DNA가 압축되고 손상되면 암세포는 즉시 에너지 생산을 활성화합니다.

네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 발표된 연구에 따르면, 암세포는 물리적 압박에 즉시 에너지가 풍부한 반응을 보인다고 합니다. 이러한 에너지 폭발은 세포가 손상된 DNA를 복구하고 인체의 비좁은 환경에서 생존하는 데 도움이 되는 보호 기전의 첫 번째 사례입니다.

이러한 발견은 암세포가 종양 미세환경을 기어 다니거나, 다공성 혈관을 통과하거나, 혈류의 충격을 극복하는 등 복잡한 기계적 환경에서 어떻게 생존하는지를 설명하는 데 도움이 됩니다. 이러한 메커니즘의 발견은 암세포가 전이되기 전에 "고정"하는 새로운 전략으로 이어질 수 있습니다.

바르셀로나에 있는 유전체 조절 센터(CRG) 연구진은 살아있는 세포를 단 3마이크론(인간 머리카락 지름의 약 30분의 1) 크기로 압축할 수 있는 특수 현미경을 사용하여 이 같은 사실을 발견했습니다. 연구진은 압축된 지 몇 초 만에 HeLa 세포의 미토콘드리아가 핵 표면으로 빠르게 이동하여 세포의 분자 에너지원인 ATP를 추가로 펌핑하기 시작하는 것을 관찰했습니다.

"이번 연구는 인체에서 미토콘드리아의 역할을 재고하게 만듭니다. 미토콘드리아는 단순히 세포에 전력을 공급하는 정적인 배터리가 아니라, 세포가 말 그대로 한계에 도달했을 때 긴급 상황에 투입될 수 있는 영리한 '구조대'입니다."라고 이 연구의 공동 저자인 사라 스델치 박사는 말합니다.

미토콘드리아는 핵 주위에 매우 짙은 "빛"을 형성하여 핵이 안쪽으로 압착되었습니다. 이러한 현상은 압축된 HeLa 암세포의 84%에서 관찰된 반면, 부유하고 압축되지 않은 세포에서는 거의 관찰되지 않았습니다. 연구진은 이러한 구조를 핵 관련 미토콘드리아(nucleus-related mitochondria)의 약자인 NAM이라고 명명했습니다.

NAMs의 기능을 파악하기 위해 연구진은 ATP가 핵으로 유입될 때 발광하는 형광 센서를 사용했습니다. 세포가 압착된 지 불과 3초 만에 신호가 약 60% 증가했습니다.

"이것은 세포가 스트레스에 적응하고 신진대사를 재구성하고 있다는 분명한 신호입니다."라고 이 연구의 공동 저자인 파비오 페차노 박사는 설명합니다.

추가 실험은 이러한 에너지 증가가 왜 중요한지를 보여주었습니다. 기계적 압축은 DNA에 스트레스를 가하여 가닥을 끊고 유전체를 엉키게 합니다. 세포는 DNA 구조를 약화시키고 손상된 부위를 복구하기 위해 ATP 의존성 복구 복합체를 필요로 합니다. 추가적인 ATP를 공급받은 압축된 세포는 몇 시간 안에 DNA를 복구했지만, 추가적인 ATP를 공급받지 못한 세포는 정상적인 분열을 멈췄습니다.

연구진은 이 기전이 질병에서 갖는 중요성을 확인하기 위해 17명의 환자로부터 유방 종양 생검을 시행했습니다. NAM 헤일로는 종양의 침윤성 변연부 핵의 5.4%에서 관찰된 반면, 고밀도 핵에서는 1.8%에서 관찰되어 세 배의 차이를 보였습니다.

"환자 조직에서 이러한 특징을 발견했다는 사실은 실험실 밖에서도 그 중요성을 확인시켜 주었습니다."라고 이 연구의 첫 번째 공동 저자인 리토브라타(리토) 고스 박사가 설명했습니다.

연구진은 또한 미토콘드리아 "홍수"를 가능하게 하는 세포 기전을 연구할 수 있었습니다. 근육 수축을 가능하게 하는 단백질 실과 같은 액틴 필라멘트가 핵 주위에 고리를 형성하고, 소포체가 이 그물망 같은 "덫"을 끌어당깁니다. 이 연구는 이러한 결합된 배열이 NAM을 물리적으로 제자리에 고정시켜 "헤일로"를 형성한다는 것을 보여주었습니다. 연구진이 액틴을 파괴하는 약물인 라트룬쿨린 A를 세포에 처리하자 NAM 형성이 사라지고 ATP 수치가 급락했습니다.

전이성 세포가 NAM 관련 ATP 버스트에 의존한다면, 스캐폴드를 파괴하는 약물은 미토콘드리아 자체를 중독시키거나 건강한 조직에 영향을 미치지 않고 종양의 침습성을 낮출 수 있습니다.

연구의 공동 저자인 베레나 루프레히트 박사는 "기계적 스트레스 반응은 암세포의 취약성 중 잘 알려지지 않은 부분이며, 새로운 치료 접근법을 열어줄 수 있다"고 말했습니다.

이 연구는 암세포에 초점을 맞추었지만, 저자들은 이것이 생물학에서 보편적인 현상일 가능성이 높다고 지적합니다. 림프절을 통과하는 면역 세포, 신경 세포 성장 과정, 그리고 형태발생 과정의 배아 세포는 모두 유사한 신체적 스트레스를 경험합니다.

"세포가 압력을 받는 곳에서는 핵으로의 에너지 급증이 유전체의 온전성을 보호하는 역할을 할 가능성이 높습니다."라고 스델키 박사는 결론지었습니다. "이것은 세포 생물학에서 완전히 새로운 차원의 조절이며, 세포가 물리적 스트레스에서 어떻게 살아남는지에 대한 우리의 이해에 근본적인 변화를 의미합니다."