^*리소좀(Lysosome): 단백질 분해 효소가 들어있는 세포 내의 작은 주머니. 일반적으로 못 쓰게 된 세포소기관을 파괴하거나 외부에서 탐식작용을 통해 먹어 치운 바이러스나 박테리아 같은 외부 물질들을 파괴하는 역할을 한다.

^*단백질의 4차 구조: 여러 개의 폴리펩타이드가 소수성 결합 때문에 모여 하나의 단백질로 작용하는 것으로, 하나의 폴리펩타이드가 단백질로서 고유 역할을 하는 경우 존재하지 않기도 한다. 3차 구조와 마찬가지로 디설피드 결합과 수소결합, 이온 결합 등에 의해 더욱 안정해진다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

자가포식작용1) (autophagy)은 세포의 항상성2)을 유지하기 위하여 세포 내 노폐물과 기능이 저하된 세포소기관3)을 청소하거나 바이러스, 박테리아와 같은 외부 침입자를 제거하는 필수적인 분해 기작으로 세포의 생존에 기여한다.

분해되는 물질에 대한 선택성에 따라 비선택적 자식작용과 선택적 자식작용으로 구분될 수 있으며, 선택적 자식작용은 어떤 물질이 선택적으로 분해기관인 리소좀4)으로 수송되는 지에 따라 나누어진다. 자식작용에 이상이 생기면 파킨슨병, 치매 등의 퇴행성 신경질환, 염증성소화기 질환, 암, 노화 등의 대사 질환을 일으키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

다양한 종류의 자식작용에 공통적으로 관여하는 것으로 알려진 단백질 중 Vacuole related 8 (Vac8) 단백질은 결합하는 단백질에 따라 다양한 자식작용을 결정한다고 알려져 있다.

Vac8 단백질이 Nvj1 단백질과 결합할 때에는 핵의 일부분을 분해하는 PMN (piecemeal microautophagy of the nucleus)5)을 일으키는 반면, Atg13 단백질과 결합 시, 세포질 가수분해효소6)를 리소좀으로 수송하는 Cvt (Cytoplasm-to-vacuole targeting) pathway7)를 매개한다. 하지만, 어떻게 Vac8가 결합하는 단백질을 구분하여, 자식작용의 종류를 결정하는 지에 대한 연구는 미지의 영역으로 남아 있었다.

2. 연구내용

이 연구에서는 단일 진핵세포8) 생명체인 효모를 연구모델로 이용하였다. 효모 세포에서 Cvt pahtway에 관여하는 것으로 알려진 Vac8-Atg13 단백질 복합체의 3차원 구조를 X-ray 결정 구조 분석법9)과 소각산란법10)을 통해 규명하였다.

기존에 본 연구팀이 규명하였던 아치 모양의 4차 구조11)를 이루고 있는 Vac8-Nvj1 단백질 복합체와는 달리, Vac8-Atg13 단백질 복합체는 긴 나선 모양의 4차 구조를 형성하는 것을 확인 하였다. 이러한 구조생물학적 연구결과를 바탕으로 Vac8 단일 단백질이 어떻게 다른 상호작용으로 결합 단백질을 구분하고, 또 이러한 복합체 형성이 다른 형태의 4차 구조를 유도함으로써 어떻게 다양한 자식작용을 조절하는지에 대한 매커니즘을 규명하였다.

또한 효모에 Atg13 결합 구조에 관여하는 아미노산 돌연변이를 유도하여 이와 같은 가설을 검증했다. 실험 결과 Atg13 결합 구조에 이상이 있는 경우 Cvt pathway가 일어나지 않지만, PMN 반응은 일어났다. 이는 세포 내에서 Vac8 단백질이 다양한 4차 구조를 형성하여 자식작용의 종류를 결정한다는 것을 입증하는 것이다.

이 연구는 자식작용에 관여하는 단백질 복합체의 다양한 4차 구조를 X-ray 결정 구조를 이용하여 규명한 세계 최초의 연구이다. 단일 단백질의 4차 구조가 다양한 자식작용을 결정할 수 있다는 이론을 제안한 것에 큰 의의가 있다 할 것이다.

3. 기대효과

이 연구는 진핵세포의 세포 항상성 유지를 위해 필수적인 자식작용 매개 단백질 복합체의 3차원 구조를 규명하고 이를 바탕으로 작동 매커니즘을 규명하였다. 단백질 복합체의 다양한 4차 구조 형성과정은 자식작용뿐만 아니라 여러 세포 내 대사 과정 작동 매커니즘 규명을 위한 다양한 연구에 널리 활용될 수 있을 것으로 보인다. 또한, 자식작용의 결함에 의해 야기되는 질병의 치료법 개발에 이론적 단초를 제공할 수 있으리라 사료된다.

[붙임] 용어설명

1. 자가포식작용/자식작용 (autophagy)

세포 내 불필요하거나 기능이 고장난 세포소기관을 분해시키는 메커니즘. 크게 거대자가포식, 미세자가포식, 샤페론 매개 자가포식으로 나뉨. 모든 진핵세포 안에서 발생하며 독성 단백질의 축척으로부터 세포를 보호하고 세포 내 항상성을 유지하는 데 필요하다.

2. 항상성 (homeostasis)

생물체 또는 생물 시스템이 외적 및 내적인 여러 가지 변화 속에 놓여 있으면서도 형태적 상태, 생리적 상태를 안정된 범위로 유지하여 개체로서의 생존을 유지하는 성질.

3. 세포소기관

인체에 여러 가지 기관이 존재하는 것처럼 진핵세포의 내부에 존재하며 세포의 여러 가지 기능을 분업으로 하고 있는 구조단위.

4. 리소좀

세포소기관 중 하나로 가수 분해 효소를 많이 지니고 있어서, 세균 등의 이물질을 소화하는 역할을 한다. 세포질 중에서 볼 수 있다.

5. PMN (Piecemeal microautophagy of the nucleus)

선택적 자식작용의 한 종류. 세포 내 영양 부족 시, 핵의 일부분이 핵-리소좀 간 막접촉점을 통해 리소좀으로 직접 수송되어 분해되는 과정.

6. 가수분해효소 (hydrolase)

화학 반응시 물을 필요로하는 가수분해 반응을 촉매하는 효소. 분해되는 결합과 화합물의 종류에 따라 분류됨.

 7. Cvt (Cytoplasm-to-vacuole targeting)  pathway

선택적 자식작용의 한 종류로, 세포자식작용이 분해보다는 생합성에 이용되는 경우. Aminopeptidase I, Ape4 등과 같은 가수분해효소를 세포질에서 리소좀으로 수송하는 기작.

8. 진핵세포

핵막으로 둘러싸인 핵을 갖는 세포로, 핵막이 없는 세포(원핵세포)로 이뤄진 세균류 등을 제외한 모든 동물세포, 식물세포가 여기에 속한다. 진핵세포 내에는 세 세포의 염색체를 포함하는 핵, 리보솜, 골지체, 리소좀과 같은 세포내 소기관이 존재한다.

9. X-선 결정법 (X-ray crystallography)

단백질과 같은 화합물들의 3차원 구조를 원자수준의 해상도로 분석할 수 있는 방법. 분석하고자 하는 시료를 단결정화 시키고, X-선에 회절 시켜 나온 데이터를 분석하여 3차원 구조를 규명.

10. 소각 산란 분석법 (Small-angle X-ray scattering)

X-선이 시료를 통과할 때 보통의 회절 현상보다 더욱 각도가 작은 영역에서 일어나는 산란으로 입자의 크기나 형상, 집합의 상태를 정량적으로 구하는 방법.

11. 단백질 4차 구조 (protein quaternary structure)

복수의 폴리펩티드사슬이 비공유결합으로 회합하여 특정한 공간적 배치를 하는 단백질의 고차구조. 각 폴리펩티드사슬을 기본단위체 또는 소단위라고 하고, 회합체를 올리고머라고 한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 결합 단백질에 따른 Vac8 단백질의 4차 구조 변화 X-ray 결정법에 의해서 얻어진 PMN을 매개하는 Vac8-Nvj1 복합체의 3차원 구조 (위 패널 왼쪽 그림)와 소각 산란 분석법을 통해 얻은 저해상도 구조 (위 패널 오른쪽 그림) 모두 Vac8 단백질이 Nvj1과 결합 시 아치 모양의 4차 구조를 이루게 되는 것을 보여주고 있다. Cvt pathway를 매개하는 Vac8-Atg13 복합체의 결정 구조 (아래 패널 왼쪽 그림)와 소각 산란 분석법의 저해상도 구조 (아래 패널 오른쪽 그림)는 Nvj1과 다르게 Atg13과 결합 시 Vac8 단백질이 긴 나선 모양의 4차 구조를 형성하는 것을 보여주고 있다.

그림 2. Vac8 단백질이 효모세포에서 다양한 4차 구조를 통해 선택성 자식작용을 결정함 Vac8 정상 단백질이 발현되는 세포에서는 PMN과 Cvt pathway 둘 다 잘 유도되지만 (왼쪽 그림), 나선 모양의 4차 구조를 형성하는데 관여하는 아미노산을 돌연변이 시킨 Vac8단백질을 발현시키는 세포에서는 아치 모양의 4차 구조는 유지되어 PMN이 계속 유도되지만 (오른쪽 위), 나선 모양의 4차 구조는 형성되지 못하여 Cvt pathway가 일어나지 않는다 (오른쪽 아래). 그림에서 Vac8 단백질이 존재하는 리소좀이 붉은색으로 염색되었고, Nvj1 단백질 (위)과 Cvt pathway에 의해 수송되는 Ape1 단백질 (아래)이 초록색으로 표지되었다