유해 단백질에 의한 퇴행성 뇌·신경질환 및 암 질환 극복 가능성 제시

송현규 교수팀, 자식작용 핵심분자 p62/SQSTM1의 유해 단백질 제거 작용기전 규명

네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 논문 게재

▲ 생명과학대학 생명과학과 송현규 교수

국내 연구진이 우리 몸 세포가 스스로 물질을 분해하며 항상성을 유지하는 원리를 규명했다.

고려대 생명과학부 송현규 교수 연구팀은 자식작용을 통한 유해 단백질 분해에 관한 분자 수준의 메커니즘을 규명했다.

자식작용(自食作用, autophagy)이란 유비퀴틴-프로테아좀 시스템과 더불어 세포 내 유해 단백질을 제거하여 세포의 항상성을 유지하기 위한 필수적인 분해 기작으로, 노화/유전적 변이/세포내 스트레스 등과도 밀접한 관련이 있다.  각종 스트레스는 세포에 유해한 단백질 응집체를 만들고 자식작용과 유비퀴틴-프로테아좀 시스템은 함께 세포 내에서 작용한다. 이 중 자식작용에 의한 단백질 응집체 제거는 세포 수준에서의 연구만 활발히 진행됐고 분자 수준에서의 구체적인 기전은 밝혀지지 않았다.

송현규 교수 연구팀은 세포 내에 단백질 응집체와 거대 응집체를 만들면서 전달자로 역할을 하는 p62/SQSTM1와 세포 스트레스의 주요 산물인 Arg-BiP/GRP78의 복합체 단백질의 3차원 구조를 밝히고 이 단백질의 새로운 기능을 규명하는 데 성공했다.

연구팀은 인체의 p62:Arg-BiP/GRP78 복합체 단백질을 대량 생산해서 분리한 뒤 전자현미경 및 X-선 결정학 방법 등을 통해 복합체의 구조를 분석했다. 이를 통해 그동안 p62의 도메인 중 유일하게 기능이 잘 알려지지 않았던 ZZ-도메인과 그의 기질인 Arg-BiP에 대한 구조를 알게 됐으며, 이 p62 단백질이 pH에 따른 복합체 형성 정도가 변한다는 사실을 확인했다.

송현규 교수는 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 어려워 고농도의 단백질을 정제하면 금방 단백질이 사라지는 현상으로 인해 결정을 쉽게 만들 수 없었다고 말했다. 그래서 송 교수팀은 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 있었다고 밝혔다.

송현규 고려대 교수는 “이 연구는 지금까지 알려지지 않았던 p62의 ZZ-도메인과 그의 기질인 Arg-BiP/GRP78의 구조를 고해상도로 밝히고, p62 단백질의 pH 변화에 따른 단백질 활성 변화를 규명한 것”이라며 “자식작용을 통한 유해 단백질 분해의 정확한 이해를 높인 것으로, 앞으로 유해 단백질로 야기되는 퇴행성 뇌·신경질환이나 암 질환에 대한 새로운 연구 방향을 제시하는데 기여할 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자 도약전략연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 논문 게재됐다.

* 논문명

Insight into degradation mechanism of N-end rule substrates by p62/SQSTM1 autophagy adaptor

* 저 자

송현규 교수(교신저자, 고려대학교), 권도훈(제1저자, 고려대학교), 박옥현(고려대학교), 김이현(고려대학교), 정양욱 박사(고려대학교), 박연경(고려대학교), 정현섭(KBSI), 현재경 박사 박사(KBSI), 김윤기 교수(고려대학교)

[ 그 림 설 명 ]

(그림1) p62 ZZ 도메인의 구조와 R-BiP과의 복합체 구조

왼쪽의 그림은 p62의 ZZ-도메인의 전체적인 구조이다. 붉은색으로 표시가 된 부분이 음전하를 띰과 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 확인했다. 실제로 이런 잔기들이 변형되어있으면 세포 내에서 Arg-BiP의 분해가 제대로 이뤄지지 않는다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)