□ 주요내용 설명

1. 연구의 필요성

○ 지금까지 자식작용은 유비퀴틴-프로테아좀 시스템과 함께 각종 세포 내 노폐물을 제거하여 항상성을 유지하는 것으로 알려져 있고 노화, 퇴행성 뇌신경질환 및 암과 같은 질환에도 많은 관여를 한다고 알려졌다.

○ 자식작용이 세포 내 유해물질을 제거하는 기전에 대해서는 연구가 많이 되어있었지만, 유비퀴틴-프로테아좀 시스템과 협업하여 세포 내 유해 단백질 응집체를 제거하는 것에 대해서는 비교적 최근에 연구가 시작되고 있다.

○ 하지만 이 두 가지 분해작용의 연결다리 역할을 하는 자식작용 수용체 p62/SQSTM1 단백질은 스트레스 상황에서 발생한 유해 단백질 응집체를 인식함과 동시에 자기 자신 역시 단백질 응집체의 일부가 되어서 제거가 되는데 지금까지는 단순히 p62 단백질이 인식하는 유해 단백질 응집체를 이루는 물질 정도만 규명되어있으며 정확한 분자적인 기전에 대해서는 알려진 바가 없다.

○ 또한 p62의 ZZ-도메인은 유해 단백질 응집체를 인식하는 역할을 하는데, 이 역할을 적절히 막으면 각종 질환을 치료할 수 있다는 가능성에 대한 보고가 있지만, 고해상도 삼차원 구조가 없어서 약물 개발에 한계가 있다.

2. 연구내용

○ 연구팀은 사람의 p62:Arg-BiP 단백질 복합체를 대량 생산하여 순수하게 분리하였고 투과전자현미경, 소각 X-선 산란실험으로 저해상도 전체구조와 X-선 결정학 방법으로 복합체의 고해상도 구조를 밝혔다(그림 1).

○ 이 복합체의 구조를 통해 지금까지 알려지지 않았던 p62 ZZ-도메인과 Arg-BiP(유해 단백질 응집체 구성성분)의 고해상도 구조를 알게 되었고 특히 그 결합에 음극성 잔기를 통한 이온 결합이 중요하다는 것을 확인하였다(그림 1).

○ 이 p62 ZZ-도메인의 음극성 잔기들이 이온 결합을 통한 단백질-단백질 결합에 관여하는 것을 구조적으로 보았기 때문에 돌연변이체를 제작하여 세포 내에서 Arg-BiP 분해 실험과 생화학적인 결합상수 측정 실험을 통해서 이온 결합이 중요함을 확실히 하였다.

○ 또한 p62가 자체적으로도 유해 단백질 응집체 역할을 할 수 있는데, 이 기전이 p62의 아미노 말단에 존재하는 PB1 도메인을 통한 고분자화에 것이며, 이 고분자화는 pH에 의존적인 현상이라는 것을 발견하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 이 연구를 통해 유해 단백질 응집체 분해 과정에 가장 중요한 역할을 하는 p62 단백질과 유해 단백질의 일부인 Arg-BiP의 새로운 복합체 구조를 규명하였고, 이 결합에는 음극성 잔기들이 중요하다는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 p62 단백질이 유해 단백질 응집체를 이루는 기전이 pH 의존적이라는 것을 확인하여 p62를 통한 유해 단백질 발생 및 제거 기전 연구에 새로운 연구 방향을 제시하였다고 할 수 있다.

○ 특히 p62의 ZZ-도메인은 특히 퇴행성 뇌신경질환이나 암과 같은 각종 질환에 연관이 되어있는데, 이에 대한 고해상도 구조를 이용해서 구조-기반의 저해제를 개발하면 다양한 질환의 치료제를 개발 할 수 있는 계기가 될 것으로 기대한다.

□ 그림 설명

(그림1) p62 ZZ 도메인의 구조와 R-BiP과의 복합체 구조

왼쪽의 그림은 p62의 ZZ-도메인의 전체적인 구조이다. 붉은색으로 표시가 된 부분이 음전하를

띔과 동시에 N-degron 기질을 인식하는데 중요한 부분이 된다. 오른쪽 그림은 p62 ZZ-도메인 과 Arg-BiP의 복합체 구조로 왼쪽에서 붉은색을 띄던 음전하 표면과 이온 결합을 하고 있음을 확인 할 수 있다.

(그림2) p62와 Arg-BiP 결합에 중요한 핵심 잔기

p62 ZZ-도메인과 Arg-BiP 결합에 중요한 5가지 아미노산 잔기(D129, N132, R139, D147, D149)를 찾아냈고, 이 잔기들은 Arg-BiP과의 결합에 영향을 주는 것을 확인하였다. 실제로 이런 잔기들이 변형되어있으면 세포 내에서 Arg-BiP의 분해가 제대로 이뤄지지 않는다.

□ 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

자식작용(autophagy)는 세포의 항상성을 유지하기 위한 필수적인 기전으로 1960년 경에 처음 현상이 관찰되었고 보고되었으나 본격적으로 연구되기 시작한 것은 1990년대 말 효모(Saccharomyces cerevisiae) 연구자인 일본의 오슈미(Ohsumi) 교수가 관련 유전자들을 동정하고 그 기능을 밝히면서부터다. 오슈미 교수는 이 업적으로 2016년 노벨생리의학상을 단독 수상하였다.

이 자식작용이 세포의 항상성을 유지뿐만 아니라, 배아 발생 및 퇴행성 뇌신경질환, 암 발생 등과 같은 인간에게 일어나는 많은 질환과도 밀접한 관련이 있음이 밝혀졌다. 특히 선택적 자식작용이 중요한데, 핵심분자는 p62/SQSTM1 자식작용 수용체이다.

최근에는 세포 내에서 자식작용과 유비퀴틴-프로테아좀 시스템(특히 아미노-말단규칙: N-end rule)이 p62의 ZZ-도메인에 의해서 연결이 된다는 것이 보고되었지만 그에 대한 정확한 분자 수준의 기전은 불명확하였다. 또한 p62라는 단백질은 세포 내 단백질 응집체를 제거하는데 중요한 역할을 함과 동시에 p62 자체도 단백질 응집체를 형성해서 함께 제거되는데 이런 기전에 대해서도 분자 수준의 이해가 부족하였다. 그렇기 때문에 p62 ZZ-도메인과 p62의 복합체 형성 및 그 구조 연구가 매우 필요한 상태였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

X-선 결정학을 이용하여 단백질의 구조를 풀기 위해 재조합 단백질을 정제하고 결정을 만들어야 하는데, p62 ZZ-도메인의 경우에는 단백질 크기가 작고 아연 원자를 갖고 있기 때문에 단백질을 다루기가 어려웠다. 고농도의 단백질을 정제하면 금방 단백질이 사라지는 현상을 겪어서, 결정을 쉽게 만들 수 없었다. 그래서 아주 물성이 좋은 LC3B라는 단백질과 융합형태로 정제를 하여 단백질의 안정성을 높이는 방법을 사용했다. 또한 LC3B 단백질을 자르는 효소인 ATG4B를 이용해서 특정 잔기가 아미노 말단에 나오게 만들어서 키메릭 단백질을 이용해서 복합체 구조를 쉽게 규명할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

p62 단백질이 어떤 식으로 자식작용과 유비퀴틴-프로테아좀 시스템을 어떻게 연결을 시켜주는지와 p62 자체가 어떤 식으로 응집이 되는지에 대한 분자 수준의 기전을 밝혔다. 이러한 연구를 통하여 선택적 자식작용에서 가장 중요한 역할을 하는 p62/SQSTM1 작용기전에 대해서 명확히 알게 되었고, 더 나아가서는 자식작용이 관여하는 여러 퇴행성 뇌신경질환 및 암 발생과 같은 인체 질환에 대한 이해가 증진될 것이다.

□ 연구자 소개

<송현규 교수, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교 생명과학과

○ 전 화 : 02-3290-3457

○ e-mail : hksong@korea.ac.kr

2. 학력

○ 1997년	서울대학교 박사 (화학)

○ 1999 ~ 2001	독일 Max-Planck 생화학 연구소 (박사후 연구원)

○ 2001 ~ 2003	미국 Harvard 의과대학교 (박사후 연구원)

3. 경력사항

○ 2004 ~ 현재	고려대학교 생명과학부 교수

○ 2013 ~ 2015	고려대학교 생명과학부 학부장

○ 2015 ~ 2015	대한화학회 생명과학분과 운영위원장

○ 2015 ~ 현재	BK-PLUS KU-생명과학 창의인재사업단 부단장

○ 2011	교육부 기초연구 우수성과 50선

○ 2011	국가연구개발 우수성과 100선

○ 2012	보건의료기술진흥 유공자 정부포상

○ 2013	마크로젠 과학자상 수상

○ 2015	Sigma-Aldrich 화학자상 수상

4. 전문분야 정보

○ 구조생물학 (단백질 분해기전 연구)

<권도훈 박사과정 학생, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교 생명과학과

○ e-mail : kwondohoon@korea.ac.kr

2. 학력

○ 2013년	고려대학교 학사 (생명공학)

○ 2013 ~ 현재	고려대학교 석박통합과정 (생화학 전공)

3. 경력사항

○ 2018	우수논문상 (고려대학교)

○ 2017	우수논문상 (고려대학교)

4. 전문분야 정보

○ 생화학 (X-선 구조결정학), 생명과학 (자식작용 연구)