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치매로 잘 알려진 알츠하이머병의 원인을 가위처럼 자르는 물질이 개발됐다. 금속이 가운데 들어간 독특한 구조의 이 물질은 실제 치료제로 활용될 가능성도 높다. UNIST(총장 정무영) 자연과학부의 임미희 교수팀은 알츠하이머병의 원인으로 지목되는 아밀로이드-베타 단백질을 절단할 수 있는 전이 금속 기반의 착물(complex)을 개발했다. 이 내용은 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS) 15일자 표지로 출판됐으며, 주목할 만한 논문(JACS Spotlights)에도 선정됐다. 알츠하이머병은 치매의 가장 흔한 형태로 성인의 사망원인 6위에 해당할 정도로 심각한 질병이다. 아직 명확한 발병 원인은 밝혀지지 않았지만, 몇 가지 요소들이 원인 물질로 추정되고 있다. 이 중 알츠하이머병 환자의 뇌에서 관찰되는 노인성 반점을 구성하는 주요 성분인 아밀로이드-베타 단백질이 신경퇴행성 질환인 알츠하이머병의 주요인자라는 보고가 많다. 임미희 교수팀은 아밀로이드-베타 단백질의 독성을 낮추는 방법으로 금속 착물을 이용해 절단하는 전략을 제안했다. 기존에도 금속 착물에 대한 아이디어는 있었지만 생체 내에서 효과적으로 작용하는 물질은 아직 보고되지 않았다. 연구진은 ‘테트라-엔 메틸레이티드 클램(tetra-N methylated cyclam, 이하 TMC)’이라는 결정 구조를 이용해 아밀로이드-베타 단백질을 가수분해할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 가수분해는 물 분자가 작용해 분자의 결합구조를 끊는 방식이다. 금속 이온을 중심에 배치한 TMC 구조는 외부의 물을 끌어와 아밀로이드-베타 단백질의 결합을 효과적으로 잘랐다. 이번 연구에서는 TMC 구조 중심에 코발트, 니켈, 구리, 아연 4가지 금속이 배치됐다. 이중 코발트가 중심에 들어갈 경우 가수분해 활성이 가장 높았다. 특히 코발트 기반 금속 착물(Co(II)(TMC))은 뇌-혈관 장벽을 투과할 잠재력이 있었다. 또 비(非)아밀로이드성 단백질에서는 가수분해 활성이 낮았다. 이 물질이 아밀로이드-베타 단백질이 유발하는 독성을 완화시켜주는 효과도 살아있는 세포 실험을 통해 관찰됐다. 임미희 교수는 “코발트 착물은 가수분해로 아밀로이드-베타 단백질의 결합을 끊어 독성을 낮출 뿐 아니라 이 단백질에서 나온 독성 자체를 낮출 수도 있다”며 “뇌-혈관 장벽을 투과해 뇌 속의 아밀로이드-베타 단백질과 만날 수 있으므로 알츠하이머성 치매 치료제로서의 잠재력이 높다”고 말했다. 이번 연구는 미국화학회회지의 편집장이 직접 표지 논문으로 제안할 정도로 눈길을 모았다. 단순히 새로운 물질을 개발하는 데 그치지 않고 작용 원리까지 상세하게 제안하고 이를 뒷받침하는 실험까지 탄탄하다고 평가받은 것이다. 임 교수는 “표지와 동시에 선정된 ‘주목할 만한 논문’은 학계에 영향력을 줄 수 있는 중요한 연구로 인정받았다는 의미에서 과학자로서 매우 영예로운 일”이라며 “이번 연구가 흥미를 끌 뿐 아니라 학계에 파장을 일으킬 만한 중요한 연구라는 점에서 보람을 느낀다”고 밝혔다. 한편 이번 연구는 DGIST(대구경북과학기술원)의 조재흥 교수와 KAIST(한국과학기술원)의 박기영 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI)의 김선희 박사도 공동으로 참여했다. 연구 지원은 한국연구재단과 UNIST 미래전략지원과제 등을 통해 이뤄졌다. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경알츠하이머 질환은 대표적인 신경퇴행성 뇌질환 중 하나다. 이 질환에 대해 한 세기 이상의 연구되고 있음에도 불구하고, 아직까지 병리학이 명확히 밝혀지지 않았다. 병인이 명확하지 않아 병의 치료를 위한 효과적인 전략 설계나 치료제 개발이 늦춰지고 있기 때문에, 결과적으로 알츠하이머 질환에 걸린 환자 수는 계속 증가하는 실정이다. 이에 따라 질병의 원인을 판독하기 위한 노력과 병의 예방을 위한 작용 양식에 대한 전략이 요구된다. 아밀로이드-베타 단백질로 구성된 노인성 반점은 알츠하이머 질환의 전형적인 특징이다. 이 단백질은 독특한 섬유 형태로 응집하기 쉽다고 알려졌는데, 이 단백질이 뇌 속에 축적된다는 점이 신경 퇴행의 핵심 요소라고 지목받고 있다. 하지만 이 부분에 대한 분자 단계의 이해는 아직 부족한 수준이다. 아밀로이드-베타 단백질의 응집을 막는 방법으로는 여러 가지 방법이 사용되고 있다. 그 중 한가지로 아밀로이드-베타 단백질의 아마이드 결합을 잘라내 기존과 다른 응집 경로를 거치게 하는 방법이다. 이렇게 하면 독성이 약한 분해된 단백질 조각이 만들어진다. 이 방법에는 주로 ‘소분자 억제제’가 널리 사용돼 왔다. 그런데 최근에는 이 단백질의 응집을 조절할 수 있는 ‘전이 금속 착물’을 활용하는 방법이 보고되고 있다. 이 방법으로 사용할 수 있는 금속 착물로 코발트 싸이클램(Co(III)(cyclam))이 연구됐다. 그러나 이 물질은 특정 금속 이온에만 달라붙는 게 아니라 대부분의 금속과 쉽게 결합해 생체 내에서 활용할 수 있게 적용하기가 어려웠다. 생체 내에 있는 다양한 금속 이온과 결합하면 아밀로이드-베타 단백질 등 원하는 부분에만 작용하기 어렵기 때문이다. 이런 한계를 극복하고 아밀로이드-베타 단백질을 분해시킬 금속 착물을 개발하려면 추가적인 연구와 실험이 요구된다. |
2. 연구내용본 연구진은 금속 매크로사이클릭 폴리아마인(macrocyclic polyamine) 착물을 단백질 분해나 비(非)아밀로이드 물질로서 활용할 수 있는지 조사하기 위해 싸이클램(Cyclam) 리간드와 금속 이온의 착물을 고안해 적용했다. 이렇게 형성된 분자 결정구조는 ‘테트라-엔 메틸레이티드 싸이클램(tetra-N methylated cyclam, 이하 TMC)’이다. 이 구조는 특징적인 구조 및 결합 뿐만 아니라 구조 중심에 어떤 금속이 들어가느냐에 따라 산화 상태와 스핀 상태가 달라졌다. 이런 이유로 아밀로이드-베타 단백질과 상호작용하는 걸 조절할 후보 물질로 예측돼 이번 연구에 이용됐다. 이번 연구에서는 TMC 착물을 연결고리(ligand)로 선택해 중심에 있는 금속 이온의 종류를 바꾸는 전략을 설계했다. 이 물질은 ‘M(II)(TMC)’로 표기하는데, 여기서 M은 코발트(Co)나 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn) 등의 금속 물질을 의미한다. TMC 구조의 중심에 어떤 금속 이온이 들어가느냐에 따라 가수분해 활성이 달라지는데, 이를 아밀로이드-베타 단백질 분해에 적용한 것이다. 중심에 들어가는 금속 원자가 달라지자 단백질 분해 경향이 달라졌다. 코발트가 중심 원자인 경우 니켈, 구리, 아연인 경우에 비해 상당히 효과적으로 아밀로이드-베타 단백질을 분해하는 게 질량 분석법을 통해 확인했다. 또 단백질 분해 반응은 수소 이온 농도가 늘어남에 따라 커졌으며, 수소 이온 농도가 8.5인 경우 분해된 단백질 조각이 가장 많이 관측됐다. 코발트 착물(Co(II)(TMC))이 단백질을 분해하는 능력이 수소 이온에 따라 변한다는 실험 결과를 통해 이 물질이 아밀로이드-베타 단백질을 분해하는 원리는 가수분해 현상에 따른 것이라는 점을 뒷받침했다. 전기 영동/웨스턴 블랏(Western blot) 실험을 통해 아밀로이드-베타 단백질의 응집 경로와 금속 착물의 상호작용도 관찰됐다. 아밀로이드-베타 단백질의 응집을 억제하는 실험의 경우, 다른 금속을 중심 원자로 지닐 경우에 비해 코발트 금속을 가질 때 응집된 단백질의 현저한 분자량 변화를 나타냈다. 이 변화는 시간(4, 8, 24 시간)에 따라서 다르게 관찰됐다. 응집 해소 실험도 응집 억제 실험과 유사한 결과를 보였다. 이는 코발트가 TMC 구조의 중심에 들어간 코발트 착물(Co(II)(TMC))이 아밀로이드-베타 단백질을 가장 잘 분해하고 효율적으로 응집을 조절하는 것을 의미한다. 연구진은 또 코발트 착물(Co(II)(TMC))이 생체 내에서 아밀로이드-베타 단백질의 활동을 막는 도구로 이용할 수 있는지 살피기 위해 뇌-혈관 장벽 투과성 실험(PAMPA-BBB)을 실행했다. 알츠하이머 치료제로 이용하려면 뇌-혈관의 장벽을 뚫고 들어가 아밀로이드-베타 단백질까지 전달돼야 하기 때문이다. 그 결과 코발트 착물이 뇌-혈관 장벽을 투과할 수 있는 것으로 나타났다. 또 코발트 착물(Co(II)(TMC))이 아밀로이드-베타 단백질이 생성한 독성을 낮추는지 알아보기 위한 세포 생존율 실험도 진행했다. 살아있는 세포(SH-SY5Y)에 아밀로이드-베타 단백질을 넣으면 이 단백질이 유발하는 독성에 의해 세포의 생존율이 감소하게 되는데, 코발트 착물(Co(II)(TMC))을 첨가한 경우 세포의 생존율이 더 증가함을 확인했다. 결론적으로 코발트 착물(Co(II)(TMC))은 아밀로이드-베타 단백질과 상호작용할 때 가수분해 현상이 일어나 단백질 결합을 끊어 독성을 낮춘다. 뿐만 아니라 이 물질은 살아있는 세포에서 아밀로이드-베타 단백질이 유발시킨 독성을 완화하는 효과도 있으며, 뇌-혈관 장벽 투과가 가능하므로 알츠하이머 치료제로서 활용 가능성이 높다. |
3. 기대효과본 연구진은 금속을 매개로 한 아밀로이드-베타 단백질의 가수분해를 연구해 금속 착물(M(II)(TMC))의 독특한 입체화학과 배위권의 조절할 수 있다는 걸 밝혔다. 이를 통해 금속 착물(M(II)(TMC))이 아밀로이드-베타 단백질 결합을 절단하는 것을 관찰하는 데도 성공했다. 특히 코발트 착물(Co(II)(TMC))의 단백질 분해 효과는 다른 금속 착물에 비해 상당한 것으로 보인다. 이번 연구 결과는 단순한 발견에 머무르지 않고 분광광도법과 분광학, 계산화학 연구를 통해 금속 착물(M(II)(TMC))에 의한 단백질 가수분해 작용기작까지 밝혀냈다. 또한 그 중 가장 효과적인 코발트 착물(Co(II)(TMC))의 생화학적 적용 가능성을 보기 위해 체내 유사 환경에서 단백질 분해력 및 뇌-혈관 장벽 투과성을 확인했다. 아밀로이드-베타 단백질이 금속 착물과 상호작용하면서 세포 내에서 상대적으로 낮은 독성을 띠는 것도 관찰했다. 이 성과는 알츠하이머 질환의 병원을 조절하기 위해 통상적으로 이용되는 ‘소분자 아밀로이드-베타 단백질 응집 억제제’를 통한 접근과 다르다는 점에서도 주목받았다. 중심 원자를 바꿔 아밀로이드-베타 단백질 가수분해 정도를 조절할 ‘금속 착물’은 아밀로이드-베타 단백질을 표적으로 삼는 다양한 형태의 생화학도구에 접근하는 새로운 방식을 제시해 더 나은 화학도구를 개발하는 데 일조할 것으로 보인다. 이러한 현상의 관찰을 넘어서 현상의 작용기작에 대한 설명까지 제시해 구조-기작을 기반으로 한 새로운 금속 착물의 이용 가능성의 발판을 마련했다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 아밀로이드-베타 단백질아밀로이드-베타 단백질은 알츠하이머 질환을 발병 요인으로 제시되는 물질 중 하나다. 그러나 이 물질이 체내에서 어떤 역할을 하는지에 대해서는 명확히 알려진 바가 없다. 알츠하이머 질환을 가진 환자에게 높은 농도로 발견되는 금속 이온이 아밀로이드-베타 응집 과정을 촉진시킨다고도 발표된 바 있다. 아밀로이드-베타 단백질은 응집되면서 형성되는 소중합체(oligomer)가 특히 독성을 띤다고 알려졌다. |
2. 착물(Complex)하나 혹은 그 이상의 원자나 이온을 중심으로 여러 다른 원자단이 배위 결합해 하나의 분자 형태로 집단을 이루는 형태를 말한다. 중심원자는 금속이 될 수도 있으며, 이 경우는 금속 착물(metal complex)이라고 불린다. |
3. 가수분해물과 반응하여 다른 이온 또는 분자로 분해되는 반응으로, 물 분자의 수소이온과 수산화 이온이 분해된 각각의 부위에 결합하여 새로운 물질을 형성하는 반응이다. |
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[붙임] 그림 설명 |
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그림1. 중심원자의 종류에 따라 아밀로이드-베타 단백질의 가수분해 정도를 조절하는 금속 착물(M(II)(TMC))의 구조(왼쪽)와 가장 효과적인 코발트 착물(Co(II)(TMC))에 의한 아밀로이드 베타의 분해 결과(오른쪽). 금속 착물은 아밀로이드-베타 단백질의 결합을 끊어 독성을 낮출 수 있는 물질이다. 금속 착물은 어떤 금속이 중심에 있는지 구조가 어떤지에 따라 성질이 달라지는데, 이것이 아밀로이드-베타 단백질을 분해하는 능력과도 연결된다. 임미희 교수팀은 ‘코발트 금속이 중심에 들어간 금속 착물<Co(II)(TMC)>’이 아밀로이드-베타 단백질을 가장 잘 분해한다는 사실을 확인했다. 코발트 착물이 아밀로이드-베타 단백질의 결합을 끊는 원리는 가수분해 현상으로 밝혀졌다. 일반적으로 단백질을 이루는 아미노산의 결합은 물이 더해지면서 분해되는데, 금속 착물의 구조가 물을 끌어들여 아밀로이드-베타 단백질의 결합을 끊은 것이다. 이는 생화학과 분광학, 계산화학 등을 통해 확인됐다. 이때 착물의 배위 환경과 물이 더해진 후의 산성도가 작용기작에 큰 영향을 미친다. 결론적으로 코발트 착물은 아밀로이드-베타 단백질을 가수분해한다. 이 덕분에 아밀로이드-베타 단백질은 기존과 다른 방식으로 응집돼 독성이 낮아진다. 연구진은 또 코발트 착물이 뇌-혈관 장벽을 투과할 수 있고, 생체 내에서 독성이 낮다는 점도 입증했다. 이 결과는 ‘알츠하이머병의 병원 중 하나인 아밀로이드-베타 단백질의 통제에 금속 착물의 이용 가능성을 제시’하고 있다.
그림 2. 폴리아마인(polyamine)과 금속으로 이뤄진 화합물의 구조와 결정 모식도 (a) 싸이클렌(Cyclen), 싸이클램(cyclam), M(II)TMC (trans-I 와 cis-III 이성질체)의 화학 구조 (b) [Co(TMC)(NO3)](NO3)2의 결정 구조 그림 (c) [Ni(TMC)(CH3CN)](NO3)2의 결정 구조 그림
그림 3. 중심에 다른 금속이 들어간 착물들의 아밀로이드-베타 단백질 분해 효과 (a)는 맨 위 그림인 금속 착물(M(II)(TMC))이 없을 때를 기준으로 1가 전하를 띠는 아밀로이드-베타 단백질의 양을 정량화한 결과다. 아래쪽으로 다른 코발트, 니켈, 구리, 아연을 중심에 지닌 금속 착물(M(II)(TMC))과 함께 배양한 후의 아밀로이드-베타 단백질 양이 달라진 것이 보인다. 코발트 착물에서 변화가 가장 큰 모습을 볼 수 있다. (b)에서는 더 낮은 범위의 전하에 대한 질량을 나타낸다. 단백질 분해는 금속 착물이 있는 경우에 잘 분해되는 것으로 관찰됐다. 역시 코발트 착물에서 분해된 아밀로이드-베타 단백질의 양이 두드러졌다. (c, d) 수소 이온 농도에 따른 코발트 착물의 단백질 분해 경향이 달라지는 걸 질량 분석으로 관찰됐으며, 이 결과가 내부표준물질에 의해 정량화돼 (e)에 정리됐다.
그림 4. 서로 다른 금속원자를 지닌 금속 착물(M(II)(TMC))의 아밀로이드-베타 단백질의응집경로 조절 능력 확인 (a) 응집 억제 실험의 과정 모식도 (b) 전기영동과 웨스턴 블랏(Western blot) 실험으로 시각화된 아밀로이드-베타 단백질의 분석 결과다. 시간이 지남에 따라 응집된 분자량이 줄어들어 도표 안쪽에 분자량이 드러나는 장면을 볼 수 있다. (c) 코발트 착물과 함께 24시간 배양시킨 뒤 아밀로이드-베타 단백질(Aβ42)을 투과형전자현미경(TEM)으로 관찰해 단백질 응집이 분해된 걸 확인했다.
그림 5. 코발트 착물과 함께 배양한 아밀로이드-베타 단백질 첨가 시 세포 내 독성 관찰 코발트 착물의 존재 유무에 따른 아밀로이드-베타 단백질의 세포 내 독성을 확인한 그래프다. 세포에 아밀로이드-베타 단백질과 코발트 착물을 넣어 0, 8, 24시간동안 배양했을 때, 첨가하지 않은 대조군(아밀로이드-베타 단백질만 첨가된 상태)에 비해 세포 생존율이 더 높은 것으로 관찰됐다.
그림 6. 아밀로이드-베타 단백질의 응집을 조절하는 금속 착물의 추정 작용기작 (a) 아밀로이드-베타 단백질은 (i)금속 착물의 중심 금속과 단백질의 배위 결합, (ii) 2당량의 금속 착물과 아밀로이드-베타 단백질의 분자 간 배위 결합 혹은 (iii) trans-III 입체 이성질체 형태로의 이성질화와 그에 뒤따르는 팔면체 형성을 통해서 기존의 단백질 응집경로를 변경시켜 형태가 변형된다. (b) 금속 착물은 아마이드 결합의 가수분해를 촉진해 아밀로이드-베타 단백질 조각을 생성한다. 아마이드 결합의 가수분해는 (i)금속-물 친핵체를 생성하는 금속 착물에 의한 물의 활성화, (ii)수산기를 형성하는[(M(II)TMC)(OH)]+ 에 의한 다량의 물의 활성, (iii)아마이드 결합의 루이스 산 활성, (iv) 금속 착물의 양쪽 기질이 배위 결합하는 단핵 연합 기작 혹은 (v)2당량의 금속 착물이 수산화물을 생성하고 아마이드 결합을 활성화하는 이핵 연합 기작에 의해서 촉진될 수 있는 것으로 추정된다. |
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