- 초파리 혈구세포가 체내 산소 분압을 조절하는 기전 규명 -

▲왼쪽부터(신민규박사, 1저자) (심지원교수, 교신저자) (이대원학생, 1저자)

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: 초파리의 세 가지 골수성 혈구세포 중 흑색화 작용에 관여하는 혈구세포)의 호흡조절 분자기전을 규명했다.

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 Prophenoloxidase): 페놀 산화효소의 전구체로 흑색화 작용에 관여하는 효소이며 헤모시아닌의 공통 조상 단백질)에 의해 조절됨을 확인했다.

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. 

(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