송지준 교수팀, 분자생물학 분야에 세계적 학술지인 ‘이라이프(eLife)’에 논문 게재
국내 연구진이 헌팅턴씨 퇴행성 뇌질환* 원인 단백질 구조를 규명하고 병을 일으키는 메커니즘을 규명하였다.
* 헌팅턴씨 병(Huntington’s disease)은, 퇴행성 뇌질환으로 자율신경계에 문제가 생겨 환자의 손발이 마치 춤을 추는 것과 같아‘헌팅턴 무도병’으로도 알려져 있음
한국연구재단(이사장 정민근)은 교육부 일반연구자지원사업의 지원을 받은 송지준 교수팀(한국과학기술원)이 하버드 의과대학 성인식 교수팀과 공동연구를 수행하여 헌팅턴씨병의 원인인 단백질 3차원 구조와 단백질 구조변화를 일으키는 원인을 규명하였다고 밝혔다.
연구결과는 독일(막스 플랑크 인스티튜트), 미국(하워드 휴지스 메디컬 인스티튜트), 영국(웰컴 트러스트) 등 3개국이 공동으로 발간하는 분자생물학 분야에 권위있는 학술지인 ‘이라이프(eLife)’저널에 3월 22일에 게재되었다.
헌팅턴씨병은 헌팅틴(Huntingtin)이라는 단백질 아미노터미널 부분에 글루타민이 증가*함에 따라 병이 생기는 것으로 알려져 있다. 그러나 헌팅틴 단백질의 기능과 작용원인에 대해서는 거의 알려져 있지 않은 상태였다.
* 글루타민 증가에 따라 글루타민 아미노산이 연속적으로 연결되어 있는 상태(폴리글루타민)가 됨
또한 헌팅틴은 연구가 매우 힘들고, 아미노산 말단에 존재하는 폴리글루타민 확장이 전체 헌팅틴에 미치는 영향과 병을 일으키는 원인이 미스터리였다.
이에 송지준 교수팀은 3,000여개의 아미노산으로 이루어진 헌팅틴 단백질을 순수 발현 정제하여 단백질의 3차원 구조를 규명하였다.
또한 병을 유발하는 폴리글루타민의 위치를 파악하기 위해 폴리글루타민 복합체를 만들고 전자현미경을 이용하여 3차원 구조를 규명하였다.
한편 폴리글루타민이 헌팅틴에 미치는 영향을 밝히기 위해 글루타민 증가에 따른 결합 네트워크의 변화를 규명하여 폴리글루타민이 헌팅틴 단백질 구조에 변화를 가져온다는 것을 확인하였다.
송지준 교수는 “이번 연구 결과는 헌팅턴씨병을 일으키는 헌팅틴 단백질의 작용 메커니즘 이해와, 헌팅턴씨병의 치료제를 개발하는데 이정표를 제공할 것이다”라고 연구의 의의를 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
헌팅턴씨병은 헌팅틴 단백질의 아미노 말단에 폴리글루타민의 길이가 확장에 의해 일어나는 퇴행성 뇌질환이다.
하지만, 병을 유발하는 폴리글루타민확장이 헌팅틴 단백질 전체에 미치는 영향에 대해서는 알려져 있지 않았다.
또한, 헌팅틴 전체 단백질의 구조 생화학적 특성이 전혀 알려져 있지 않았다.
2. 연구내용
다양한 구조 생화학적 방법론을 이용하여 폴리글루타민의 확장이 헌팅틴 전체단백질에 미치는 영향을 규명
거대한 헌팅틴이 5개의 도메인으로 이루어져 있고 단백질이 접힘으로 구형의 형태를 취하고 있다.
헌팅틴 단백질 아미노말단에 존재하는 폴리글루타민의 길이가 늘어남에 따라, 전체 구조가 변화한다.
3. 기대효과
본 연구결과는 세계최초로 폴리글루타민 확장에 의해 변형되는 헌팅틴 단백질 전체의 특성분석하여, 아미노 말단에 존재하는 폴리글루타민 확장이 병을 일으키는 기작에 대한 이해를 제공하였다.
본 연구결과를 바탕으로 아탁시아와 같은 폴리글루타민 확장에 의한 다른 퇴행성 뇌질환의 발병기작 이해와, 헌팅턴씨병에 대한 치료제 개발의 기틀을 마련하였다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
헌팅틴 단백질에서 글루타민의 개수가 확장 (폴리글루타민)이 현팅턴 퇴행성 뇌질환(헌팅턴씨 병)을 유발한다는 사실은 1993년도에 알려져 있었다. 하지만, 헌팅틴 단백질은 3,000개 이상의 아미노산으로 이루어져 그 크기가 매우 큰 단백질로 분자 구조 및 생화학적 연구가 전무한 상태였다. 송지준 교수와 성인식 교수가 하버드 의과 대학에서 박사후 연구원으로 근무할 때 헌팅틴 단백질의 작용기작에 대해 연구를 시작하였다. 그 후로, 송지준 교수는 KAIST에, 성인식 교수는 하버드 의과대학에 교수로 독립적인 연구를 수행하게 되었고, 두 연구 그룹이 다양한 방법론을 이용하여 헌팅턴씨병을 유발하는 헌팅틴 단백질의 작용기작에 대한 연구를 지속적으로 진행하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
본 과제의 책임자인 KAIST 송지준 교수는, 단백질 구조 전문가로 헌팅턴 단백질의 구조기반 기능연구를 헌팅틴씨 병의 전문가인 성인식 교수와 연구를 2005년부터 수행하였고, 2010년에는 세계 최초도 헌팅틴 단백질 전체를 제조합형태의 단백질을 생산에 성공하고, 그 생화학적 기능을 밝혀서 논문을 게제하였다. 그 후 송지준 교수가 2009년 KAIST에 부임하고, 2012년 성인식 교수가 하버드의대에 부임하게 되면서 공동연구를 지속 적으로 진행하였다. 연구의 Break-through는 송지준 교수가 2013년에 1년동안 안식년으로 스웨덴 노벨 생리의학상 선정기관인 Karolinska Institutet, Hans Hebert 교수 연구그룹에 전자현미경을 이용한 단백질 구조 연구를 수행하던 중, 전자현미경을 이용하여 헌팅틴의 3차원 구조를 규명하였고, 하버드의대의 성인식교수팀과 밀접한 공동연구를 진행하여 본 연구결과를 도출하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
헌팅틴 단백질은 매우 거대한 단백질 (3,000개 아미노산으로 이루어짐)이여서 헌팅턴씨 병을 연구하는 대부분의 연구자들은 아미노 말단의 100개 미만의 아미노산으로 이루어진 조각으로 연구를 진행하고 있고, 지금까지 알려진 헌팅틴 단백질에 대한 컨셉이 대부분 100개 미만의 헌팅틴 단백질 조각으로부터 기인한 것이다. 본 연구에서는 헌팅틴 단백질 전체를 이용하여 연구를 진행하였는데, 헌팅턴씨 병의 연구자들이 한팅틴 단백질 조각으로부터 얻은 컨셉을 적용하여 본 연구결과를 해석하고자 하여 많은 마찰이 있었다. 예를 들어 본 논문이 처음 eLife에 투고되었을 때는 이러한 이유로써 게제 거절을 당했었는데, 이러한 상황에서 본 연구그릅은 이러한 게제 거절이유의 부당함을 편집자에게 항의를 하였고 이것이 받아들여져 논문을 다시 보낼수 있게 되었고, 결국 게제 승인이 이루어졌다.
과학은 새로운 것을 발견하는 것임에도 불구하고, 기존에 알려진 컨셉에 반하는 새로운 결과를 얻었을 경우 학계에서 받아들이기가 힘들어 한다는 것을 느겼다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
지금까지 헌팅틴 단백질 전체의 3차원 구조를 세계 최초로 규명하고, 아미노터미널에 존재하는 글루타민의 확장이 단백질 전체의 구조를 변화시킴을 밝혀, 헌팅턴씨 병의 원인의 기작을 규명.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
헌팅틴 단백질 전체의 3차원구조를 원자수준의 해상도로 규명하고, 헌팅틴씨 병의 치료제를 개발하는 것이다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
본 연구는 한국, 미국, 스웨덴, 스위스등 다양한 연구그릅의 다양한 방법론을 적용한 다중 국제 연구(multi-international collaboration)를 통해서 얻어진 결과이다.
용 어 설 명
1. eLife
미국 Howard Hughes Medical Institute, 영국 Wellcome Trust, 독일 Max Planck Institutes 의 3개의 기관이 합작으로 발간하는 생물학 분야 권위 있는 저널이다. 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(impact factor) 9.3 을 가지고 있다.
2. 헌팅턴씨 병
헌팅턴씨 병은 퇴행성 뇌질환으로 헌팅틴 단백질의 아미노산 말단에 글루타민 아미노산의 개수가 늘어나면서 생기는 병으로, 자율신경계에 퇴행이 일어나 손 발이 마치 춤추는 것과 같아 헌팅턴 무도병으로도 알려져 있다.
3. 헌팅틴
헌팅턴병을 일으키는 단백질로서 3,000개 이상의 아미노산으로 이루어진 매우 큰 단백질이다. 헌팅틴 단백질은 아미노산 말단에 글루타민이 존재하고 이것의 확장이 병을 일으킨다. 하지만, 헌팅틴은 발달과정에 매우 중요한 것으로 알려져 있으나, 헌팅틴 단백질의 기능 및 구조는 알려져 있지 않다.
4. 폴리글루타민
글루타민 아미노산이 연속적으로 연결되어 있는 상태이다.
5. 전자현미경
본 연구에서 사용한 전자현미경은 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy) 로서 단백질 시료를 투과하여 형상을 투영한다. 이렇게 얻어진 형상을 컴퓨터를 이용하여 3차원 구조로 재구성하는 구조 결정 방법론이다.
그 림 설 명
그림 1. 헌팅틴씨 병을 유발하는 헌팅틴 단백질의 3차원 전자현미경 구조
그림 2. 헌팅틴 단백질의 전체 도메인 구조와, 아미노산 말단의 글루탐산 확장이 전체에 미치는 영향을 도식적으로 표시
