생명/의료

인간 유래 칼륨-염소 공수송 단백질의 고해상도 구조 해석

발행일 : 2019 / 11 / 14

톈진(天津)대학교 생명과학대학 류쓰(劉斯) 연구팀은 최초로 인간 유래 칼륨-염소 공수송(Co-transport) 단백질(KCC1)의 고해상도 구조를 해석함과 아울러 칼륨-염소 공수송 메커니즘을 제안함으로써 뇌전증 등 관련 질병 치료 및 약물 개발에 새 관점을 제공했다. 해당 성과는 “Science”에 게재됐다.

인체 세포내 칼륨, 나트륨, 염소의 이온 농도 불균형은 고혈압, 우울증, 뇌전증 등 질병을 유발한다. 세포막에 양이온-염소이온 공수송 단백질이 존재하며 전문적으로 인체 세포 내외의 이온 농도 조절을 담당한다. 기존에 정밀한 구조 정보 부족으로 해당 종류 막단백질의 작용 메커니즘에 대한 이해가 매우 제한적이다.

뇌전증은 대뇌 뉴런의 돌발성 비정상 방전으로 인한 일과성 대뇌 기능 장애 기반 만성질환이다. 뇌전증은 복잡하고 다양한바 유전요인, 뇌부질환, 전신성 및 계통성 질환 등이 포함된다. 그중 유전요인은 뇌전증 특히 특발성 뇌전증을 유발하는 주요 원인이다. 분자유전학적 연구 결과에 의하면 일부 유전성 뇌전증의 분자 메커니즘은 세포 이온통로, 관련 분자 구조 및 기능 변화이다.

생체 세포의 끊임없는 신진대사 과정에서 필연적으로 주위 환경과 물질을 교환하는데 세포막의 이온통로, 수송 단백질 등 이온 수송 단백질은 해당 물질교환의 주요 경로이다. 다양한 이온, 당류 등 대부분 생명에 대하여 중요한 의미를 보유한 물질은 수용성이다. 그들은 세포에 진입해야 하지만 생명활동 과정에서 생성된 수용성 폐기물은 세포를 떠나야 하는데 해당 과정에 이온 수송 단백질이 참여해야 한다. 그중 수송 단백질은 세포막에 위치하여 있기에 수용성 소분자의 막관통 수송을 유도할 수 있다.

신경교질세포와 말초신경계 뉴런에서 양이온-염소이온 공수송 단백질은 인체 세포 내외의 이온농도 조절을 전문적으로 담당함과 아울러 세포막 내외 양측의 칼륨 이온 농도 기울기를 이용하여 세포 내 칼륨/염소를 세포외로 공수송하기에 세포의 이온화 평형을 유지하고 생물 세포 활성을 보장하는데 매우 중요하다. 유전학적 및 생화학적 연구에 의하면 인간 신경계에서 KCC1 돌연변이는 KCC1이 세포외로 염소이온을 수송하는 활성에 뚜렷한 영향을 미치며 더 나아가 뇌전증 등 질병을 유발한다.

KCC1은 중요한 생리 기능을 보유하고 있기에 임상에서 뇌전증 등 질병을 치료하는 약물 표적으로 될 수 있다. 따라서 KCC1의 정밀한 구조 정보 연구는 해당 구조 기반 약물을 개발하여 임상에서 관련 질병을 치료하는데 정밀한 데이터 지원을 제공할 수 있다.

KCC1의 단백질 정밀 구조를 해석하려면 해당 단백질 구조를 “포착”해야 한다. 단일입자 냉동전자현미경 기술은 현재 선진적인 단백질 구조 해석 기술이다. 해당 기술의 응용 핵심 조작은 샘플 냉동, 냉동 이미징 및 3차원 재구성이다.

KCC1는 분자량이 매주 작을 뿐만 아니라 세포내 영역 도메인 상태가 비고정적이다. 연구팀은 KCC1 단백질 발현 유전자를 바큐로바이러스에 피복한 후 포유동물 세포를 이용하여 과발현시켰다. 또한 양호한 균일성 KCC1를 획득하기 위해 세제 종류를 선별하여 최종적으로 고순도의 인간 유래 KCC1 단백질 샘플을 획득했다.

KCC1 단백질의 3차원 구조를 분석하려면 KCC1 단백질이 정상적인 단백질 형태를 보유하게 해야 한다. 생리 상태에 가장 접근하는 KCC1 단백질을 얻기 위해 연구팀은 KCC1 단백질을 나노디스크(모의 세포막의 지질 이중 분자층)에 구축했다. 그리고 KCC1 단백질 용액을 “그물(Net)”에 떨구어 넣은 후 “그물”을 액체 에탄 환경에서 “쾌속 내동”시켰다. 1개 격자에 수백 개의 중공 공극이 있는데 KCC1 단백질 입자를 그 중에서 냉동시켰다.

최종적으로 연구팀은 단일입자 냉동전자현미경 기술을 기반으로 3개의 인간 유래 KCC1의 원자 해상도 구조를 성공적으로 해석했다. 1) KCC1는 이합체 형식으로 존재한다. 2) KCC1가 1:1의 비율로 동시에 동일한 방향으로 칼륨이온과 염소이온을 수송하는 메커니즘을 규명했다. 3) KCC1이 칼륨이온과 염소이온을 공수송하는 모델을 제안했다. 해당 성과는 양이온-염소이온 공수송 단백질을 표적으로 하는 뇌전증 치료 약물 개발에 거대한 현실적 의미 및 응용 가치가 있다.

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