나지 않게 된다. ([그림 2]) 이에 따라 근분화과정에서 소포체내 칼슘 고갈이 필수적이라는 사실을 발견하였다.
이 결과는 정상 근분화정도에 필요한 소포체 스트레스가 소포체 내 칼슘 농도의 저하에 의존한다는 점을 시사한다. 소포체 내 칼슘을 포함한 펌프 단백질을 저해하면, 칼슘농도가 서서히 저하되어 수분의 일이 되며, 마침내 고갈된다. 근원세포를 펌프 저해제로 처리하면, 근분화 과정에서 보인 소포체가 특수한 구조와 매우 비슷하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. ([그림 1C]) 이에 근분화과정에서 만들어진 구조체를 연구진은 SARC（Stress Activated Response to Calcium depletion＝칼슘 고갈에 의한 스트레스를 일으키는 응답체)라고 이름붙였다. ([그림 3]) SARC체는 마우스 태자의 골격근형성과정에서도 관찰할 수 으며, 전자 현미경으로 관찰하면 소포체막이 다층화되어, “양파”의 잎(비늘줄기)의 겹쳐짐과 비슷한 동심구상의 구조를 가지고 있다는 것을 확인할 수 있었다. ([그림 3 사진])
연구팀은 이전 연구에서 소포체 스트레스가 근분화에 진행할 때 필요하다는 것을 보여주었으며, 이번 성과는 그에 이어 소포체 내 칼슘 고갈이 소포체 스트레스의 원인이 된다는 것을 확인시켜주었다. 골격근 수축은 칼슘이 소포체에서 방출되거나 다시 흡수되는 것으로 제어되고 있다. 따라서 이번 발견을 통해 소포체의 칼슘은 근육을 움직이는 것뿐만 아니라 근육을 만들기 위한 시그널을 발신하는 역할도 담당하고 있다고 말할 수 있다. 근분화 과정에서 사전에 프로그램된 칼슘 고갈 메커니즘을 해명하게 되면서, 근분화의 제어구조를 상세하게 이해할 수 있게 되었다. 종래 세포내 칼슘 연구에서는 세포질 기질에서 칼슘 농도가 상승하면, 칼슘 결합 단백질이 활성화되는 현상을 주로 연구하였다. 본 연구에서 확인한 것은 소포체 내 칼슘 농도의 감소로 소포체 스트레스가 일어나고 시그널 발신의 계기가 된다는 것이었다. 향후 통상 칼슘에 의해 활성이 제어되는 단백질이 근분화과정에서 칼슘농도가 감소하면 어떻게 생리적인 기능을 담당하게 되는지도 주목해야 하는 연구분야이다. 또한 근원세포 내의 소포체 내 칼슘농도를 인위적으로 조절할 수 있게 된다면, 근원세포의 융합을 촉진시키는 근육만들기의 효율을 상승시킬 수 있으며 이는 병과 고령화 등에 따른 근위축 예방이나 개선으로도 연결될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 ‘The FASEB Journal’의 2월 12일자에 게재된 논문 "Transient Ca2+ depletion from the endoplasmic reticulum is critical for skeletal myoblast differentiation”을 통해 발표되었다.
