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[IT뉴스][표지로 읽는 과학] 빨강·초록·파랑 보는 단백질 구조 비밀 풀렸다

온카뱅크관리자

2026-06-28 08:07:30

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 사이언스 제공
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 이번주 국제학술지 '사이언스' 표지에는 빨강·초록·파랑 '옵신'이 만화경처럼 배치된 삽화가 실렸다. 옵신은 빛을 감지해 색을 구분하도록 돕는 광수용체 단백질로 밝은 환경에서 작동하는 망막 원뿔세포에 들어있다. 세 종류가 존재하며 각각 긴 파장(빨강)·중간 파장(초록)·짧은 파장(파랑) 빛에 대응한다.
 인간이 색을 구분하는 세포·생화학적 과정은 비교적 많이 연구됐지만 원뿔세포 속 옵신이 어떻게 특정 파장의 빛에 맞춰 조절되고, 얼마나 빠르게 신호를 전달하는지는 분자 구조가 충분히 밝혀지지 않아 설명에 한계가 있다.
 이번주 사이언스에 실린 세 편의 논문은 옵신 구조 관련 공백을 메운 연구로 평가된다. 인간과 비인간 영장류의 원뿔세포 옵신 구조를 각각 비활성 상태와 활성 상태에서 분석해 빨강·초록·파랑 계열 빛을 구분하는 분자적 원리와 시각 신호 전달 과정을 규명했다.
 스위스 폴셰러연구소 연구팀은 진화적·기능적으로 가장 크게 분화된 인간 원뿔세포 옵신 두 종류를 극저온 전자현미경(cryo-EM)으로 분석한 연구를 발표했다. 단파장에 민감한 'OPN1SW'와 중파장에 민감한 'OPN1MW' 로 각각 청색과 녹색 감지에 관여하는 옵신이다.
 극저온 전자현미경은 세포·단백질 등 생체 시료를 영하 180도 이하의 극저온 상태로 빠르게 얼려 세포 구조 손상 없이 정밀 관찰하는 전자현미경이다.
 분석 결과 두 옵신은 빛 신호를 받아들이고 전달하는 방식이 서로 달랐다. OPN1SW는 신호 전달 구조가 일부 단순화돼 빠르게 활성화할 수 있는 상태를 유지하는 것으로 나타났다.
 OPN1MW는 결합 부위 안에 염소 이온이 존재했다. 염소 이온은 감지하는 빛의 파장과 신호 세기를 조절하는 역할을 하는 것으로 드러났다.
 두 수용체 모두 빛을 감지한 뒤 빛을 흡수하는 물질인 레티날을 빠르게 재생·교체할 수 있는 구조를 갖추고 있어 밝은 환경에서도 지속적으로 시각 신호를 만들어낼 수 있는 것으로 확인됐다. 레티날은 빛을 받으면 구조가 바뀌며 시각 신호 생성을 시작하지만 이후 다시 빛을 감지하려면 원래 구조로 다시 재생돼야 한다.
 일본 나고야공대 연구팀은 인간과 유사한 시각 체계를 가진 '마카크 원숭이'의 적색·녹색 원뿔세포 옵신 구조를 초저온 전자현미경으로 분석한 연구를 공개했다. 연구팀은 적색과 녹색을 구별하는 능력이 분자 수준에서 어떻게 작동하는지 밝히고자 했다.
 분석 결과 적색·녹색 옵신은 아미노산 서열이 거의 같은데도 빛 흡수 파장이 약 30나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1미터) 차이가 났다. 연구팀은 레티날 근처에 있는 아미노산 하나가 주변 전기장을 바꿔 흡수 파장 차이를 만들어낸다는 것을 확인했다. 그 외 미세한 아미노산 차이들이 조금씩 영향을 주는 것으로 분석됐다.
 연구팀은 원뿔세포 옵신에만 존재하는 틈새 구조도 발견했다. 틈을 통해 레티날이 빠르게 교체되면서 밝은 환경에서도 시각 신호가 끊기지 않고 재생성됐다.
 앞선 두 연구가 비활성 상태의 옵신을 연구했다면 중국 난창대 연구팀은 인간 원뿔세포 옵신 세 종류의 활성화 상태 구조를 극저온 전자현미경으로 분석했다. 옵신이 빛을 받아 실제로 신호를 전달하는 순간의 구조를 포착했다.
 세 옵신 모두 기본 구조는 비슷하지만 활성화 방식이 달랐다. 장파장과 중파장 옵신은 신호 전달 시 아미노산 'E102'가 핵심 역할을 하지만 단파장 옵신은 다른 위치에 있는 아미노산 'E178'이 신호 전달을 담당했다.
 단파장 옵신은 레티날 주변에 '세린'이라는 아미노산 종류가 많아 활성 상태가 안정적으로 유지됐다. 다른 옵신에는 존재하지 않는 '이황화 결합'으로 구조적 제약이 생겨 청색 파장에 민감한 것으로 나타났다.
 연구팀은 세 옵신의 활성화 상태 구조 차이로 인해 감지 파장 차이가 나타난다고 설명했다. 나아가 이번 구조 분석이 원뿔세포 이상으로 생기는 색각 이상 등 시각 질환의 분자적 원인을 규명하는 데도 도움이 될 것으로 기대했다.  
 &lt;참고 자료&gt; doi.org/10.1126/science.adz3624 doi.org/10.1126/science.adz8141 doi.org/10.1126/science.adz3996
 [문혜원 기자 moony@donga.com]
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