같은 항생제 써도 세포마다 반응 다른 이유 밝혀져

KAIST, 세포 간 이질성-신호 전달 과정 반응 속도 제한 단계 수 비례 밝혀

같은 유전자를 가진 세포들도 같은 외부 자극에 서로 다르게 반응하는 경우가 있다. 이는 항암 치료를 위한 화학요법을 적용할 때 암 세포의 완전 사멸을 가로막기도 한다. 국내 연구진이 이러한 현상이 나타나는 이유를 밝혔다. 

KAIST(총장 이광형)는 수리과학과 김재경 교수 연구팀이 외부 자극에 대한 세포 간 이질성의 크기가 세포 내 신호 전달 과정의 반응 속도 제한 단계의 수에 비례한다는 사실을 규명했다고 21일 밝혔다.

몸 속 세포는 항생제 투여나 삼투압 변화 등 다양한 외부 자극에 반응하는 신호 전달 체계를 갖고 있다. 신호 전달 체계는 세포와 외부 환경의 상호 작용에 핵심 역할을 한다.

세포 간 이질성과 세포마다 다른 약물에 대한 반응성 (자료=KAIST)

같은 외부 자극을 세포들에 가해도 반응하는 정도가 다르기 때문에 약물에 대해 이질적인 반응을 보이거나 약물 내성이 강한 존속성 세균이 발생하는 일이 생긴다. 이러한 현상을 유발하는 세포 간 이질성의 원인을 찾기 위해 많은 시도가 있었다. 특히 신호 전달 체계를 이루는 많은 중간 과정들이 영향을 미친다는 것이 제안됐으나, 실험적으로 모든 중간 과정을 직접 관측하는 것이 현재 기술로는 불가능한 상황이다. 

김 교수 연구팀은 이 문제 해결을 위해 세포 내 신호 전달 체계를 묘사하는 큐잉 모형(Queueing model)을 개발했다. 개발된 큐잉 모형을 바탕으로 통계적 추정 방법론인 베이지안 모형과 혼합 효과 모형을 결합, 신호 체계의 중간 과정을 관측하지 않고도 신호 체계를 분석할 수 있는 컴퓨터 소프트웨어(MBI)를 개발했다. 

이를 이용해 분석한 결과, 연구팀은 신호 전달 체계를 구성하는 속도 제한 단계의 수가 늘어날수록 외부 자극에 반응하는 세포 간 이질성도 커진다는 사실을 밝혔다. 속도 제한 단계는 신호 전달 체계에 관여하는 수많은 중간 과정 중 진행 속도가 가장 느려 전체 신호 전달 속도에 가장 큰 영향을 미치는 단계를 말한다.  

세포 신호 전달 단계를 기술한 수리 모형 (자료=KAIST)

김 교수팀은 이어 실제 대장균의 항생제 반응 실험 데이터를 이용해 결과를 검증했다. 이러한 연구 결과는 항생제 내성 세균 연구에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 예상된다. 

김 교수는 "항암 치료에 중요하게 고려되는 세포 간 이질성에 대한 이해를 수리 모델을 통해서 높인 연구"라며 "이번 성과를 통해 항암 치료 개선 방안이 개발되기를 기대한다"라고 말했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다. KAIST 김대욱 박사와 홍혁표 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 온라인판에 실렸다.