[붙임] 연구결과개요

1.연구배경

인체 내 산화 스트레스는 단백질 손상을 유발하며, 손상된 단백질의 축적은 인간의 노화 및 질병과 밀접한 관련이 있다. 일반적인 단백질 손상 경로는 활성산소1)(reactive oxygen species; ROS)의 자유 확산(free diffusion)을 통해 주로 단백질의 표면을 공격하는 방식으로 작동한다. 그러나 복잡한 단백질 구조에는 산소와 같은 작은 기체 분자를 포획(capture)할 수 있는 내부 공간(cavity)2)이 존재한다는 점에 주목할 필요가 있다. 인체 조직 내 산소 농도는 대기 중 약 21%에 비해서는 낮지만 여전히 약 13%로 비교적 높은 수준으로 용해되어 있다는 점을 고려할 때, 산소 포획 현상은 세포 내 단백질 손상에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 본 연구는 산소 포획에 의해 유발되는 단백질 손상 경로가 청색광(블루라이트; blue light)에 의한 단백질 손상 경로의 주요 작동 원리임을 제시한다.

2.연구내용

본 연구에서는 '산소가둠 광산화3) 경로(oxygen-confined photooxidation pathway)'라고 명명한 독특한 단백질 손상 경로를 제시한다. 이 경로에서는 먼저 체내에 녹아 있는 산소 분자가 단백질 내부 공간에 포획된다. 이후 청색광이 조사되면 트립토판(tryptophan) 아미노산과의 상호작용을 통해 활성산소가 단백질 내부에 생성된다. 생성된 활성산소는 일중항 산소 (singlet oxygen; ¹O₂) 및 하이드록실 라디칼 (hydroxyl radical; •OH) 등이 포함된다. 이렇게 생성된 활성산소는 단백질 내부를 돌아다니며 궁극적으로 단백질 손상을 유발한다. 활성산소가 단백질 내부에 갇혀 이동하기 때문에 기존 항산화(antioxidant)4) 시스템이 제대로 작동하기 어렵다. 이는 일반적인 단백질 손상 경로와는 본질적으로 완전히 다른 새로운 단백질 손상 경로이다.

또한 이러한 단백질 손상 경로는 세포 내 다양한 단백질에 광범위하게 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 다양한 종류의 실험, 계산, 통계 및 생명정보학적 접근 방식을 활용하여, 청색광에 의해 유도되는 새로운 단백질 손상 경로를 다각도로 입증하였다. 본 연구는 청색광에 직접 노출되는 피부·눈 조직 내의 단백질 항상성(protein proteostasis)에 중요한 함의를 제공한다.

3.기대효과

본 연구는 청색광에 의한 단백질 산화 손상의 새로운 경로를 제시한다. 이 경로는 세포 내 항산화 방어 시스템을 우회하여 단백질 손상에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 발견은 청색광에 직접 노출되는 피부와 눈의 노화 및 질병의 분자적 원리를 제공한다. 본 연구는 피부와 눈 조직의 노화를 지연시키고 질병의 예방 및 치료 전략을 수립하는 데 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.활성산소 (reactive oxygen species)

산소 분자로부터 유래한 반응성이 높은 분자로, 세포 내 산화적 스트레스를 유발. 활성산소는 세포 내 대사 과정이나 외부 자극(예: 자외선(UV), 청색광, 방사선)에 의해 생성되며, 단백질, DNA, 지질을 손상시킬 수 있음.

2.단백질 내부 공간 (protein cavity)

단백질 구조 내에 존재하는 빈 공간이나 구멍으로, 기체 분자나 소분자 화합물이 포획될 가능성이 있는 단백질 영역.

3.광산화 (photooxidation)

빛 에너지에 의해 유도되는 산화 반응으로, 단백질, DNA, 지질 등 생체분자의 산화적 손상을 유발.

4.항산화 (antioxidant)

산화 반응을 억제하거나 지연시키는 물질로, 활성산소의 반응을 차단하여 세포와 생체분자의 산화 손상을 감소시킴.

[붙임] 그림설명

그림1. 본 연구에서 밝힌 청색광에 의한 단백질 손상 경로. 세포 내에 용해된 산소 분자는 단백질 내부의 빈 공간(cavity)에 포획된다. 포획된 산소는 트립토판(Trp) 아미노산과 상호작용하며 청색광(400–500 nm)의 에너지를 흡수하고, 반응성이 강한 활성산소(reactive oxygen species; ROS)로 변환된다. 생성된 활성산소는 단백질 내부를 돌아다니며 단백질의 산화 손상을 유발한다. 이로 인해 단백질의 내부 구조가 손상되어 기능을 상실하게 된다.