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지난 글에서는 세포 안의 작은 길을 따라 화물을 운반하는 키네신(kinesin)을 살펴봤습니다. 키네신이 미세소관 위를 걸으며 단백질과 세포 소기관을 필요한 장소로 운반하는 모습을 보면, 세포 안에도 정교한 물류 시스템이 있다는 사실이 신기하게 느껴집니다.

그런데 물건을 바깥으로 보내는 운반자가 있다면, 반대 방향으로 돌아오는 운반자도 필요하지 않을까요? 세포에는 키네신과 반대 방향으로 움직이는 또 하나의 분자 모터가 있습니다. 바로 다이닌(dynein)입니다.

키네신을 새로 만든 물건을 외곽으로 보내는 배송 기사에 비유한다면, 다이닌은 사용한 물건을 회수하고 외곽에서 들어온 중요한 신호를 본부로 전달하는 기사에 가깝습니다.

그렇다면 다이닌은 세포 안에서 어느 방향으로 움직이며, 무엇을 운반할까요? 키네신과 다이닌은 같은 길 위에서 서로 충돌하지 않을까요?

다이닌이란 무엇일까?

다이닌은 세포 안에서 물질을 이동시키는 분자 모터 단백질입니다. 사람이 움직일 때 근육이 에너지를 사용하는 것처럼, 다이닌도 세포의 에너지원인 ATP(아데노신삼인산)를 사용합니다. ATP가 결합하고 분해되는 과정에서 다이닌의 구조가 변하고, 그 힘으로 미세소관을 따라 이동합니다.

다이닌이 이용하는 길은 미세소관(microtubule)입니다. 미세소관은 세포의 형태를 지탱하는 세포골격이면서, 단백질과 소기관이 이동하는 통로이기도 합니다. 세포 안에 깔린 철도나 고속도로와 비슷한 역할을 한다고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

다이닌은 이 길을 따라 다음과 같은 화물을 운반합니다.

다이닌을 단순한 ‘쓰레기 수거차’라고만 설명하기는 어렵습니다. 분해가 필요한 물질의 이동을 돕기도 하지만, 세포가 살아남기 위해 필요한 중요한 정보도 운반하기 때문입니다.

다이닌에도 여러 종류가 있다

다이닌이라는 이름 아래에는 역할이 다른 여러 종류의 단백질이 포함됩니다.

세포질 다이닌-1

일반적으로 세포 내 화물 운반을 이야기할 때 말하는 다이닌입니다. 세포질 다이닌-1(cytoplasmic dynein-1)은 소기관, 소낭, 단백질 복합체와 RNA 등을 미세소관의 마이너스 말단 방향으로 운반합니다. 신경세포의 역행성 수송과 세포분열 과정에도 중요한 역할을 합니다.

세포질 다이닌-2

세포질 다이닌-2(cytoplasmic dynein-2)는 섬모 내부에서 이루어지는 물질 수송에 관여합니다. 섬모 끝으로 운반된 구성 요소를 다시 섬모의 바닥 방향으로 가져오는 역행성 섬모 내 수송을 담당합니다.

축삭 다이닌

축삭 다이닌(axonemal dynein)은 세포 안의 화물을 운반하는 대신, 섬모와 편모 자체를 움직이게 합니다. 호흡기 점막의 섬모가 점액과 이물질을 밀어내거나 정자의 꼬리가 움직이는 데에도 축삭 다이닌의 힘이 필요합니다.

이름은 모두 다이닌이지만, 세포질 다이닌과 축삭 다이닌은 담당하는 일이 다릅니다.

미세소관에도 방향이 있다

다이닌의 이동 방향을 이해하려면 먼저 미세소관의 구조를 알아야 합니다. 미세소관은 양쪽이 완전히 똑같은 관이 아닙니다. 한쪽에는 플러스(+) 말단, 반대쪽에는 마이너스(-) 말단이라는 방향성이 있습니다.

중심체에서 미세소관이 방사형으로 뻗는 전형적인 세포에서는 마이너스 말단이 주로 핵 주변의 세포 중심부에 있고, 플러스 말단은 세포막에 가까운 외곽을 향합니다. 대부분의 키네신은 플러스 말단을 향해 움직이고, 세포질 다이닌-1은 마이너스 말단을 향해 움직입니다.

이를 일반적인 세포에 적용하면 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

다만 이것은 이해를 돕기 위한 기본 원리입니다. 모든 세포의 미세소관이 똑같이 배열된 것은 아닙니다. 특히 신경세포의 수상돌기처럼 미세소관의 방향이 혼합된 곳도 있습니다. 일부 키네신은 다른 키네신과 달리 마이너스 말단을 향해 움직이기도 합니다.

따라서 “키네신은 무조건 바깥쪽, 다이닌은 무조건 중심부로 간다”고 단정하기보다, 일반적인 경향으로 이해하는 것이 정확합니다.

키네신과 다이닌의 차이

키네신과 다이닌은 모두 ATP를 사용하고 미세소관을 따라 움직이는 분자 모터입니다. 그러나 주요 이동 방향과 구조, 담당하는 화물에서 차이가 있습니다.

‘키네신은 배송 기사이고 다이닌은 회수 기사’라는 비유는 두 단백질의 차이를 처음 이해할 때 유용합니다. 그러나 다이닌이 운반하는 것이 모두 폐기물은 아닙니다. 세포 외곽에서 감지한 생존 신호처럼 세포의 운명을 결정하는 중요한 정보도 중심부로 전달합니다.

조금 더 정확하게 표현하면 다음과 같습니다.

키네신이 주로 세포 중심에서 외곽으로 물자를 배송한다면, 다이닌은 외곽의 물질을 회수하고 그곳에서 들어온 중요한 소식을 세포 본부로 전달합니다.

거대한 다이닌도 혼자서는 제대로 달리지 못한다

다이닌은 분자 모터 가운데서도 매우 크고 복잡한 구조를 가집니다. 두 개의 무거운 사슬이 결합해 모터를 이루며, ATP를 사용해 미세소관과 결합하고 떨어지는 과정을 반복합니다. 이 과정에서 다이닌은 키네신처럼 일정한 보폭으로 반듯하게 걷기보다는 옆걸음을 섞어 불규칙하게 이동하기도 합니다.

그런데 포유류의 세포질 다이닌은 혼자 있다고 해서 화물을 싣고 장거리를 능숙하게 달리는 것이 아닙니다. 효율적인 이동을 위해서는 다이낙틴(dynactin)과 활성 어댑터(activating adaptor)가 필요합니다.

다이낙틴은 다이닌이 미세소관을 따라 안정적으로 이동하도록 돕는 단백질 복합체입니다. 활성 어댑터는 다이닌과 다이낙틴을 연결하고, 운반해야 할 화물을 선택하는 데 관여합니다.

이를 화물차에 비유하면 다음과 같습니다.

이들이 하나의 복합체를 형성해야 다이닌이 특정 화물을 싣고 미세소관 위를 장거리로 이동할 수 있습니다.

키네신과 다이닌은 서로 줄다리기를 할까?

하나의 화물에 키네신과 다이닌이 동시에 붙어 있는 경우도 있습니다. 한쪽은 플러스 말단 방향으로, 다른 한쪽은 마이너스 말단 방향으로 움직이려 하니 두 모터가 서로 줄다리기를 하는 것처럼 보입니다. 실제로 힘의 균형에 따라 화물의 이동 방향이 달라지는 줄다리기 모델로 설명되는 현상도 있습니다.

하지만 세포 내 수송을 단순히 힘이 센 쪽이 이기는 경쟁으로만 볼 수는 없습니다. 세포는 여러 조절 단백질과 신호를 이용해 특정 모터를 활성화하거나 억제합니다. 화물의 종류와 위치, 세포의 상태에 따라 키네신과 다이닌의 작동이 교대로 조절될 수 있습니다.

한 모터가 완전히 떨어졌다가 반대쪽 모터가 움직이는 경우도 있고, 두 모터가 모두 붙어 있지만 한쪽의 활동이 더 강하게 조절되는 경우도 있습니다. 따라서 오늘날에는 키네신과 다이닌의 관계를 단순한 줄다리기보다 정교하게 조율되는 양방향 운송 시스템으로 설명합니다.

세포 안의 화물이 잠시 앞으로 움직였다가 뒤로 돌아가는 모습도 무질서한 실수가 아니라, 목적지를 찾고 장애물을 피하며 운송을 조절하는 과정일 수 있습니다.

신경세포에서 다이닌이 특히 중요한 이유

신경세포는 긴 축삭을 통해 물질과 신호를 주고받으며, 성장 과정에서는 성장원뿔과 시냅스가 연결 형성에 관여합니다.

신경세포는 세포체에서 뻗어 나온 축삭이 매우 깁니다. 사람의 운동신경세포 중에는 축삭의 길이가 1m 가까이 되는 것도 있습니다. 그러나 단백질을 만들고 세포의 주요 기능을 관리하는 본부는 대부분 세포체에 있습니다. 축삭 말단에서 문제가 생기거나 외부 신호를 감지해도, 그 소식이 세포체까지 전달되지 않으면 세포는 적절하게 대응하기 어렵습니다.

신경세포의 운송은 크게 두 방향으로 나눌 수 있습니다.

순행성 수송

세포체에서 축삭 말단을 향하는 이동입니다. 주로 키네신이 새로 만든 단백질, 신경전달물질을 담은 소낭과 세포 소기관 등을 축삭 말단으로 운반합니다.

역행성 수송

축삭 말단에서 세포체를 향해 돌아오는 이동입니다. 주로 다이닌이 엔도솜과 신호 복합체, 자가포식 관련 소낭 등을 세포체 방향으로 운반합니다.

축삭 말단에서 받아들인 신경영양인자의 신호도 엔도솜 형태로 세포체에 전달될 수 있습니다. 이 신호는 신경세포의 성장과 생존, 유전자 발현 조절에 영향을 줄 수 있습니다.

다이닌은 단순히 사용한 물건을 치우는 회수 차량이 아니라, 멀리 떨어진 축삭 말단의 상황을 세포체에 알리는 통신망의 일부인 셈입니다.

손상된 미토콘드리아도 다이닌이 회수할까?

신경세포의 축삭 말단에서는 많은 에너지가 필요하기 때문에 미토콘드리아의 상태가 중요합니다. 기능이 떨어지거나 손상된 미토콘드리아는 품질 관리 과정을 거쳐 제거되어야 합니다. 이때 손상된 미토콘드리아 자체가 이동하기도 하고, 미토콘드리아를 둘러싼 자가포식소체가 세포체 방향으로 이동하면서 분해 능력을 갖추기도 합니다.

다이닌은 엔도솜, 자가포식소체 및 리소좀의 위치와 이동에 관여해 이러한 분해 과정이 원활하게 진행되도록 돕습니다.

그러나 이를 “다이닌이 세포 속 쓰레기를 주워 리소좀에 버린다”고만 표현하면 과정이 지나치게 단순해집니다. 보다 정확하게는 다이닌이 분해 대상과 관련 소기관을 적절한 장소로 이동시켜, 서로 만나고 성숙하며 분해될 수 있도록 돕는다고 이해하는 것이 좋습니다.

일부 바이러스도 다이닌을 이용한다

세포 안으로 들어온 일부 바이러스는 스스로 이동할 수 없습니다. 대신 숙주 세포의 미세소관과 분자 모터를 이용해 세포 안쪽으로 이동합니다. 바이러스 입자가 직접 운송 단백질과 상호작용하기도 하고, 바이러스가 들어 있는 소낭이 다이닌을 통해 핵 주변으로 이동하기도 합니다.

아데노바이러스와 헤르페스바이러스 등을 포함한 여러 바이러스에서 이러한 세포 내 이동 방식이 연구되었습니다. 다만 모든 바이러스가 동일한 방식으로 다이닌을 이용하는 것은 아닙니다. 감염 단계와 세포 종류에 따라 키네신을 함께 이용하거나 다른 운송 경로를 사용할 수도 있습니다.

바이러스가 새로운 이동 장치를 만든 것이 아니라, 원래 세포가 사용하던 정교한 물류망에 올라탄 셈입니다.

다이닌은 세포분열에도 참여한다

세포가 둘로 나뉠 때에는 복제된 염색체를 양쪽에 정확하게 나누어야 합니다. 이 과정에서 미세소관으로 이루어진 방추체가 형성됩니다. 다이닌은 세포의 피질 부위와 방추체, 염색체 주변 등에서 힘을 만들어 방추체의 위치와 방향을 조절합니다.

염색체가 제대로 분리되도록 돕고, 분열축이 올바르게 배치되도록 하는 것도 다이닌의 중요한 기능입니다. 다이닌은 물건만 나르는 운반자가 아니라, 필요할 때 미세소관을 잡아당기고 세포 내부 구조의 위치를 조절하는 힘의 발생 장치이기도 합니다.

호흡기의 섬모와 정자의 꼬리도 다이닌이 움직인다

호흡기 점막의 표면에는 섬모라는 매우 작은 털이 있습니다. 섬모는 일정한 방향으로 움직이며 점액에 붙은 먼지와 미생물을 밖으로 밀어냅니다. 정자의 편모 역시 반복적으로 굽혀지며 정자가 앞으로 나아가게 합니다.

이 움직임을 만드는 것이 축삭 다이닌입니다. 축삭 다이닌은 이웃한 미세소관 사이에서 힘을 만들어 미세소관이 서로 미끄러지도록 합니다. 섬모와 편모의 구조가 이 미끄러짐을 굽힘 운동으로 바꾸면서 물결치는 움직임이 나타납니다.

축삭 다이닌 관련 유전자에 이상이 생기면 섬모가 제대로 움직이지 못할 수 있습니다. 대표적인 질환이 원발성 섬모운동 이상증(primary ciliary dyskinesia)입니다. 이 질환에서는 기도의 점액과 이물질을 밖으로 밀어내는 기능이 떨어져 반복적인 호흡기 감염, 만성 부비동염과 기관지확장증 등이 나타날 수 있습니다.

배아 발달 초기의 섬모 운동도 좌우 장기 배치를 결정하는 데 관여합니다. 이 과정에 문제가 생기면 일부 환자에게서 심장이나 장기의 위치가 좌우로 바뀌는 내장 역위가 나타날 수 있습니다.

다이닌 이상은 신경질환의 원인이 될까?

다이닌 또는 다이낙틴을 구성하는 특정 유전자에 병적 변이가 생기면 희귀 유전질환이 발생할 수 있습니다.

예를 들어 DYNC1H1 유전자 변이는 하지 우세 척수성 근위축증과 일부 신경발달장애, 말초신경질환 등과 관련됩니다. 다이낙틴 구성 요소를 만드는 DCTN1 유전자 변이는 페리증후군을 비롯한 일부 희귀 신경질환의 직접적인 원인이 될 수 있습니다.

반면 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병과 ALS 같은 신경퇴행성 질환은 이야기가 다릅니다. 이러한 질환에서 축삭 수송 장애와 미세소관 변화, 자가포식 및 소기관 이동의 이상이 관찰되지만, 이를 모두 다이닌 하나의 고장으로 설명할 수는 없습니다.

수송 장애가 질환의 시작에 관여할 수도 있고, 이미 손상된 신경세포에서 이차적으로 나타나 병을 악화할 수도 있습니다. 질환마다 원인과 진행 과정이 복잡하기 때문에 현재의 근거만으로 “다이닌이 고장 나면 치매가 생긴다”고 말하는 것은 정확하지 않습니다.

더 적절한 표현은 다음과 같습니다.

신경퇴행성 질환에서는 세포 내 운송 장애가 자주 관찰되며, 다이닌을 포함한 축삭 수송 시스템이 질환의 발생과 진행에 어떤 영향을 미치는지 연구되고 있습니다.

다이닌을 활성화하는 영양제가 있을까?

다이닌이 신경세포의 물질 수송과 세포 청소 과정에 관여한다는 설명을 들으면, 다이닌을 강화하거나 활성화하는 영양제를 찾고 싶어질 수 있습니다.

그러나 현재 일반인이 복용할 수 있는 영양제 가운데 다이닌의 기능을 직접 강화하거나 활성화한다고 입증된 제품은 없습니다. 오메가3, 항산화 성분 또는 특정 비타민이 전반적인 신경 건강과 관련해 연구되더라도, 이를 ‘다이닌 영양제’나 ‘세포 운송 활성제’라고 표현해서는 안 됩니다.

다이닌은 여러 단백질과 세포 신호에 의해 정교하게 조절되는 거대한 운송 시스템의 일부입니다. 하나의 영양소를 먹는다고 분자 모터의 작동 속도가 선택적으로 빨라지는 구조가 아닙니다.

다이닌은 회수 담당자이자 세포의 통신망이다

키네신과 다이닌은 서로 반대 방향으로 움직이지만, 경쟁만 하는 존재는 아닙니다. 키네신이 세포 안에서 만든 물자를 필요한 장소로 보낸다면, 다이닌은 외곽에 있는 물질을 중심부로 회수하고 그곳에서 발생한 중요한 신호를 세포체에 전달합니다.

두 분자 모터가 함께 작동하기 때문에 세포는 필요한 물질을 보내고, 다시 가져오며, 손상된 구성 요소를 처리할 수 있습니다. 우리 눈에는 가만히 있는 것처럼 보이는 세포 안에서 수많은 다이닌과 키네신이 ATP를 사용하며 끊임없이 움직이고 있습니다.

세포 하나가 유지되기 위해서는 물질을 만드는 능력뿐 아니라, 그것을 정확한 장소로 보내고 다시 회수하는 능력도 필요합니다. 다이닌은 바로 그 돌아오는 길을 담당하는 세포 속 작은 운반자입니다.