효모에서 인간에 이르기까지 모든 진핵생물의 핵과 세포질의 밀도 비율 같다
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-10-01 16:03:48
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- 모든 종에서 핵은 세포질 밀도의 약 80%를 차지
- DNA는 펼쳤을 때 약 2m 길이, 크기 5~15마이크로미터에 불과한 핵 안에 완전히 들어가
- 종마다 절대 세포내 밀도가 크게 다르지만, 핵과 세포질 밀도의 비율은 일정하게 유지
- 단순히 핵과 세포질 사이의 상대적인 단백질 분포에 따른 물리적 결과일 수도
핵은 우리 세포, 그리고 온몸의 작동 및 구성 지침을 담고 있다. 이 정보는 DNA에 암호화되어 있으며, 세포의 활동에 따라 촘촘하게 뭉쳐진 염색체처럼 깔끔하게 뭉쳐지거나 코일처럼 풀어진다. DNA는 펼쳤을 때 약 2미터 길이이지만, 크기가 5~15마이크로미터에 불과한 핵 안에 완전히 들어간다.
"세포핵은 일반적으로 유전 물질 외에도 수백만 개의 단백질 복합체를 포함하는 조밀하게 밀집된 환경으로 간주된다"고 베를린 막스 플랑크 감염생물학 연구소의 아빈 비스와스(Abin Biswas)와 동료들은 설명했다. 따라서 세포핵이 주변 세포질보다 훨씬 더 조밀하게 밀집되어 있다고 가정할 수 있다.
세포질은 핵보다 밀도가 높다.
하지만 비스와스와 그의 연구팀의 새로운 분석 결과에 따르면 이는 사실이 아니다. 연구진은 광학 회절 단층촬영(ODT)과 공초점 형광 현미경을 결합하여 10가지 진핵생물 종의 세포를 분석했다. 이를 통해 고해상도로 세포 내 3차원 밀도 분포를 확인할 수 있었다. 분석 대상 종의 범위는 효모와 선충류부터 제브라피시와 생쥐, 그리고 인간까지 다양했다.
분석 결과, 예상과 달리 핵은 세포질보다 밀도가 낮았다. 이는 세포핵이 같은 부피의 세포질에 비해 건조 질량이 적다는 것을 의미한다. 하지만 더욱 놀라운 점은 다음과 같다. "이 연구의 가장 중요한 발견은 종마다 절대 세포내 밀도가 크게 다르지만, 핵과 세포질 밀도의 비율은 일정하게 유지된다는 것이다"고 Biswas의 동료 시몬 레버(Simone Reber)는 보고했다.
일관된 밀도 비율
구체적으로 측정 결과, 모든 진핵생물에서 핵 밀도와 세포질 밀도의 비율은 0.8:1로 나타났다. 이는 효모, 제브라피시, 인간 등 어떤 종이든 마찬가지다. 핵은 절대 밀도 값과 관계없이 항상 세포질 밀도의 약 80%만을 가지고 있다. "진핵생물계 전체의 10개 모델 시스템에서 이러한 일정한 비율을 발견했다는 사실은 이것이 세포의 근본적인 특성임을 시사한다"고 연구팀은 설명했다.
또한 이는 수정과 각 세포 분열 후 세포가 이 밀도 비율을 재조절하여 목표 값으로 되돌려야 한다는 것을 의미한다. 비스와스와 그의 연구팀은 발톱개구리 세포를 예로 들어 세포가 이러한 과정을 어떻게 더 자세히 수행하는지 연구했다.
세포는 두 단계로 밀도를 조절한다.
추가 분석 결과, 세포의 밀도 조절은 두 단계로 진행된다. 첫 번째 단계에서는 DNA가 풀리면서 핵과 세포질이 거의 같은 밀도에 도달한다. 두 번째 단계에서는 핵이 거대분자를 적극적으로 흡수하여 삼투압을 높이고 핵을 팽창시킨다. 핵의 부피는 세포질 대비 밀도 비율이 목표치에 도달할 때까지 증가한다. 비스와스와 연구팀이 확인한 바와 같이 발톱개구리의 경우, 이 과정에 약 15분이 걸린다.
또한 흥미로운 점은 레버의 보고다.
"효모 세포에서 인간 세포에 이르기까지 핵-혈장 밀도 비율은 일정하게 유지되지만, 질병에서는 차이가 나타난다." 나이가 들고 세포 스트레스가 발생하면 정상적인 비율이 역전되어 핵이 세포질보다 밀도가 높아진다. 이러한 현상의 원인과 그 메커니즘은 아직 규명되지 않았다.
목적은 여전히 미스터리
하지만 훨씬 더 근본적인 질문 또한 아직 풀리지 않았다. 세포가 핵과 세포질 사이의 일정한 밀도 비율을 유지하는 것이 왜 중요한가? 그리고 이 비율은 왜 모든 진핵생물에서 동일한가? 지금까지 비스와스와 그의 동료들은 단지 추측만 할 수 있었다. "이는 단순히 핵과 세포질 사이의 상대적인 단백질 분포에 따른 물리적 결과일 수도 있다"고 그들은 썼다.
이러한 현상에는 생물학적 이유가 있을 가능성도 있다. 일정 밀도 비율은 전사 및 번역 과정, 즉 유전자 해독과 밀접하게 연관되어 있기 때문에 진화했을 가능성이 있다. 전자는 핵에서, 후자는 세포질에서 일어나기 때문에 두 환경 모두 적절한 조건을 제공해야 한다. 반대로, 이러한 과정 자체가 세포 환경의 밀도에 영향을 미칠 수도 있다.
"전사, 리보솜 생합성, 단백질 합성, 그리고 수송 속도의 균형에 의해 밀도 분포가 어떻게 결정되는지 이해하는 것은 향후 연구를 위한 흥미로운 과제다"고 연구진은 설명했다.
참고: (Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-62605-0
출처: Nature Communications, Max Planck Institute for the Science of Light
- 모든 종에서 핵은 세포질 밀도의 약 80%를 차지
- DNA는 펼쳤을 때 약 2m 길이, 크기 5~15마이크로미터에 불과한 핵 안에 완전히 들어가
- 종마다 절대 세포내 밀도가 크게 다르지만, 핵과 세포질 밀도의 비율은 일정하게 유지
- 단순히 핵과 세포질 사이의 상대적인 단백질 분포에 따른 물리적 결과일 수도
예상치 못한 사실: 세포질은 핵보다 밀도가 높다.
모든 진핵생물에서 핵과 세포질의 밀도 비율은 놀랍게도 비슷하다.
"핵"의 놀라운 사실:
우리 핵은 오랫동안 생각했던 것보다 밀도가 낮다. 2미터 길이의 DNA와 수많은 단백질이 핵 안에 들어가야 하지만, 새로운 분석 결과에 따르면 핵의 밀도는 세포질보다 낮다. 또 다른 놀라운 사실은 효모에서 인간에 이르기까지 모든 진핵생물에서 핵과 세포질의 밀도 비율이 같다는 것이다. 모든 종에서 핵은 세포질 밀도의 약 80%를 차지한다. 그렇다면 왜 그럴까?
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| ▲ 핵과 세포질 중 어느 쪽의 밀도가 더 높을까? © David S. Goodsell |
핵은 우리 세포, 그리고 온몸의 작동 및 구성 지침을 담고 있다. 이 정보는 DNA에 암호화되어 있으며, 세포의 활동에 따라 촘촘하게 뭉쳐진 염색체처럼 깔끔하게 뭉쳐지거나 코일처럼 풀어진다. DNA는 펼쳤을 때 약 2미터 길이이지만, 크기가 5~15마이크로미터에 불과한 핵 안에 완전히 들어간다.
"세포핵은 일반적으로 유전 물질 외에도 수백만 개의 단백질 복합체를 포함하는 조밀하게 밀집된 환경으로 간주된다"고 베를린 막스 플랑크 감염생물학 연구소의 아빈 비스와스(Abin Biswas)와 동료들은 설명했다. 따라서 세포핵이 주변 세포질보다 훨씬 더 조밀하게 밀집되어 있다고 가정할 수 있다.
세포질은 핵보다 밀도가 높다.
하지만 비스와스와 그의 연구팀의 새로운 분석 결과에 따르면 이는 사실이 아니다. 연구진은 광학 회절 단층촬영(ODT)과 공초점 형광 현미경을 결합하여 10가지 진핵생물 종의 세포를 분석했다. 이를 통해 고해상도로 세포 내 3차원 밀도 분포를 확인할 수 있었다. 분석 대상 종의 범위는 효모와 선충류부터 제브라피시와 생쥐, 그리고 인간까지 다양했다.
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| ▲ a. 광학 회절 단층촬영(ODT)을 통해 촬영한 9가지 모델 진핵생물 세포. 낮은 굴절률(RI) 분포(파란색)에서 높은 굴절률(노란색)까지. 흰색 점선은 대표 세포에서 핵의 위치를 나타낸다. b. 핵질(보라색)과 세포질(연한 녹색) 밀도(ρ)의 절대값은 진핵생물 세포마다 다르다. 각 기호는 한 세포의 측정값을 나타낸다. c. NC(핵 대 세포질) 밀도는 진핵생물 전체에서 보존된다. 다양한 진핵생물의 핵 밀도와 세포질 밀도 비율(ρn/ρc, 파란색). 각 원은 한 세포의 NC 밀도 비율을 나타낸다. 핵 밀도는 핵소체를 제외하고 측정되었다. 검은색 점선은 평균 NC 밀도 비율 0.8±0.1을 나타낸다. (출처:Published: 15 August 2025 / Conserved nucleocytoplasmic density homeostasis drives cellular organization across eukaryotes) |
분석 결과, 예상과 달리 핵은 세포질보다 밀도가 낮았다. 이는 세포핵이 같은 부피의 세포질에 비해 건조 질량이 적다는 것을 의미한다. 하지만 더욱 놀라운 점은 다음과 같다. "이 연구의 가장 중요한 발견은 종마다 절대 세포내 밀도가 크게 다르지만, 핵과 세포질 밀도의 비율은 일정하게 유지된다는 것이다"고 Biswas의 동료 시몬 레버(Simone Reber)는 보고했다.
일관된 밀도 비율
구체적으로 측정 결과, 모든 진핵생물에서 핵 밀도와 세포질 밀도의 비율은 0.8:1로 나타났다. 이는 효모, 제브라피시, 인간 등 어떤 종이든 마찬가지다. 핵은 절대 밀도 값과 관계없이 항상 세포질 밀도의 약 80%만을 가지고 있다. "진핵생물계 전체의 10개 모델 시스템에서 이러한 일정한 비율을 발견했다는 사실은 이것이 세포의 근본적인 특성임을 시사한다"고 연구팀은 설명했다.
또한 이는 수정과 각 세포 분열 후 세포가 이 밀도 비율을 재조절하여 목표 값으로 되돌려야 한다는 것을 의미한다. 비스와스와 그의 연구팀은 발톱개구리 세포를 예로 들어 세포가 이러한 과정을 어떻게 더 자세히 수행하는지 연구했다.
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| ▲ Xenopus 난자 추출물에서 핵 형성 과정 중 밀도가 감소한다. 핵 형성의 여러 시점에서의 대표적 이미지다. DNA 형광 이미지(왼쪽 패널)와 NLS-GFP 형광 이미지(가운데 패널). RI 분포를 보여주는 재구성된 ODT 단층촬영의 중앙 단면(오른쪽 패널). 오른쪽 막대는 RI 범위를 나타낸다.(출처:Published: 15 August 2025 / Conserved nucleocytoplasmic density homeostasis drives cellular organization across eukaryotes) |
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| ▲ 그림 4: 삼투압적으로 활성인 용질 거대 분자는 핵의 밀도와 부피를 결정한다. f. FRET 프로브를 이용한 X. laevis(위)와 X. tropicalis(아래) 핵의 RanGTP 농도53. 색상 스케일: 형광 강도 범위. 라인 스캔은 FRET 비율 신호(강도FRET/강도CFP)를 정량화함. (출처:Published: 15 August 2025 / Conserved nucleocytoplasmic density homeostasis drives cellular organization across eukaryotes) |
세포는 두 단계로 밀도를 조절한다.
추가 분석 결과, 세포의 밀도 조절은 두 단계로 진행된다. 첫 번째 단계에서는 DNA가 풀리면서 핵과 세포질이 거의 같은 밀도에 도달한다. 두 번째 단계에서는 핵이 거대분자를 적극적으로 흡수하여 삼투압을 높이고 핵을 팽창시킨다. 핵의 부피는 세포질 대비 밀도 비율이 목표치에 도달할 때까지 증가한다. 비스와스와 연구팀이 확인한 바와 같이 발톱개구리의 경우, 이 과정에 약 15분이 걸린다.
또한 흥미로운 점은 레버의 보고다.
"효모 세포에서 인간 세포에 이르기까지 핵-혈장 밀도 비율은 일정하게 유지되지만, 질병에서는 차이가 나타난다." 나이가 들고 세포 스트레스가 발생하면 정상적인 비율이 역전되어 핵이 세포질보다 밀도가 높아진다. 이러한 현상의 원인과 그 메커니즘은 아직 규명되지 않았다.
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| ▲ h. 염색질이 압력 균형에서 이중 역할을 하는 방식을 보여주는 모식도. (i) 구속으로 인해 염색질 압력을 가하고, (ii) 핵수입에 영향을 미쳐 콜로이드 삼투압에 기여함으로써 독특한 핵단백질체를 확립하는 데 필요한 역할을 한다. 모든 기호는 평균 ± 표준편차(SEM)를 나타냅니다. 모든 척도 막대는 5µm이다. (출처:Published: 15 August 2025 / Conserved nucleocytoplasmic density homeostasis drives cellular organization across eukaryotes) |
목적은 여전히 미스터리
하지만 훨씬 더 근본적인 질문 또한 아직 풀리지 않았다. 세포가 핵과 세포질 사이의 일정한 밀도 비율을 유지하는 것이 왜 중요한가? 그리고 이 비율은 왜 모든 진핵생물에서 동일한가? 지금까지 비스와스와 그의 동료들은 단지 추측만 할 수 있었다. "이는 단순히 핵과 세포질 사이의 상대적인 단백질 분포에 따른 물리적 결과일 수도 있다"고 그들은 썼다.
이러한 현상에는 생물학적 이유가 있을 가능성도 있다. 일정 밀도 비율은 전사 및 번역 과정, 즉 유전자 해독과 밀접하게 연관되어 있기 때문에 진화했을 가능성이 있다. 전자는 핵에서, 후자는 세포질에서 일어나기 때문에 두 환경 모두 적절한 조건을 제공해야 한다. 반대로, 이러한 과정 자체가 세포 환경의 밀도에 영향을 미칠 수도 있다.
"전사, 리보솜 생합성, 단백질 합성, 그리고 수송 속도의 균형에 의해 밀도 분포가 어떻게 결정되는지 이해하는 것은 향후 연구를 위한 흥미로운 과제다"고 연구진은 설명했다.
참고: (Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-62605-0
출처: Nature Communications, Max Planck Institute for the Science of Light
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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