중앙대학교 동물생명공학과 방명걸 교수 연구팀이 처음으로 정자의 구조적 특성상 단백질 합성이 불가능하다는 현재까지의 기존 지식을 깨고 실시간으로 단백질을 합성할 수 있다는 사실을 21일 밝혔다. 또한 정자의 단백질 합성 변화에 따라 수태 능력 등 중요한 기능과 운명이 결정되므로 남성 불임의 진단, 원인 규명뿐만 아니라, 피임제 개발에도 중요한 단서를 제공할 수 있게 되었다. 

전 세계적으로 불임, 또는 계획되지 않은 임신은 가족을 계획하는 개인의 문제를 넘어, 치료 및 시술과 관련된 비용의 증가에 따라 사회적, 경제적 측면에서도 큰 영향을 미친다. 현재까지는 불임의 원인 규명 또는 피임제 개발에 있어 여성 중심의 연구가 많았지만, 임신의 결과에 있어 절반의 원인은 남성에서 비롯되기 때문에, 남성 불임의 원인을 규명하고, 이를 해결할 수 있는 안전하고 효과적인 방법을 개발하는 것은 여성의 불임 문제와 동등하게 중요하다. 

현재까지의 정설에 따르면, 정자는 부계 유전정보(DNA)를 효율적으로 전달하기 위해 정소 내 정자 형성과정 동안 이동에 불필요한 세포 소기관을 제거하고, 핵과 미토콘드리아만을 남겨놓는 것으로 알려져 있다. 또한, DNA는 프로타민(protamine)에 의해 고도로 응축되어 있어 전사(단일 가닥 DNA를 주형으로 삼아 특정 부분을 RNA로 합성하는 과정)가 불가능하며, 리보솜 등의 세포 소기관 부재로 인해 단백질 번역(mRNA가 단백질을 합성하는 과정) 또한 일어나지 않는 것으로 이해되어 왔다.

그러나 본 연구에서는 methionine의 대체물질인 Click-iT L-homopropargylglycine (HPG)을 활용한 fluorescent noncanonical amino acid tagging system (FUNCAT)을 적용하여, 정자의 수정능획득(정자가 난자 내로 진입하기 위한 생리적 기능적 변화) 과정 중 실시간으로 합성되는 단백질들을 직접 관찰하는 데 성공하였다. 특히, 수정능획득 과정의 시간 경과에 따른 단백질 변화를 단백질체학 분석을 통해 확인하였고, 이 중에서도 초기 단계에서 정자의 첨체 형성과 관련된 단백질들이 정자의 수정능력과 밀접한 관련이 있음을 밝혀냈다.

나아가, FUNCAT 시스템에 proximity ligation assay기법을 접목하여, 수정능획득에 따른 첨체 관련 단백질의 변화 양상을 실시간으로 정밀하게 관찰하였다. 그 결과, 수정능획득 과정에서 첨체 관련 단백질의 활발한 합성이 수정능력 유지에 필수적이었다. 이러한 단백질 합성이 초기 단계에서 정교하게 이루어지지 않을 경우 비정상적인 첨체 반응으로 인해 수정 실패가 발생할 수 있었다.

본 연구는 정자의 번역 능력에 대한 기존 패러다임을 전환하고, 수정능획득 과정에서의 단백질 합성의 역할을 새롭게 조명하는 중요한 단서를 제시한다.

한국연구재단 이공분야 대학중점연구소 사업 및 세종펠로우쉽 지원을 받아 실시된 이번 연구에는 중앙대학교 생명환경연구원의 박유진 연구교수가 제1저자, 방명걸 교수가 교신저자로 참여했다. 상세한 연구 내용은 학술지 Journal of Advanced Research((Impact Factor 11.4)에 3월 18일 온라인 출판되는 논문을 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 생물학연구정보센터(BRIC)가 선정하는 한빛사(한국을 빛낸 사람) 논문으로도 선정됐다.

 

방 교수는 “수정능획득 과정 동안 실시간으로 변화하는 단백질들의 발현이 전사체의 번역에 의해 나타나며, 이 변화가 정자의 수정능력과 밀접한 관련이 있음을 처음으로 규명하였다”라고 밝혔다. 이어 “이번 연구는 향후 여성 생식기관 내에서 정자가 수정에 참여하기까지의 여정에서 어떻게 상호 경쟁하고 선택되는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 진화적으로 자손의 수정능력과의 연관성을 밝히는 데도 활용될 수 있다”고 덧붙였다.

 

또한 방 교수는 “이번 결과가 정자의 수정능력 등 기능을 조절하거나, 새로운 기전의 피임제 개발을 위한 핵심 기초자료로 활용되기를 기대한다”고 말했다.