전정색소체

전정색소체는 광합성을 하지는 않지만 엽록체와 매우 비슷한 기관으로, 대부분의 정단복합체충류(apicomplexa)에 존재한다. 미토콘드리아(mitochondria)나 엽록체(chloroplasts)와 마찬가지로 전정색소체는 고유의 원형(circular) DNA를 가지고 있는데 이 DNA 서열은 식물이나 조류(algae)에 존재하는 광합성 기관인 색소체(plastid)의 DNA와 비슷하다. 조류나 식물에서 색소체는 광합성 뿐만 아니라 다른 기능도 수행하고 있는데, 이처럼 전정색소체가 지질 생합성(lipid biosynthesis)이나 철 대사(iron metabolism)에 관여한다는 사실이 밝혀졌다.

그림 1. 플라스모디움 종의 형태와 유전체 구성을 나타낸 그림. 정단복합체충류(apicomplexan)인 플라스모디움 종은 핵의 유전체(ncDNA), 미토콘드리아 유전체(mtDNA), 전정색소체 유전체(apDNA)의 세 종류의 유전체를 가진다. (그림: 이한주/서울대)

목차

1960년대에 광학현미경과 전자현미경을 통해 정단복합체충류(apicomplexa)의 세포 구조를 연구하다 미토콘드리아와는 다른 세포 소기관 같은 구조를 발견하였다. Scholtyseck 와 Piekarski가 1965년에 처음으로 Eimeria에서 발견하였고, 후에 Araxie Kilejian이 1975년에 조류 말라리아(avian malaria)의 원인이 되는 Plasmodium lophurae에서 발견하였다. 하지만 당시에는 이것의 DNA가 기생충 미토콘드리아의 유전체라고 여겨졌었다. 1987년에 새로 35 kb의 원형 DNA가 발견되었는데, 이것이 실제 미토콘드리아의 DNA임이 밝혀졌고, Malcolm Gardner가 이 원형 DNA의 서열이 식물이나 조류의 색소체 유전자와 비슷하다는 사실을 밝혔다. 따라서 이 새로운 원형 DNA가 미토콘드리아에서 유래한 것이 아니고, 아직까지 알려지지 않았지만 색소체와 유사성을 가지고 있는 세포 내 소기관의 일부라는 가설이 세워졌다. 이후 이 35 kb의 원형 DNA가 미토콘드리아와는 별개로 존재한다는 사실을 확인하였고, 1997년, Sabin Köhler와 그녀의 동료들은 이 세포소기관을 apicomplexa와 plastid의 합성어인 'apicoplast'라고 명명했다. 

전정색소체는 지름이 0.15~1.5 μm로 작은 타원 모양의 세포소기관으로 핵 부근에 위치하고 있으며, 미토콘드리아와 밀접하게 연관되어 있다. 4개의 막으로 둘러 쌓여 있는데, 가장 안쪽의 두 개의 막은 각각 inner envelope membrane (IEM)과 outer envelope membrane (OEM)으로 불리고, 이는 색소체의 막에서 유래되고 가장 바깥쪽의 막은 phagosome에서 유래한 것으로 생각된다. 전정색소체가 이렇게 여러 개의 막을 갖게 된 이유를 세포 내 공생설(endosymbiosis)로 설명할 수 있다. 처음 세포 내 공생으로 남세균(cyanobacteria)이 진핵세포로 들어가 색소체가 된 이후에, 내부에 이 색소체를 포함한 진핵세포가 또 다른 진핵세포의 내부로 들어가게 되어 두 차례의 세포 내 공생이 일어나 전정색소체가 되었다고 여겨진다.

그림 2. Plasmodium에서 미토콘드리아와 관련이 있는 apicoplast의 물질대사 (그림: 서창완/서울대)

전정색소체의 기능에 대해서는 아직 정확히 알려진 바가 없지만, 이는 기생충이 살아가는데 있어서 필수적인 요소이다. 전정색소체는 지방산, 아이소프레노이드 전구체, 헴(heme), 철-황 클러스터(iron-sulphur cluster) 같은 필수적인 세포 구성 요소들을 만들어낸다. 

전정색소체의 모든 대사 경로(metabolic pathway) 중에서 Type Ⅱ fatty acid synthesis (FASⅡ)가 가장 잘 알려져 있다. 일반적인 진핵생물에서 보이는 cytosolic type 1 pathway에서 지방산 합성효소들은 거대한 다기능적인 폴리펩타이드로 이루어져 있지만, 전정색소체의 FASⅡ pathway의 효소들은 이와 달리 여러 요소들로 나누어져 있다.

아이소프레노이드는 아이소프렌을 구성단위로 하는 화합물이며, 많은 효소의 보결분자단(prosthetic group)이다. 또한 전자전달에 관여하는 유비퀴논(ubiquinone)과 당단백질을 합성하는데 필요한 돌리콜(dolichol)의 전구체이다. 전정색소체 내에 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate (DOXP) 효소의 존재가 밝혀졌고, 이는 전정색소체가 아이소프레노이드 합성에 관여하는 MEP 경로를 가지고 있다는 사실을 뒷받침한다.

전정색소체의 proteome에서 ferredoxin (Fd), LipA, IspG, IspH 같은 철-황 클러스터를 형성하는데 필요한 단백질들이 확인되었고 SufB나 Orf470을 포함한 다양한 철-황 클러스터 생합성 효소들이 전정색소체 유전체에서 확인되었다. 또한 핵에서 합성된 철-황 클러스터를 포함하는 단백질들이 풀린 상태(unfolded-state)로 전정색소체로 이동하는 것으로 보아 전정색소체가 철-황 클러스터 합성에 관여하는 것으로 보인다.

철-황 클러스터처럼, 헴은 사이토크롬을 포함한 다양한단백질에 중요한 보결분자단이다. 헴을 만드는 초기 경로는 미토콘드리아에서 시작되나, 이후 일부 반응은 전정색소체에서 일어난다.

전정색소체는 엽록체, 남세균(cyanobacteria)과 진화적으로 유사하기 때문에 이미 알려진 항생제나 제초제의 새로운 표적으로 주목받고 있다. 남세균과 식물의 엽록체와 마찬가지로, 전정색소체는 대부분의 항균제(antibacterial)에 민감하다. 많은 항균제들이 이미 잘 알려진 작용방식으로 안전성이 알려져 있기 때문에 apicomplexan 기생충 감염을 치료하기 위해 어떤 항균제가 유용할지 빠르게 결정할 수 있다. 선택적인 제초제들 역시 특별히 색소체의 물질대사를 치료적 표적으로 삼을 수 있다. 전정색소체는 숙주와 기생충을 구분짓는 중요한 특징을 보이기 때문에 새로운 치료적 대안을 위한 표적이 될 수 있다. 

엽록체(chloroplasts), 광합성, 남세균(cyanobacteria), 헴(haem), 미토콘드리아(mitochondria) 

양철수/한양대학교

정우현/덕성여자대학교