생명/의료

베이징대, 생세포 단백질에 제어 스위치 장착

발행일 : 2019 / 05 / 13

베이징대학 화학분자공학학원 천펑(陳鵬) 연구팀과 베이징대학 합성기능생물분자센터 왕추(王初) 연구팀은 공동으로 일종의 생체환경 조건에서 순식간에 단백질을 활성화시킬 수 있는 화학생물학 새 기술을 개발했다. 해당 성과는 “프록시멀 디케이징(proximal decaging) 기술 기반 생체 내 단백질 순간적 활성화”란 제목으로 “Nature”에 온라인으로 게재되었다.

생세포 등 생리적 환경 조건에서 단백질 기능 원위치 연구는 중요한 과학적 의미가 있다. 천펑 연구팀은 단백질 원위치 활성화 기술 연구에서 생세포 단백질에 각각 “제어 스위치” 장착을 시도했다. 최근에 왕추 연구팀과의 공동 연구를 통해 일종의 단백질 “프록시멀 디케이징” 방안을 제안했는데 동 방안은 암호 유전이 가능한 비천연 아미노산 디케이징 기술 및 컴퓨터 보조설계 선별기술을 결합시켜 일련의 다양한 종류 단백질에서 시간분해가 높은 원위치 활성화를 구현했다. 이로써 생세포 및 동물생체 내 단백질 동적 조절 메커니즘 연구에 일종의 보편성 기술을 제공했다. 연구팀은 CAGE-prox로 명명한 해당 새 기법을 사용해 “키나아제 직교 활성화 및 신호 전달 조절”, “시간분해 단백질체학 분석”, “독소 단백질 기반 항종양 단백질 프로드러그(prodrug)” 등 일련의 독창적 응용과제를 달성하고 또한 검증하여 단백질 동적 기능 연구 및 조절 분야에서 해당 화학생물학 새 기술의 장점 및 특색을 보여주었다.

천펑 연구팀이 앞서 제안한 “화학디케이징” 방안은 단백질 핵심 잔기에 대한 화학보호 및 탈보호 반응을 통해 관련 활성에 대한 “온-오프” 제어를 구현할 수 있다. 연구팀은 해당 기술로 라이신, 티로신 등 천연아미노산 곁사슬에서 생물직교 결합파괴반응 및 화학디케이징을 구현했다. 또한 키나아제 등 단백질족(protein family)에 대한 특이성 활성화 및 메커니즘 연구를 수행했다. 세포 내 단백질 종류가 많고 활성 제어 메커니즘이 다양한 원인으로 현재 동 방법은 디케이징에 필요한 아미노산 종류 제한으로 모든 단백질에서의 적용이 어렵다.

상기 문제를 해결하기 위해 공동연구팀은 “프록시멀 디케이징”이란 새 전략을 제안했다. 해당 전략은 단백질 활성중심 부근에 일종의 광보호기를 갖는 비천연 티로신을 도입함으로써 활성에 대한 원격 간섭 및 억제를 마찬가지로 달성할 수 있다. 그 다음 “광디케이징” 반응을 통해 보호기를 제거함으로써 활성을 재차 복원시킨다. 단백질 활성포켓(active pocket) 부근에 비천연 티로신을 삽입 후 단백질의 안정성에 대한 영향, 기질 결합 등 다양한 요인을 통해 단백질 활성을 조절할 수 있기에 해당 전략은 기존의 “활성부위 디케이징”을 “활성포켓 디케이징”으로 전환시킬 수 있어 그 적용범위를 대폭 확장시켰다.

천펑 연구팀은 가장 먼저 생물직교 결합파괴반응 기반 화학디케이징 전략을 사용함과 아울러 유전코돈 확장기술을 결합해 단백질 촉매부위에서의 생물직교 디케이징을 달성함으로써 원위치 기능 활성화를 구현했다. 또한 왕추 연구팀과 공동으로 “프록시멀 디케이징” 새 방안을 제안함과 아울러 컴퓨터 보조설계 및 선별을 사용해 단백질 디케이징 기술의 적용범위를 촉매부위로부터 전체 활성포켓에로 확장시켰다. 이로써 광범위한 적용성을 갖춘 단백질 활성화 새 방법을 획득했다. 해당 연구는 화학생물학 분야에서 거둔 중요한 성과로서 생세포 및 동물생체 내에서의 단백질 동적 기능 연구에 핵심적 기술을 제공했을 뿐만 아니라 생물직교반응의 새 발전방향을 개척했다.