미토콘드리아, 어디까지 알고있니?

‘근육 줄기세포’의 활성화 조절

[객원 에디터 4기 / 박서연 기자] 미토콘드리아란, 세포의 소기관 중 하나로써 매우 큰 역할을 해내는 필수적인 존재이다. 이러한 미토콘드리아에 대해 일반적으로 알려진 기능은 무엇이 있을까? 

먼저, 세포는 기본적으로 생명을 유지하는 데 에너지가 필요하다. 그런데 열에너지, 전기 에너지를 제외한 일부 에너지만을 사용할 수 있기 때문에 흩어져 있는 에너지를 실제로 세포가 사용할 수 있는 형태의 에너지로 바꾸는 작용이 필요하다. 

화학작용은 ADP + 산소 + 인산 = 이산화탄소 + ATP이다. 이때, 세포가 사용할 수 있는 에너지가 바로 ATP이며, 유기물의 화학 에너지를 이용하여 ATP를 만드는 작용이 세포 호흡이다. 이때, ADP란 ATP(아데노신3인산)에서 1분자의 인산이 빠진 분해 산물이며 ATP는 아데노신 3인산(adenosine triphosphate)의 약자로, 모든 생명체 내에 존재하는 유기화합물을 뜻한다. 따라서 미토콘드리아는 생명 활동에 필요한 ATP를 합성하는, 즉 세포 호흡을 담당하는 세포 소기관이라고 말할 수 있다.

미토콘드리아는 세포에서 분리되어 pH9의 수용액에 넣어 자신의 내부를 pH9으로 만든다. 이후 pH9 된 미토콘드리아를 pH7의 수용액으로 옮기고, ADP와 무기 인산을 공급함으로써 H+이 확산하면서 미토콘드리아의 ATP 농도가 짙어지는 것이다.

미토콘드리아에 문제가 생겨 세포 호흡이 비정상적으로 이루어지면 신진대사율이 엄청나게 높아져서 추위를 안 타는 경우가 생기고 쓸데없는 열량 소비로 금세 마르고 쉽게 지친다. 필요한 ATP가 충분히 생성되지 않으니, 이를 보충하고자 세포 호흡을 더 많이 해야 하기 때문이다.

또한, 최근에 보고된 바로는 미토콘드리아는 근육 줄기세포에도 관여한다. 미토콘드리아는 다른 미토콘드리아와 융합하기도 하고, 단백질과 폴리 리보솜이 풍부한 조건에서는 새로운 미토콘드리아가 생기는 것을 관찰할 수 있었다. 그런데 지금까지 과학자들은 미토콘드리아의 이러한 분열과 융합이 어떤 작용을 하는지 잘 몰랐다. 

하지만 최근에 미토콘드리아의 이런 형태 변이가 휴면 상태로 있던 성체 ‘근육 줄기세포'(MuSCs: muscle stem cells)의 활성화 조절에 결정적인 역할을 수행한다는 사실이 드러났다. 인체 조직의 안정성을 유지하는 데 필수적인 근육 줄기세포는 보통 ‘휴지'(quiescence) 상태로 있으면서 자신을 보호한다. 그러다가 질병 등으로 손상된 조직을 복구하거나 재생할 필요가 있을 때 깨어나 활성화한다. 근육 줄기세포는 휴면 상태의 균형이 유지돼야 오래 살아남을 수 있다. 

지난 7일 미국 과학진흥협회(AAAS) 사이트에 공개된 논문을 보면 MuSCs는 근육 재생과 복구의 원료가 되는 독특한 원시 세포이다. 미토콘드리아는 ‘분사 분열'(fragmentation)이라는 형태의 변이로 MuSCs를 유지하고 기능 활성화를 제어했다. 결과적으로 미토콘드리아 단백질 중 하나인 OPA1는 MuSCs의 휴면 상태를 제어한다는 사실이 확인됐다. 이 단백질이 지속해서 손실되어 미토콘드리아가 계속 분사 분열을 일으키면 MuSCs에 심한 결함이 생기는 모습을 보였다. 미토콘드리아의 융합을 제어하는 OPA1 단백질이 근육 줄기세포의 유지와 기능 발휘에 관여한다는 건 처음 밝혀진 사실이기에 더욱 주목받고 있다. 

아래 그림은 킬러 T세포 제어에 있어 미토콘드리아의 관여 메커니즘을 보여주는 그래픽이다.

이에 대해 과학자들은 OPA1 단백질, 그리고 미토콘드리아가 노화 과정에 관여한다고 해석하여 노화 과정에서의 근육 위축을 치료하기 위해 더 많은 연구를 진행 중이다.