| 세균, 바이러스와 세포 내 소기관, 폐기물 제거하는 자식작용 활성기전 규명 |
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고려대 송현규 교수팀, 네이처구조분자생물학지에 발표
세포 내 폐기물, 소기관 및 세균, 바이러스 등을 분해하고 처리하는 자식작용(autophagy)은 40여 년 전부터 발견된 현상이지만 그 초기단계인 자가포식소체(autophagosome)가 형성되는 분자적 활성 기전이 비로소 국내 연구진에 의해서 규명됐다.
자식작용 연구 분야는 최근에 와서야 세포 내 여러 현상, 특히 암이나 퇴행성 신경질환과 같은 많은 인체의 질병에 관여한다는 사실이 밝혀지면서 많은 주목을 받고 있다.
자식작용에 관여하는 핵심 분자인 Atg7 단백질의 구조 및 생화학적 연구결과가 현재까지 없어서 자가포식소체 형성 과정에 대한 이해에 한계가 있었다.
고려대 송현규 교수(생명과학대학 생명과학부)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부의 21세기 프론티어사업으로 추진되고 있는 프로테오믹스이용기술개발사업(단장 양은경)의 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구결과는 구조생물학분야 세계 최고 권위지인 '네이처 구조분자생물학지(Nature Structural and Molecular Biology)' 온라인 속보(11월 6일자)에 게재됐다.(논문명: Insights into noncanonical E1 enzyme activation from the structure of autophagic E1 Atg7 with Atg8)
연구팀은 자식작용이 일어나기 위해 활성화가 되어야 하는 Atg8 단백질과 그를 활성화 시키는 Atg7 단백질간의 복합체의 고해상도 결정구조를 밝혔다. 더불어 생화학 및 in vivo 연구를 통하여 생체 내에서 자식작용 현상이 나타나기 위한 핵심 효소반응 기전을 규명한 것이다.
Atg7은 알려져 있는 유비퀴틴-유사체들의 활성화 효소들과 아미노산 서열 등이 상이하기 때문에 어떻게 Atg8에 작용을 하는 지 그 분자적 기전은 베일에 싸여있었다.
송 교수팀은 Atg7 단백질의 카르복시 말단 지역의 특이한 구조가 Atg8 단백질을 선택적으로 인식하는데 중요하다는 것을 발견했고, 그 특이한 구조에 존재하는 특정 아미노산들의 중요성을 돌연변이체를 만들어 생체 내에서 검증했다.
두 개로 나눠진 활성부위가 큰 구조적 변화를 보이는 다른 유비퀴틴-유사체 활성화 효소들과 다르게 Atg7은 두 활성부위가 매우 가깝게 위치하기 때문에 전혀 다른 기전으로 작용한다는 사실을 밝혀냈다.
송현규 교수는 "이번 연구결과로 자식작용을 활성화시키는 핵심 분자인 Atg7의 분자적 작동 원리가 규명되었고, 이로 부터 자식작용이 관여하는 암이나 퇴행성 신경질환과 같은 인체의 질병에 대한 이해가 증진됐다"고 연구의의를 밝혔다.
<용어정리>
자식작용(autophagy)
자식작용 1960년대에 최초로 보고되었으며 진핵세포를 침입한 세균, 바이러스 등을 제거하거나 세포 내 소기관 및 폐기물을 제거하여 세포의 항상성을 유지하도록 하는 매우 중요한 생체 반응이다. 특히 효모의 경우 영양분이 부족한 상태에서 활성화되는 것으로 알려져 있고 분해된 물질을 영양분으로 다시 이용한다.
자식작용이 일어나기 위해서는 이중막으로 되어있는 자가포식소체(autophagosome)가 형성되어서 제거해야할 물질을 둘러쌓을 수 있고, 이 자기포식소체는 리소좀(lysosome)으로 이동되어 전달된 세균, 바이러스, 세포 내 소기관 등 많은 물질들을 분해시킨다.
1990년대 말에 일본의 오슈미(Ohsumi)박사 연구팀이 이 자식작용에 관여하는 많은 유전자들을 동정해 내면서 연구가 활성화되기 시작했으며, 2000년대 중반 이후에 자식작용이 암이나 퇴행성신경질환 등과 밀접한 관계가 있다는 것이 알려지면서 관련 연구가 폭발적으로 증가하고 있다.
유비퀴틴-유사체 Atg8
유비퀴틴은 76개 아미노산으로 되어 있는 작은 단백질로 프로테오좀(거대 가수분해효소 복합체)에 의해서 분해되는 기질을 표지하는 표지자 단백질이다. 최근에는 이러한 단백질 분해 신호로서의 유비퀴틴 역할 외에도 막수용체 수송, DNA 수복 등 다른 많은 세포 내 반응에 관여하는 것으로 알려져 있다. 2004년 유비퀴틴에 관련된 연구로 Ciechanover, Hershko, Rose 등이 노벨화학상을 수상하였다.
생체 내에는 이 유비퀴틴과 아미노산 서열 및 삼차원 구조가 유사한 유비퀴틴-유사체들이 여러 종류 존재한다(예 - 수모(SUMO), NEDD8, Atg8 등). 자식작용의 초기현상인 자가포식소체(autophagosome)가 형성되기 위해서는 유비퀴틴-유사체인 Atg8이 활성화되어야만 한다. 이 활성 단계에 문제가 있으면 자식작용 현상 자체가 일어나지 못한다.
E1 유비퀴틴-유사체 활성화 효소 Atg7
유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사체가 단백질 기질에 붙어 표지로 작용되기 위해서는 3가지 효소(E1, E2, E3)의 순차적 반응이 일어나야 한다. 이 중 맨 처음 단계가 E1-효소에 의한 유비퀴틴-유사체 활성화 반응이다. E1-효소들은 아미노산 서열에 따라서 두 가지 그룹(표준과 비표준: canonical & noncanonical)으로 나뉘는데 표준그룹은 연구가 잘 되어 있는 반면에 Atg7이 속한 비표준 그룹은 그 중요성에도 불구하고 많은 연구가 이루어지지 않았다.
결정 구조(cyrstal structure)
단백질 구조를 해석하는 가장 대표적인 방법인 X-ray crystallography(X-선 결정학)에 의해 분석된 원자수준의 구조를 의미한다. 단백질의 결정을 얻은 후 포항방사광가속기 등이 이용되며 전자밀도를 해석하여 분자 모형을 완성한다.
돌연변이체를 이용한 생화학 및 in vivo 실험
돌연변이체는 구조를 통해 알게 된 단백질 내 핵심적 기능을 하는 아미노산을 분자생물학 기법을 이용해 성질이 다른 아미노산으로 치환시킴으로써 만들게 된다. 연구팀은 이런 방법으로 Atg7 및 Atg8 단백질 결합부위에 많은 돌연변이를 도입한 후에 효소활성을 측정하였고, 돌연변이체를 발현하는 효모를 제작하여 자가포식소포체가 만들어지는지 in vivo 실험을 수행하여 구조 정보를 뒷받침하였다.
(끝)
출처 : 고려대학교 보도자료
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| [2011-11-07일 10:34] 송고 |
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