생명/의료

칭화대학교, 프로테아좀을 3차원적으로 구조해석하다

발행일 : 2016 / 03 / 04

최근, 칭화대학교(清華大學), 중국농업과학원, 하버드의과대학(Harvard Medical School)의 연구팀은 단일-입자 냉동전자현미경(cryo-EM)으로 내인성효모인 26S 프로테아좀(proteasome)의 구조를 해석하여 2종류의 주요한 구조 상태를 규명하였다. 해당 연구 성과는 2016년 2월 29일 “Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)”에 발표되었다.

칭화대학교 생명과학대학의 스이궁(施一公) 교수와 왕펑(王豐) 박사는 본 논문의 공동 교신 저자이다. 스이궁 연구팀은 구조생물학과 생물화학 수단으로 종양 발생과 세포 사멸의 분자 메커니즘을 규명하는데 주력하고 있으며, 특히 종양 억제 인자와 세포 사멸 조절 단백질의 구조 및 기능 연구, 중대 질병 관련 막단백질의 구조 및 기능 연구, 세포내 생물 거대분자 기계의 구조 및 기능 연구에 집중하고 있다. 중국에 돌아온 후 스이궁은 Nature 등 세계 최고 학술지에 여러 편의 논문을 발표하였으며, 또한 칭화대학교를 중심으로 인재 도입 플랫폼을 구축하였다. 2013년 스이궁은 중국과학원 원사로 당선되었다.

26S 프로테아좀은 진핵세포 내에서 단백질을 분해시키는 주요한 분자 기계로서 표적 단백질의 특이적 분해를 통하여 생물체의 대부분 생명 활동에 거의 모두 참여한다. 26S 프로테아좀을 구조적으로 19S 조절 입자와 20S 코어 입자(core particle) 입자 2개 부분으로 나눌 수 있다. 19S 조절 입자는 유비퀴틴 사슬 표지를 보유한 단백질 기질을 식별하여 언폴딩(unfolding)하며, 마지막으로 언폴딩 단백질 기질을 20S 코어 입자에 수송하여 분해시킨다. 26S 프로테아좀은 구조 조성이 복잡하고 분자량이 아주 큰 탓으로 그 3차원 구조에 대한 연구는 큰 진전을 이루지 못하였으며 해당 구조 및 기능에 대한 인식 또한 큰 저해를 받고 있다. 최근, X선 기술 분야에서 거대 분자 복합물 구조 해석에 대한 경험이 축적되고 또한 냉동전자현미경 기술 분야의 기술이 개선됨에 따라 26S 프로테아좀의 3차원 구조 해석도 신속한 발전을 가져왔다.

연구팀은 단일-입자 냉동전자현미경으로 해상도가 4.6~6.3 옹스트롬(Å)에 달하는 사카로미세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) 내인성 26S 프로테아좀의 구조를 획득하였다. 또한 cryo-EM 영상의 고해상도 특성에 근거하여19S 조절 입자 중의 18개 서브유닛과 20S 코어 입자 중의 28개 서브유닛의 모델을 구축하였다. 프로테아좀의 구조는 2종의 서로 다른 구조 상태를 나타냈는데 연구팀은 해당 구조를 M1과 M2라고 명명하였으며, 각각 기존에 보고된 ATP-γS와 ATP가 존재하는 조건에서 정제하여 얻은 프로테아좀의 상태에 대응되었다. 해당 구조는 또한 내인성 기질이 존재하거나 부족할 때의 프로테아좀 상태와도 대응되었다. 구조 기반의 생물화학적 분석을 진행한 결과, 리드(lid)를 형성하는 과정에서 Rpn11 탈유비퀴틴화 효소의 활성은 증가되었다. 해당 구조는 프로테아좀의 기능 메커니즘을 밝혀내는데 분자적 기초를 마련하였다.

26S 프로테아좀은 많은 생명 과정에서 중요한 작용을 일으키며 또한 질병과 직접적인 연관성을 가지고 있으므로 26S 프로테아좀의 작용 기능 분자적 메커니즘을 밝혀내는 것은 매우 시급한 과제로 되고 있다.

2015년 1월 Max Planck Institute for Chemistry(MPI)의 Wolfgang Baumeister가 이끄는 연구팀은 최초로 건강한 대뇌 세포에서 작동하는 프로테아좀을 관찰 및 분석하였다. 해당 연구 성과는 Science 잡지에 발표되었다.

2015년 2월 군사의학과학원 생물공학연구소의 연구팀은 c-Abl 비수용체 타이로신 키나아제는 프로테아좀 PSMA7 서브유닛의 유비퀴틴화 분해에 대한 제어를 통하여 프로테아좀의 풍부도를 조절한다는 것을 입증하였다. 해당 연구 성과는 Cell Reports 잡지에 발표되었다.

2015년 4월 Harvard Medical School의 Marc Kirschner 연구팀은 단일-분자 형광법으로 효소가 유비퀴틴을 단백질에 첨가하는 과정 그리고 해당 단백질이 세포 프로테아좀에 의하여 식별 및 회수되는 메커니즘을 규명하였다. 해당 연구 성과는 Science 잡지의 2건의 연구 논문에 발표되었다.