[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

생명체의 기본단위인 세포는 여러 기능을 수행하며 끊임없이 분열한다. 이러한 세포분열 시에는 자가포식 작용의 조절이 필요한데, 자가포식 작용이 일어나게 되면, 세포소기관을 비롯한 세포 내 물질들이 분해되어 온전한 딸세포로의 분열이 일어나지 않을 수 있기 때문이다.

Vac8 단백질은 리소좀에 존재하는 단백질로써, Nvj1, Atg13과 같은 결합 파트너와 복합체를 이루면, Cvt, PMN과 같은 세포 속 선택적 자가포식 기능을 조절하는 단백질이라고 알려져 있다.

또한, Vac8 단백질은 선택적 자가포식 작용을 조절할 뿐 아니라, Vac17과 Myo2단백질과 결합하여 리소좀의 딸세포로의 이동에도 관여한다고 알려져 있다. 리소좀 단백질인 Vac8이 Vac17을 매개로 Myo2와 결합하게 되면, Myo2는 액틴과 결합하고 이동하여 리소좀을 수송시키는 원리이다.

이러한 세포 내 리소좀 이동에 대한 사실은 알려져 있으나, 어떻게 Vac8과 Vac17이 결합하여 해당 역할을 수행하는지, 그리고 세포분열 시 어떠한 원리로 세포 내 자가포식을 억제하고, 리소좀 수송 기능을 수행할 수 있는지에 대한 분자적 수준의 연구는 아직 미지의 영역으로 남아 있다.

2. 연구내용

이번 연구는 구조를 기반으로 세포 분열시 리소좀의 수송에 관련된 Vac8-Vac17 복합체의 작동 원리를 규명하는 것과 해당 기작이 자가포식작용과 어떻게 독립적으로 일어나며 서로를 조절할 수 있는지에 대한 이해를 목표로 두고 진행했다. 연구팀은 X-선 구조 분석법을 사용하여 리소좀 수송에 관여하는 Vac8-Vac17 복합체의 고해상도 구조를 규명했다.

해당 구조에서는 특이하게도, Vac8-Vac17 복합체 사이에는 기존의 Vac8과 결합파트너 구조에서 보인 인터페이스와 유사한 인터페이스 I, 그리고 Vac8-Vac17 복합체에서만 특이적으로 존재하는 인터페이스 II가 존재함을 확인했다. 특히 인터페이스 II는 Vac8의 H1 helix와 직접적인 결합을 통해 형성된다는 특징이 있다. 해당 부분의 결합 인터페이스 형성을 방해하는 돌연변이 제작을 통해 각각 인터페이스가 복합체 형성에 중요한지를 등온 열량 적정계와 풀-다운 실험을 통해 확인해 본 결과, 두 인터페이스가 모두 정상적으로 만들어져야 단백질 복합체가 형성된다는 사실을 확인했다. 또한, 해당 복합체의 형성이 방해되면, 실제 세포 속에서도 세포 분열시 리소좀 수송이 일어나지 않는다는 사실을 직접적으로 입증했다.

또한 본연구에서는 Vac8이 특정 결합 파트너와 복합체를 이루었을 때, Vac8 단백질이 형성하는 사차 구조가 자가포식과 리소좀 수송을 구별하여 조절한다는 사실을 입증해냈다.

이전에 밝혀진 Vac8-Nvj1, Vac8-Atg13 복합체가 이형-사량체를 형성하는 것과 다르게 Vac8-Vac17 복합체는 이형-이량체를 형성하는 것을 단백질의 구조와 크기 배제 크로마토그래피 방식으로 확인할 수 있었다.

본 연구에서 이러한 구조적 차이는 Vac8의 H1 helix에 의해 조절된다는 사실을 밝혀냈다. H1 helix는 ARM도메인 단백질인 Vac8의 N-말단에 존재하는 약 15개의 아미노산으로 이루어져 있다. H1 helix는 ARM도메인과 강하게 결합하지 않고 약한 결합으로 존재한다. 그래서 자가포식을 일으키는 결합파트너인 Nvj1과 Atg13이 Vac8과 결합하게 되면, H1 helix는 ARM도메인으로부터 분리 되어 Vac8이 이량체를 형성하게 된다.

하지만 Vac8-Vac17 복합체가 형성되면, Vac17의 Hc helix가 Vac8의 H1 helix와 결합하여 H1 helix가 ARM1으로 부터 분리될 수 없게 한다. Vac17이 H1 helix가 떨어지지 못하도록 붙잡는 역할을 하는 것이다. 이렇게 Vac8의 이량체 형성이 저해되면, 자가포식을 일으키는 단백질인 Nvj1, Atg13과 Vac8의 복합체 형성을 저해하게 된다.

H1 helix의 분리가 Vac17에 의해 억제되면, Vac8은 선택적 자가포식을 일으키는 복합체를 형성할 수 없게 된다. 이는 Vac8이 자가포식을 억제하고 리소좀 수송을 일으키며 세포분열이 가능한 환경을 조성하도록 세포 내 기능을 조절하는 것을 의미한다.

3. 기대효과

세포분열 시 세포는 다양한 메커니즘을 조절함으로써 모세포에서 딸세포로 정상적인 기능을 하는 여러 세포로 나눠진다. 이러한 세포분열에서는 자가포식 작용의 조절이 매우 중요하다. 현재까지는 특히 세포 내 청소작용을 하는 자가포식이 세포분열 시 어떠한 방식으로 억제가 되고, 세포소기관의 유전이 일어나는지에 대한 연구가 부족했다.

이번 연구를 통해, 세포분열 시 리소좀의 수송과 자가포식의 프로세스를 Vac8-Vac17 결합체를 통해 조절할 수 있음을 세계 최초로 입증했다. 해당 연구는 세포분열 시 단일단백질이 어떤 방식으로 세포 내 프로세스를 조절할 수 있는지를 이해시켜주는 중요한 발견이다. 이는 결국 세포의 비정상적 분열로 인해 발생하는 질병인 암, 그리고 여러 종류의 만성질환 등의 치료연구에 있어서 중요한 초석이 될 것이다.