Structural basis for co-translational assembly of homo-oligomeric proteins in cis and in trans

모든 살아있는 세포 내부에는 리보솜이라 불리는 아주 작은 기계들이 있어, 유전적 지시를 읽어 단백질을 만드는 생명의 공장 역할을 합니다. 이 단백질들은 세포의 일꾼이지만, 좀처럼 혼자서 작동하지는 않습니다. 기능을 수행하기 위해, 이들은 마치 시계 장치의 톱니바퀴가 서로 맞물리는 것처럼 복잡한 구조를 형성하기 위해 다른 단백질들과 결합해야 합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이러한 연결이 보통 단백질이 완전히 만들어져 세포로 방출된 후에 일어난다고 믿어 왔습니다. 그러나 최근 연구에 따르면, 많은 단백질이 만들어지는 도중에 파트너와 조립을 시작한다는 사실이 밝혀졌는데, 이를 '동시 번역 조립(co-translational assembly)'이라고 합니다. 이러한 조기 연결은 단백질이 혼잡한 세포 환경 속에서 엉키거나 분해되는 것을 방지하는 데 도움을 줍니다. 여기서 중요한 질문이 남았습니다. 두 개의 동일한 단백질이 힘을 합쳐야 할 때, 이들은 동일한 유전 물질 가닥 위에서 만들어지는 동안 서로를 찾아낼까요, 아니면 근처의 완전히 다른 가닥에서 만들어지고 있는 파트너에게 손을 뻗을까요?

하이델베르크 대학교 분자생물학 센터의 연구팀은 이제 PheA라고 불리는 특정 박테리아 단백질을 통해 이 질문에 답했습니다. 첨단 이미징 기술과 유전적 도구를 사용하여, 그들은 이 단백질이 조립이 동일한 유전 가닥에서 일어난다는 규칙을 대체로 무시한다는 것을 발견했습니다. 대신, 그들은 PheA 분자들이 서로 다른 인접한 유전 가닥에서 만들어지고 있는 파트너를 향해 손을 뻗음으로써 빈번하게 조립된다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 박테리아 세포 내에 놀라운 수준의 조직화가 존재함을 보여주며, 서로 다른 유전 지시 사항 위에 있는 리보솜들이 거대하고 상호 연결된 네트워크를 형성하여 이 단백질들이 정확하고 효율적으로 만들어지도록 보장한다는 것을 보여줍니다.

연구진은 대장균(E. coli)에서 발견되는 두 부분으로 이루어진 효소인 PheA에 집중했습니다. 이 효소는 세포가 필수 영양소를 만드는 데 도움을 줍니다. 이 효소는 두 개의 동일한 절반으로 구성되어 있으며, 제대로 작동하기 위해서는 서로를 중심으로 회전하며 맞물려야 합니다. 과학자들은 만약 이 두 부분이 리보솜에서 특정 단백질 구획이 돌출된 직후에 결합하지 않는다면, 단백질이 잘못 접혀서 쓸모없게 될 것이라는 점을 알고 있었습니다. 이 결합이 어떻게 일어나는지 이해하기 위해, 연구팀은 먼저 세포 내 리보솜의 행동을 관찰했습니다. 그들은 무거운 리보솜 클러스터와 가벼운 리보솜을 분리하는 방법을 사용했으며, PheA가 대량으로 만들어질 때 리보솜이 거대한 무거운 덩어리를 형성하여 시험관 바닥으로 가라앉는다는 것을 발견했습니다. 이 덩어리들은 연구진이 단백질 사슬을 분해하는 효소로 샘플을 처리했을 때 사라졌는데, 이는 리보솜들이 단순히 무작위로 떠다니는 것이 아니라 성장하는 단백질 사슬들에 의해 서로 붙들려 있음을 증명하는 것이었습니다.

이 사슬들이 어떻게 연결되는지 정확히 보기 위해, 팀은 두 가지 약간 다른 버전의 PheA 유전자를 사용하는 영리한 실험을 개발했습니다. 그들은 이 두 유전자를 동일한 세포 내의 별개 유전 가닥에 배치했습니다. 한 버전의 단백질에는 특정 핸들(handle)이 달렸고, 다른 버전에는 다른 핸들이 달렸습니다. 첫 번째 핸들을 이용해 단백질을 추출했을 때, 두 번째 버전의 단백질이 그것에 부착되어 있다는 것을 발견했습니다. 이는 두 효소의 절반이 완전히 다른 유전 지시 사항으로부터 만들어지고 있음에도 불구하고 서로 결합하고 있다는 직접적인 증거를 제공했습니다. 즉, 조립이 동일한 가닥 내에서(in cis)가 아니라, 서로 다른 유전 가닥을 가로질러(in trans) 일어나고 있다는 의미였습니다.

그 후 팀은 리보솜 자체를 시각화하기 위해 크라이오 전자 현미경(cryo-electron microscopy)이라는 강력한 이미징 기술을 사용했습니다. 그들은 얇은 얼음층 속에 리보솜을 얼린 후, 리보솜들이 어떻게 배열되어 있는지 보기 위해 수천 장의 고해解상도 이미지를 촬영했습니다. 그들은 새로운 단백질 사슬이 나오는 작은 구멍인 리보솜의 출구 터널 사이의 거리를 측정했습니다. 그들은 PheA가 만들어질 때, 리보솜들이 출구 터널이 약 120 옹스트롬(Å) 정도로 매우 가깝게 위치하도록 배치된다는 것을 발견했습니다. 이러한 근접성 덕분에 새로 나오는 단백질 사슬들이 거의 즉시 서로 닿고 맞물릴 수 있었습니다. 놀랍게도, 이미지들은 이 리보솜들이 고정된 방향성을 가지고 있지 않음을 보여주었습니다. 즉, 출구 터널이 가까이 유지되는 한 리보솜들은 자유롭게 회전하고 움직일 수 있었습니다. 이러한 유연성은 리보솜들이 경직된 형태로 고정된 것이 아니라, 연결을 용이하게 하기 위해 역동적으로 서로를 찾아내고 있음을 시사했습니다.

연구진이 온전한 유전 가닥 위의 리보속을 관찰했을 때, 출구 터널의 근접성은 서로 다른 가닥에 있는 리보솜 사이에서 가장 자주 발생한다는 것을 발견했습니다. 동일한 가닥 위의 리보솜들이 연결되는 것도 가능했지만, 이는 드문 경우였으며 대개 유전 가닥이 스스로 루프를 형성하여 멀리 떨어진 리보솜들이 서로 닿을 수 있을 때만 가능했습니다. 동일한 가닥의 바로 옆에 있는 리보솜들은 실제로 나오는 단백질들을 연결하기에는 너무 멀리 떨어져 있었습니다. 이 발견은 동일한 단백질이 보통 같은 유전 가닥에서 조립된다는 기존의 관념에 도전했습니다. 대신, PheA의 경우 세포는 여러 유전 가닥이 모여드는 네트워크에 의존합니다.

연구진은 이러한 다른 가닥 간의 연결 선호도가 PheA가 조립되어야 하는 속도 때문일 것이라고 설명했습니다. 파트너와 결합해야 하는 단백질 부분은 매우 짧고 빠르게 돌출됩니다. 만약 리보솜들이 동일한 가닥에 갇혀 있다면, 유전 물질의 기하학적 구조 때문에 출구 터널이 너무 멀리 떨어지게 되어 단백질이 제때 연결되지 못할 것입니다. 리보솜들이 서로 다른 가닥에서 모이도록 함으로써, 세포는 단백질이 즉각적으로 서로를 찾을 수 있는 유연한 환경을 조성합니다. 이 메커니즘은 에너지 낭비나 결함이 있는 부품 생성 없이 효소가 올바르게 만들어지도록 보장합니다.

이 연구는 세포가 복잡한 기계를 어떻게 조직하여 건설하는지에 대한 명확한 관점을 제공합니다. 이는 세포가 단백질을 조립하기 위해 단 하나의 경직된 방법에만 의존하지 않는다는 것을 보여줍니다. 대신, 세포는 어떤 유전 가닥 위에 있느냐와 상관없이 리보솜의 물리적 근접성을 활용하여 단백질이 정확한 순간에 서로를 찾을 수 있도록 합니다. PheA의 경우, 이는 세포가 유전 지시 사항들을 서로 연결하여 역동적인 웹(web)을 구축함으로써 구조적 문제를 해결한다는 것을 의미합니다. 이 발견은 세포의 혼잡한 내부가 단순히 부품들이 무질서하게 섞여 있는 공간이 아니라, 만들어지는 단백질의 특정 요구 사항에 맞춰 조정된 고도로 조직화된 공간임을 시사합니다.