케라틴

케라틴은 구조적·진화적으로 뚜렷이 구별되는 두 그룹으로 대별된다. α-케라틴(알파 케라틴)은 모든 척추동물에서 발견되는 중간섬유(IF) 단백질로, 직경 7–10 nm의 필라멘트를 형성하며 특징적인 α-나선 코일드코일(coiled-coil) 이차 구조를 갖는다. 인간의 경우 54개의 기능적 α-케라틴 유전자가 확인되어 있으며, 이 중 28개가 제I형(산성, 분자량 40–64 kDa), 26개가 제II형(염기성-중성, 52–70 kDa)으로, 각각 17번 염색체(17q21.2)와 12번 염색체(12q13.13)에 클러스터를 이루고 있다. 제I형과 제II형 케라틴은 의무적 이형이량체(obligate heterodimer)를 형성한다. 즉, 기능적 필라멘트 조립을 위해서는 반드시 제I형 사슬 하나와 제II형 사슬 하나가 쌍을 이루어야 하며, 이 쌍 형성 원리는 모든 척추동물 계통에서 보존되어 있다.

β-케라틴(베타 케라틴)은 최근 일부 문헌에서 각질 β-단백질(corneous β-proteins, CBPs)로 재명명되었으며, 파충류와 조류를 포함하는 용궁류(sauropsids)에서만 발견된다. β-케라틴은 약 3.4 nm 직경의 더 작은 필라멘트를 형성하고, α-나선 코일드코일 대신 β-시트 이차 구조를 특징으로 한다. β-케라틴의 중심부 34-잔기 도메인은 종간에 매우 높은 보존도를 보이며, 역평행 β-샌드위치가 4회 나선 대칭으로 조립되어 필라멘트의 구조적 핵심을 이룬다. 조류에서 β-케라틴은 발톱, 비늘, 깃털, 각질세포(keratinocyte)의 네 가지 하위 계열로 다양화되었으며, 깃털 β-케라틴이 전체 β-케라틴 유전자의 최대 85%를 차지한다. α-케라틴과 달리 β-케라틴은 중간섬유 단백질로 분류되지 않으며, 진화적으로 표피분화복합체(EDC) 유전자군에서 유래한 것으로 밝혀져 있다.

케라틴 조직의 뛰어난 기계적 특성은 섬유-기질 복합 구조에서 비롯된다. α-케라틴에서는 코일드코일 이형이량체가 원섬유(protofilament)로 조립되고, 이것이 다시 횡단면에 약 32개의 폴리펩타이드 사슬을 포함하는 성숙 7–10 nm 중간섬유로 집합한다. 분자의 비나선 머리 도메인과 꼬리 도메인은 바깥으로 돌출하여, 포유류에서는 케라틴 관련 단백질(KAPs)과 함께 주변 기질을 형성한다. 용궁류에서는 3.4 nm β-케라틴 필라멘트가 주된 인장 하중 부담 구조가 되며, 이들의 말단 도메인과 EDC 단백질이 기질을 구성한다.

케라틴의 결정적 화학 특징은 높은 시스테인 함량이다. 시스테인 잔기는 인접 케라틴 사슬과 섬유-기질 성분 간에 공유결합성 이황화 결합(-S-S-)을 형성하여, 불용성, 효소 분해 저항성, 열안정성을 부여한다. '경질(hard)' 케라틴(모발, 손발톱, 발톱, 뿔, 깃털 등)은 '연질(soft)' 케라틴(일반 표피)보다 현저히 높은 시스테인 함량과 광범위한 이황화 가교결합을 지녀, 두 조직 간 강성과 내구성의 차이를 설명한다. 케라틴은 펩신과 트립신에 의한 소화에 저항하고, 물·묽은 산·알칼리·유기 용매에 불용이며, 이황화 결합을 절단하는 환원제를 포함한 우레아 같은 변성제를 사용해야만 용해시킬 수 있다.

고생물학에서 케라틴은 복원된 외형과 추론되는 생물학적 기능에 극적인 영향을 미치는 다양한 외부 구조물의 물질적 실체를 이루기에 핵심적 위치를 차지한다. 공룡의 발톱은 뼈로 된 핵(말절골)을 케라틴 집(sheath)이 감싸는 구조로, 케라틴 집이 발톱의 길이를 상당히 연장하고 끝을 날카롭게 만들었다. 트리케라톱스 등 각룡류에서는 뼈로 된 뿔 핵 위에 케라틴 집이 덮여 있어, 살아 있을 때의 뿔은 화석화된 뼈만으로 추정하는 것보다 훨씬 길었을 가능성이 높다. 마찬가지로 조반류, 오르니토미모사우루스, 오비랍토로사우루스, 조류의 부리(각초, rhamphotheca)는 케라틴 집이 기능적 교합면을 규정하는 구조였다.

케라틴의 화석화 잠재력은 골격 같은 광화 조직에 비해 현저히 낮다. 케라틴은 정상적인 매몰·속성 조건 하에서 뼈보다 훨씬 빨리 분해된다. 그러나 오클라호마 리처즈 스퍼(Richards Spur)의 원유 침투 동굴 퇴적물 같은 예외적 보존 환경에서는 약 2억 8,900만 년 전(초기 페름기)에 해당하는, 초기 파충류 캅토리누스 아구티(Captorhinus aguti)에 속하는 가장 오래된 양막류 피부 화석이 산출되었다. 이 표본들은 현생 악어류 피부와 유사한 외부 형태를 보이며, 관절 상태의 각질 표피 띠를 포함하고 있어 육상 척추동물 각질화 외피의 유구한 역사를 직접적으로 증명한다.

더 최근에는 분자 수준의 연구가 중생대 화석에서 내인성 케라틴 단백질을 검출하는 성과를 거두었다. 쥐라기 공룡 안키오르니스(Anchiornis)(약 1억 6,000만 년 전)의 깃털에서 면역조직화학법과 전자현미경을 통해 α-케라틴과 깃털 β-케라틴 에피토프가 모두 보존되어 있음이 확인되었다. 중요한 점은, 안키오르니스의 깃털이 직경 약 8 nm의 굵은 필라멘트가 우세한 α-케라틴 위주의 조성을 보인 반면, 현생 조류의 성숙 깃털은 3–4 nm 필라멘트의 β-케라틴이 우세하다는 것이다. 이 분자적 차이는 초기 근조류(paravian) 공룡의 깃털이 아직 동력 비행에 적합한 β-케라틴 우세 조성을 획득하지 못했음을 시사한다. 백악기 초기 조류인 에오콘푸시우소르니스(Eoconfuciusornis) 등의 더 젊은 화석 깃털은 β-케라틴 우세로의 점진적 전환을 보여, 공룡-조류 전환기 깃털의 분자 진화를 기록하고 있다.

β-케라틴 유전자의 진화적 확장과 다양화는 깃털의 기원 및 정교화와 밀접하게 연결되어 있다. 48종 조류 게놈 분석 결과, 조류의 α-케라틴 총수는 포유류·비조류 파충류에 비해 적은 편(평균 약 31개 대 44개)이지만, 두 가지 특정 α-케라틴 유전자 — KRT42와 KRT75 — 는 조류에서 확장되었다. 특히 KRT75는 깃털 깃대(rachis) 발달과 관련이 있으며, 이 유전자의 돌연변이는 닭에서 '프리즐(frizzle) 깃털' 표현형을 유발한다. 한편 β-케라틴 유전자군은 극적인 확장을 겪었으며, 깃털 β-케라틴이 조류 게놈 내 β-케라틴의 대다수를 차지한다. 깃털 β-케라틴은 C-말단 영역의 펩타이드 결실로 분자량이 감소하고 구조적으로 더 유연한 단백질을 만들어, 비행깃의 생체역학적 요구에 결정적인 기여를 한다.

서로 다른 생태적 지위에 적응한 조류는 β-케라틴 유전자군 구성에 대응하는 변화를 보인다. 수생·반수생 조류는 깃털 β-케라틴 비율이 낮고 각질세포 β-케라틴 비율이 높으며, 맹금류는 발톱 β-케라틴 비율이 더 크다. 닭 배아 발생 과정에서 전사체 분석은 깃털 내 β-케라틴 발현이 배아일 12일 이후 급격히 증가하여, 배아일 8일에서 17일 사이에 배측 깃털에서 깃털 β-케라틴의 발현량이 최대 5,000배까지 변화함을 보여준다. 성숙한 조류 깃털에서 β-케라틴은 익판(vane)을 형성하는 깃가지(barbs)와 작은깃가지(barbules)의 약 90%를 구성한다.

표피 부속물의 구조적 역할을 넘어, 케라틴은 광범위한 생물학적 기능을 수행한다. 상피세포에서 케라틴 중간섬유는 기계적 지지와 탄력을 제공하며, 세포-세포 접합(교소체, desmosome)과 세포-기질 접합(반교소체, hemidesmosome)에 고정되어 기계적 스트레스를 조직 전체에 분산시킨다. 케라틴은 세포 내 신호 전달, 단백질 합성 조절, 소포체 수송, 멜라노좀 분배에 관여한다. 서로 다른 케라틴 쌍이 조직 특이적·분화 의존적·상황 의존적 패턴으로 발현되기에, 병리학에서 조직 기원 식별과 암종(carcinoma) 분류를 위한 진단 지표로 유용하게 활용된다.

포유류에서 '경질(hard)' α-케라틴은 모발, 양모, 손발톱, 발굽, 뿔(소과 등에서 뼈 핵을 케라틴이 감싸는 구조), 수염고래의 고래수염판(baleen), 호저의 가시를 형성한다. 파충류에서는 α-케라틴과 β-케라틴 모두 비늘, 발톱, 거북 등딱지(shell)에 기여한다. 도마뱀붙이(gecko)의 접착성 강모(setae)는 β-케라틴으로 구성되어 벽면 보행을 가능하게 한다. 조류에서 깃털은 가장 구조적으로 복잡한 케라틴 부속물로, 깃대(rachis), 깃가지(barbs), 작은깃가지(barbules), 갈고리(hooklets)의 계층적 분기가 모두 특이적으로 발현되는 β-케라틴 하위유형으로 구축된다.

케라틴의 화학적 안정성 — 광범위한 이황화 가교결합과 소수성 특성에 의해 부여되는 — 은 대부분의 비광화 단백질보다 높은 보존 잠재력을 제공한다. 그럼에도 불구하고 화석에서의 직접적 케라틴 보존은 극히 드물다. 대다수의 '뿔'과 '발톱' 화석은 내부의 뼈 핵만을 대표하며, 케라틴 집은 부패로 소실된 상태이다. 라거슈테텐(Lagerstätten)이나 예외적 매몰 환경에서 케라틴이 보존되었을 경우, 뼈만으로는 얻을 수 없는 정보를 제공한다: 발톱과 뿔의 실제 외부 치수, 피부와 깃털의 표면 질감 및 색상 패턴, 외피 구조물의 역학적 특성을 결정했던 분자 조성 등이 그것이다. 중생대 화석에서 내인성 케라틴 잔류물의 검출은 논쟁적이며 엄격한 대조 실험을 요구하지만, 멸종 생물과 현생 생물 간 직접적 분자 비교를 가능하게 함으로써 고생물학의 새로운 지평을 열고 있다.

'케라틴'이라는 용어는 역사적으로 뿔 등 각질 조직에서 추출한 전체 단백질 혼합물에 느슨하게 적용되었다. 현대적 용법은 '케라틴'을 특정 중간섬유 단백질(α-케라틴, 제I형 및 제II형)과 용궁류의 각질 β-단백질(β-케라틴)로 한정한다. 인간 케라틴의 최초 체계적 카탈로그는 1982년 Moll 등이 2차원 젤 전기영동을 사용하여 발표했으며, 이때 수립된 번호 체계가 현재까지 사용되고 있다. 2006년 Schweizer 등은 인간의 54개 기능적 케라틴 유전자를 모두 포괄하는 새로운 합의 명명법을 발표했으며, 이는 인간 및 마우스 게놈 명명위원회(Human and Mouse Genome Nomenclature Committees)의 공동 승인을 받았다. β-케라틴의 명명법은 현재도 논의 중이며, 일부 연구자는 이들이 진정한 중간섬유 케라틴과 구별되는 표피분화복합체(EDC) 내 별도 진화적 기원을 반영하기 위해 '각질 β-단백질(corneous β-proteins, CBPs)'이라는 명칭을 선호하고 있다.