[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

막단백질(membrane protein)1)은 세포막 또는 세포소기관의 막에 존재하며, 세포 간 신호 전달, 물질 수송, 면역 반응 조절 등 다양한 생명현상의 중심에서 기능하는 중요한 생체분자다. 이들 중 상당수는 이합체(dimer)2) 또는 더 복잡한 올리고머(oligomer) 구조를 이루며 작동한다. 특히, 이합체 형성(dimerization)2)은 막단백질이 세포막 내에서 생리학적 기능을 수행하기 위한 전제 조건이 되는 경우가 많으며, 암, 면역질환, 신경계 질환 등 다양한 병리현상과도 밀접한 연관이 있는 것으로 알려져 있다. 지금까지 이합체 형성 과정은 일반적으로 "두 단백질이 확산을 통해 만나면 곧바로 결합한다"는 단순한 모델로 설명되어 왔다. 하지만 최근에는 막단백질 간 결합이 여러 중간 상태를 거쳐 점진적으로 완성되는 복잡한 과정일 수 있다는 가설이 계산 접근법을 통해 제시되고 있으며, 이를 실험적으로 증명할 필요성이 대두되었다. 그러나 막단백질 결합의 중간 단계까지 실시간으로 정밀하게 추적할 수 있는 실험 기술은 지금까지 존재하지 않았다.

2.연구내용

본 연구에서는 막단백질의 이합체 형성 과정을 실시간으로 추적할 수 있는 실험 플랫폼을 구축하고, 이를 통해 단백질 간 결합이 단순한 결합-해리 과정이 아닌, 복잡한 다단계 형성 과정을 거친다는 사실을 세계 최초로 입증했다. 핵심 실험 기법은 연구팀이 독자적으로 개발한 ‘막단백질 상호작용 단분자 집게’ 기술이다. 이 단분자 집게(single-molecule tweezers)3) 기술은 막단백질 하나하나를 마치 젓가락으로 정교하게 집듯 잡아낸 뒤, 두 단백질이 만나고 다시 떨어지는 전 과정을 고속 카메라로 연속적으로 촬영하듯 실시간으로 포착할 수 있는 기술이다. 이 실험을 통해 연구진은 두 단백질이 접촉한 직후 즉시 완전한 이합체를 이루는 것이 아니라, 여러 구조적 중간 단계들을 거치며 점진적으로 결합 부위를 확장해간다는 사실을 처음으로 관측했다. 또한, 결합 억제 펩타이드(peptide inhibitors)4)를 도입해 결합의 특정 부위를 선택적으로 차단한 결과, 전체 이합체 형성이 중단된다는 점도 확인했다. 이는 막단백질 이합체 형성 과정에서 결정적인 ‘핵심 결합 부위’가 존재함을 시사하며, 해당 부위를 정밀하게 겨냥하는 약물 개발 전략의 가능성을 제시한다.

3.기대효과

이번 연구는 기존의 단순 확산 모델을 넘어서, 막단백질 결합 메커니즘을 보다 정밀하게 이해할 수 있는 새로운 기술 플랫폼을 제시했다. 특히, 암세포 성장에 관여하는 EGFR(epidermal growth factor receptor), 면역조절 기능을 하는 사이토카인 수용체(cytokine receptors) 등, 의약학적으로 중요한 막단백질 시스템에 적용 가능한 기술로 평가된다. 또한, 단백질 간 상호작용의 중간 상태를 표적으로 하는 신약 개발 전략, 예를 들어 핵심 결합 단계를 선택적으로 저해하는 저분자나 펩타이드의 설계에 활용될 수 있다. 이 기술은 질병 유발과 관련된 유전적 변이에 따라 막단백질 결합 양상이 어떻게 달라지는지도 정밀하게 측정할 수 있어, 변이에 따른 기능 변화 분석에도 폭넓게 응용 가능하다. 본 연구에서 개발된 기술은 막단백질 상호작용 연구에 기반한 생명과학, 화학, 약학, 생물물리학 분야 전반에 폭넓게 기여할 수 있는 가능성을 보여준다.

[붙임] 용어설명

1.막단백질 (membrane protein)

세포막 또는 세포소기관의 막에 존재하며, 물질 수송, 신호 전달, 세포 간 상호작용 등 생명 활동에 핵심적인 역할을 수행하는 단백질. 의약학적으로 매우 중요하며, 현재 시판 중인 약물의 절반 이상이 막단백질을 표적으로 작용함.

2.이합체 (dimer)

두 개의 단백질이 결합하여 하나의 기능 단위를 이루는 상태. 해당 결합 과정을 이합체화(dimerization) 과정이라고 함. 이합체 형성은 신호 전달, 면역 반응, 세포 분화 등 다양한 생명현상에서 핵심적인 조절 메커니즘으로 작용함.

3.단분자 집게 (single-molecule tweezers)

단백질 한 개를 물리적으로 잡아 조작하고 그 움직임이나 구조 변화를 정밀하게 측정할 수 있는 실험 기법. 본 연구에서는 막단백질 두 개가 결합하고 떨어지는 전 과정을 실시간으로 추적할 수 있는 단분자 집게 기술을 개발.

4.결합 억제 펩타이드 (peptide inhibitor)

아미노산이 짧게 연결된 단백질 조각으로, 특정 단백질 간 결합을 경쟁적으로 차단하거나 조절하는 실험 도구로 활용됨. 본 연구에서는 막단백질이 결합하는 특정 단계를 선택적으로 저해하는 용도로 사용됨.

[붙임] 그림설명

그림1. 본 연구에서 개발한 실험 기법과 주요 결과. (a) 막단백질 상호작용 단분자 집게 기술의 모식도. 이 기술을 통해 막단백질 간 결합과 분리 과정을 반복적으로 실시간 관찰할 수 있음. (b) 대표적인 실험 결과. 막단백질 이합체가 형성되는 과정을 실시간으로 추적하고, 기존에는 관측할 수 없었던 여러 중간 상태들을 포착. (c) 막단백질 이합체 형성 과정에서의 구조 변화 및 결합 억제 메커니즘의 모식도. 결합 억제 펩타이드의 도입을 통해 핵심 중간 단계를 차단하면 전체 결합이 저해된다는 사실을 확인함.