인간이 냄새를 느끼기 위한 후각수용체의 구조가 마침내 규명

인간은 시각·청각·후각·촉각·미각이라는 5가지 감각을 갖추고 있습니다. 그 중 하나인 후각은 공기 중에 떠다니는 분자를 코 속에 있는 후각수용체가 포착함으로써 뇌에 신호가 전해져 느껴진다고 합니다. 그러나 지금까지 후각수용체가 어떻게 작동하는지에 대해서는 분명히 알지 못했는데 최근 그 구조가 밝혀졌다고 보도되고 있습니다.

Structural basis of odorant recognition by a human odorant receptor | Nature
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05798-y

How a Human Smell Receptor Works Is Finally Revealed | Quanta Magazine
https://www.quantamagazine.org/how-a-human-smell-receptor-works-is-finally-revealed-20230501/

How a Human Smell Receptor Works Is Finally Revealed | Quanta Magazine

인간의 후각수용체는 G단백질 공액수용체(GPCR)라는 형식으로 단백질로 만들어진 센서와 같은 구조로 되어 있습니다. GPCR은 구조에 따라 포착하는 대상이 다르고 냄새의 기초가 되는 분자를 포착하면 형태를 변화시킵니다. 이 형태의 변화에 ​​의해 뇌의 냄새를 처리하는 부분에 신호가 보내져 냄새를 느낀다는 것입니다. 이 후각수용체가 분자를 포착했을 때 어떻게 형태를 변화시키는지에 대해 지금까지 연구가 거듭되어 왔다는 것.

2021년에 발표된 연구에서는 곤충에서 후각수용체의 변형과정이 밝혀졌습니다. 그러나 곤충의 후각수용체는 근본적으로 인간의 후각수용체와는 다른 작용을 하기 때문에 이 연구로 인간의 후각이 규명되었다고는 말할 수 없었습니다.

후각수용체의 구조를 연구하기에는 충분히 많은 양의 후각수용체를 준비해야 하며, 그렇게 하려면 배양세포에서 후각수용체가 되는 GPCR을 생산해야 합니다. 그러나 후각수용체는 후각신경과 연결되어 있지 않은 장소에서 배양해도 적절하게 성숙하지 않는다는 문제가 있어서 연구를 진행하는데 큰 장애가 되고 있었습니다.

GPCR structure. source:https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:GPCR_structure.png

듀크대학의 마츠나미 히로아키 준교수는 후각수용체의 연구를 해온 인물 중 한 명으로 캘리포니아대학 샌프란시스코교의 생화학자인 아시시 맨글리크 씨와 크리스챤 빌레스비레 씨와 협력하여 코와 장, 신장, 전립선 등에서 보이는 GPCR 'OR51E2'를 후각신경 이외의 배양세포 상에서도 성숙하도록 유전자를 개조했습니다.

배양한 OR51E2를 치즈나 체취 등의 냄새의 기초가 되는 프로피온산에 노출시켰습니다. 또한 OR51E2와 프로피온산이 결합된 상태의 화상을 생성하기 위해 극저온전자현미경법(Cryogenic electron microscopy)을 사용했습니다.

그 결과, OR51E2의 구조에 있는 작은 공간에 프로피온산 분자가 갇혀 있는 것이 판명되었습니다. 이 공간 안에 프로피온산 분자를 가두고 있을 때 OR51E2는 프로피온산이나 다른 분자에 대한 감수성을 거의 잃고 있었다고 합니다. 또한 OR51E2의 공간 위에는 작은 고리와 같은 구조가 있어 프로피온산 분자가 갇혀 결합되면 뚜껑처럼 기능해 잠그는 것을 알 수 있었습니다.

그러나 이 연구는 어디까지나 OR51E2와 프로피온산에 초점을 맞춘 것으로 실제 코에는 다른 후각수용체와 결합부위가 존재하며 OR51E2 이외의 후각수용체가 어떻게 작동하는지는 밝혀지지 않았습니다. 마츠나미 준교수는 “인간이 가지는 다른 후각수용체, 특히 OR51E2와 밀접하게 관련되는 수용체는 OR51E2처럼 기능할 가능성은 높아서 이번 기능 구조의 특정은 후각의 근저에 있는 구조를 이해하기 위한 첫걸음이 될 것"이라고 보았습니다.