단백질신호다이나믹스 연구실은 한양대학교 생명과학과에서 2019년 3월에 문을 열었습니다. 저희 연구실에서는 세포의 실질적인 일꾼인 단백질들이 저마다의 역할을 수행하고 또한 복잡한 상호작용을 하며 다양한 생명현상에 관여하고 있지만 이들 모두에게 공통으로 작용하는 조절 기전이 있지 않을까 하는 단순한 의문점을 시작으로 연구를 진행하고 있습니다.
세포에서는 끊임없이 다양한 일들이 일어나고 있고, 세포의 필요에 의해 어떠한 일들이 일어나야 하는가에 따라 그에 맞는 구조와 활성을 가진 단백질들이 리보솜에 의해 합성되기 때문에 사실 이들에 대해 공통적으로 작용하는 무언가를 찾는 것은 쉽지 않습니다. 하지만, 이렇게 복잡하게 보이는 단백질들에도 몇 가지 공통점이 있습니다. 첫째, 단백질은 20 종류 아미노산의 조합으로 대부분 세포에 존재하는 리보솜에 의해 만들어 집니다. 둘째, 단백질은 어떠한 형태로 변형이 되더라도 N-말단과 C-말단을 가지게 됩니다. 셋째, 대부분의 단백질들은 리보솜이 AUG codon을 인식하면서 20 종류의 아미노산 중 메티오닌 (Methionine)부터 합성이 시작됩니다. 넷째, 단백질의 양, 다시 말해 해당 단백질이 얼마나 많이 있느냐가 그 기능의 작용 정도에 큰 영향을 미치게 됩니다.
저희 연구실은 이러한 관점을 바탕으로 세포의 생명 현상들은 각각의 단백질들의 양이 그에 걸맞게 조절됨을 통해 일어나며, 단백질의 양은 그 생성과 분해의 평형 상태에 따라 달라질 수 있고, 이 평형 상태 역시 세포의 필요에 의해 변화할 수 있다는 가정 하에 단백질의 양적 평형을 조절하는 공통 기전을 연구하고 있다고도 볼 수 있습니다.
이를 위해, 저희 연구실에서는 모든 단백질이 필연적으로 갖게 되는 N-말단에 20 종류의 아미노산들이 모두 위치할 수 있으며, N-말단의 아미노기 (NH2-)가 화학적 변형을 가지게 되면서 그 상태에 따라 단백질의 분해 신호 (N-degron)으로 작용한다는 사실을 기반으로 극히 최근에 발견한 진핵세포 단백질의 N-말단 포밀화 (N-terminal formylation)에 대해 중점을 두고 현재의 연구를 수행하고 있습니다.
단백질 합성이 시작될 때 가장 먼저 사용되는 아미노산인 메티오닌은 tRNA에 의해 리보솜으로 전달됩니다. 박테리아, 미토콘드리아, 엽록체들에서는 메티오닌-tRNA가 포밀트랜스퍼라아제 효소에 의해 N-말단이 포밀화된 포밀메티오닌-tRNA로 전환된 형태로 사용되어, 모든 단백질들은 N-말단 포밀화가 된 상태로 만들어 집니다. 진핵세포에서는 이와 다르게 변형되지 않은 메티오닌-tRNA을 단백질 합성의 시작에 사용하기 때문에 N-말단 포밀화는 박테리아들이나 이들과 공통 조상을 가지는 미토콘드리아, 엽록체들의 단백질들에서 일어나는 화학적 변형으로만 알려져 있었습니다. 하지만, 최근 이러한 N-말단 포밀화가 tRNA 단계에서의 변형이라는 동일한 과정을 통해 진핵세포의 단백질 합성에서도 일어날 수 있으며, 이를 통해 생성된 단백질의 N-말단 포밀메티오닌이 하나의 분해 신호로 작용할 수 있음이 제가 수행했던 선행 연구를 통해 밝혀지게 되었습니다 [그림 1].
진핵세포에서 N-말단 포밀화 단백질 생성과 분해의 핵심은 N-말단 포밀화 단백질의 생성인자인 포밀트랜스퍼라아제 Fmt1과 분해인자인 Psh1 E3 유비퀴틴 리가아제가 특정한 조건에서 세포질에 위치해야 한다는 것입니다. 다시 말해, Fmt1은 미토콘드리아로 이동이 되지 않고 세포질에 남아 있어야 포밀메티오닌-tRNA를 생성할 수 있고, 세포질에서 합성된 N-말단 포밀화 단백질의 분해가 조절되기 위해서는 Psh1 E3 유비퀴틴 리가아제가 원래의 위치인 핵이 아닌 세포질에 있어야 한다는 것입니다. 하지만, Fmt1과 Psh1의 위치 조절에 관여하는 인자들이나 그에 의한 자세한 조절 기전에 대해서는 구체적으로 밝혀지지 않았습니다. 저희 연구실에서는 단백질의 N-말단 포밀화가 진핵세포에서 갖는 생물학적 의미를 보다 정확히 이해하기 위해서는 우선적으로 Fmt1과 Psh1의 위치 조절 기전에 대한 이해가 선행되어야 할 것으로 보고, 이들의 위치를 감지하는 리포터들을 활용하여 다양한 조건에서의 위치 변화 분석을 수행 중에 있습니다 [그림 2].
Psh1 E3 유비퀴틴 리가아제는 N-말단 포밀화 단백질의 분해인자로도 기능함이 밝혀지기 전까지, 그 주요 기능이 핵에 있는 염색체의 centromere에 결합하는 히스톤 H3 variant인 Cse4 (사람의 CENP-A) 단백질을 분해 조절하는 것으로 핵에 주로 위치하는 것으로 알려져 있었습니다. 하지만, 세포질에서 생성되는 N-말단 포밀화 단백질의 분해를 조절하기 위해서는 Psh1은 아마도 세포질에 위치해야 할 것으로 생각됩니다. 저희는 이러한 위치 변화에 의해 Psh1의 상호작용 인자들이 Cse4의 분해에 전문화된 조합에서 N-말단 포밀화 단백질 분해에 전문화된 조합으로 변화할 것으로 예상하고 있습니다. 따라서, 단백질의 N-말단 포밀화가 유도되는 조건에서 Psh1의 상호작용 인자들의 변화를 추적하여 이들을 구체적이고 정확하게 동정하고 그와 연관된 조절 기전들을 이해한다면, 이를 단초로 N-말단 포밀화에 의한 세포 내부의 변화를 더욱 확장하여 연구할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다 [그림 3].
진핵세포에서 합성되는 단백질들은 변형되지 않은 메티오닌으로 합성이 시작되지만 보통 리보솜에 결합된 N-말단 아세틸트랜퍼라아제에 의해 합성과 거의 동시에 N-말단 아세틸화 (N-terminal acetylation)되며, 이렇게 단백질 N-말단에 위치하는 아세틸화된 잔기 역시 분해 신호로 작용할 수 있습니다. 하지만, 단백질의 N-말단 아세틸화는 분해 신호로의 주요한 작용 외에도 단백질의 상호작용, 위치, 접힘 등 다른 방식으로의 단백질의 조절 역시 어느 정도 가능한 것으로 알려져 있습니다. N-말단 포밀화는 단백질이 합성되기 전부터 tRNA 단위에서 결정되는 화학적 변형으로 N-말단 아세틸화와 동일한 위치에서 일어나기 때문에, 이론적으로는 합성과 동시에 일어나는 N-말단 아세틸화를 선행하여 이를 차단할 수 있습니다. 하지만, N-말단 포밀화가 유도되었을 때 어느 정도까지 단백질의 N-말단 아세틸화를 차단하는지, 그 정도가 상황에 따라 변화할 수 있는지, 그리고 N-말단 아세틸화의 역할을 대신 수행할 수 있는지 아니면 이를 차단하는지에 대해 아직 밝혀진 바가 없습니다. 현재까지는 N-말단 아세틸화 단백질과 N-말단 포밀화 단백질은 서로 다른 경로를 통해 분해가 조절된다는 사실만 알려져 있을 뿐입니다. 저희 연구실에서는 N-말단 아세틸화와 N-말단 포밀화 단백질 분해 경로들이 처음으로 발견된 효모 (S. cerevisiae)를 모델 진핵생물로 이용하여, N-말단 변형에 따른 다양한 단백질들의 분해 변화를 비교분석하고 이를 통해 두 화학적 변형 사이의 교차점을 찾으려 하고 있습니다 [그림 4].
생명과 관련된 모든 현상들은 분명히 어떠한 필요에 의해 일어나거나 또는 사라집니다. 이것은 외부 혹은 내부 환경의 변화에 대한 반응으로 정교한 조절 과정들이 복합적으로 작동하며 그 총합에 의해 나타나는 결과로도 볼 수 있습니다. 그리고 이들 모두에는 바로 단백질들이 관여합니다. 그렇기에 단백질들은 실제로 무척이나 복잡하게 작용하고 있지만 그 속에서 단순하면서도 보편적인 원리를 찾아내는 것이 저희 연구실의 가장 커다란 연구 목표라 할 수 있습니다. 아직은 시작에 불과하지만 저희 연구실에서 진행하고 있는 단백질 생성과 분해의 평형과 조절에 대한 연구에 많은 관심을 부탁드립니다.
Kim JM, et al. (2018) Formyl-methionine as an N-degron of a eukaryotic N-end rule pathway. Science. 362(6418): eaat0174.
Hwang CS, et al. (2010) N-terminal acetylation of cellular proteins creates specific degradation signals. Science. 327(5968):973-977.
Aksnes H, et al. (2016) First Things First: Vital Protein Marks by N-Terminal Acetyltransferases. Trends Biochem Sci. 41(9):746-760.
Feng S, et al. (2017) Improved split fluorescent proteins for endogenous protein labeling. Nat Commun. 8(1):370.
Branon TC, et al. (2018) Efficient proximity labeling in living cells and organisms with TurboID. Nat Biotechnol. 36(9):880-887.
Khmelinskii A, et al. (2012) Tandem fluorescent protein timers for in vivo analysis of protein dynamic.s. Nat Biotechnol. 30(7):708-714.
서울대학교 생명과학부, 학사
서울대학교 생명과학부, 박사
포스텍, 생명과학과, 박사후연구원/연구조교수
한양대학교 생명과학과, 조교수
