Substrate-dependent crosslinking by the cytochrome P450 from aminopyruvatide biosynthesis
본 연구는 사이토크로옴 P450 효소인 ApyO가 아미노피루바티드 전구체 내의 방향족 잔기들 사이에서 C-C, N-C, C-O 결합을 포함한 다양한 가교 반응을 촉매하여 강력한 프로테아제 억제 활성을 가진 거대 고리 펩타이드를 생성함으로써 놀라운 기질 가소성을 나타냄을 입증한다.
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자연은 복잡한 분자 기계를 구축하기 위해 오랫동안 하나의 우아한 기술에 의존해 왔습니다. 그것은 바로 단백질의 구성 성분인 아미노산의 단순한 사슬을 가져와서 단단하고 내구성이 있는 촘촘한 루프로 꼬는 것입니다. 매크로사이클(macrocycle)로 알려진 이 루프들은 직선형 사슬 구조보다 종종 더 안정적이고 강력하여 질병과 싸우는 데 귀중한 도구가 됩니다. 이러한 루프를 만드는 자연의 가장 다재다능한 도구 중 하나는 사이토크롬 P450(cytochrome P450)이라 불리는 효소 군입니다. 박테리아에서 인간에 이르기까지 다양한 생물체에서 발견되는 이 효소들은 분자 조각가로서 작용하며, 단백질 사슬의 서로 다른 부분들을 결합하여 새로운 화학 결합을 형성할 수 있습니다. 과학자들은 이 효소들이 두 개의 방향족 고리(티로신이나 트립토판 같은 아미노산에서 발견되는 구조)를 연결하여 루프를 닫을 수 있다는 사실을 이미 알고 있었지만, 어떤 원자에 어떤 원자를 연결할지 결정하는 정확한 규칙은 다소 미스터리로 남아 있었습니다. 이러한 규칙을 이해하는 것은 매우 중요한데, 이를 통해 연구자들이 이 효소들을 재프로그래밍하여 현재의 약물로는 도달할 수 없는 질병을 표적으로 하는 완전히 새로운 유형의 의약품을 제조할 수 있기 때문입니다.
최근 한 연구에서 연구진은 아미노피루바티드(aminopyruvatide)라고 알려진 천연 생성물 제조에 관여하는 특정 P450 효소인 ApyO에 초점을 맞추어, 이 효소적 조각술의 경계를 지도화하고자 했습니다. 이 효소는 보통 티로신-류신-티로신이라는 특정 3개 아미노산 서열을 포함하는 전구체 펩타이드를 가져와 두 개의 티로신 단위를 탄소-탄소 결합으로 융합하여 고리를 형성합니다. 연구팀은 이 효소가 주변 서열의 변화를 수용할 만큼 유연한지, 그리고 만약 그렇다면 그 변화가 형성되는 결합의 종류를 바꾸는지 확인하고자 했습니다. 이를 테스트하기 위해 그들은 살아있는 세포 없이 시험관 내에서 짧은 단백질 조각을 합성할 수 있는 세포 무첨가 번역(cell-free translation)법을 사용했습니다. 이 접근 방식 덕분에 연구진은 특정 아미노산을 교체해가며 효소가 어떻게 반응하는지 관찰함으로써 수십 가지의 변형된 펩타이드를 빠르게 만들어낼 수 있었습니다.
연구진은 먼저 이 효소가 서열 시작 부분 근처에 특정 아르기닌 잔기가 존재하기만 하면 단 10개의 아미노산으로 이루어진 매우 짧은 단백질 조각에서도 작동할 수 있음을 확인했습니다. 이 발견은 효소가 기능을 수행하기 위해 전체 단백질 구조를 필요로 하기보다는 펩타이드의 압축된 영역을 인식한다는 것을 시사합니다. 연구진이 서열 중앙의 류신을 다른 아미노산으로 교체했을 때, 효소는 계속 작동했지만 결과는 놀라울 정도로 복잡했습니다. 어떤 경우에는 효소가 질량은 동일하지만 실험실에서 다르게 행동하는 두 가지 버전의 동일한 분자를 만들어냈습니다. 상세한 이미징 기술을 사용하여 이 분자 내의 원자들을 관찰한 결과, 연구팀은 효소가 일반적인 탄소-탄소 결합만을 만든 것이 아님을 발견했습니다. 대신, 특정 변이체들의 경우 효소는 두 개의 티로신 고리를 산소 원자를 통해 연결하는 탄소-산소 결합을 형성했습니다. 한쪽 티로신을 트립토판으로 교체한 또 다른 변이에서는 효소가 질소 원자를 통해 고리들을 연결하는 질소-탄소 결합을 형성했습니다.
이 발견은 효소의 행동에 숨겨진 가소성을 드러냈습니다. ApyO는 단 하나의 특정 연결만을 만드는 경직된 기계라기보다, 연결하려는 두 고리 사이의 공간의 모양과 화학적 성질에 민감하게 반응하는 것으로 보입니다. 연구진이 두 티로신 사이에 위치한 아미노산을 변경했을 때, 효소는 그 움켜쥐는 방식을 조절하여 서로 다른 화학적 결과를 낳았습니다. 또한 연구진은 질량 분석법(mass spectrometry), 즉 분자의 무게를 측정하는 흔한 도구가 이러한 서로 다른 구조들을 구별하기에는 충분하지 않다는 것을 보여주었습니다. 오직 원자의 구체적인 배열을 살펴봄으로써만 연구진은 탄소-탄소, 탄소-산소, 그리고 질소-탄소 결합의 차이를 구분할 수 있었습니다. 이는 향후 연구에 있어 중요한 점을 강조합니다. 즉, 질량의 변화가 항상 동일한 유형의 화학 결합 형성을 의미한다고 가정하는 것은 자연이 실제로 무엇을 구축하고 있는지에 대해 잘못된 결론을 내리게 할 수 있다는 것입니다.
구조적인 놀라움 외에도, 연구팀은 이 새로운 분자들의 의학적 가치를 탐구했습니다. 원래의 효소 경로에서 생성되는 천연 아미노피루바티드는 단백질을 분해하는 효소인 프로테아제(protease)를 억제하는 것으로 알려진 특정 화학 그룹을 끝부분에 포함하고 있는데, 프로테아제는 암 전이나 바이러스 감염과 같은 질병 과정에 자주 관여합니다. 연구진은 이 천연 생성물의 버전을 합성하였고, 이것이 0.3 나노몰(nanomolar)만큼 낮은 농도에서도 특정 프로테아제의 활성을 멈출 정도로 믿기 힘들 만큼 강력한 억제제임을 발견했습니다. 수정된 효소로 만들어진 새로운 변이체들을 테스트했을 때, 대부분은 활성이 거의 없거나 전혀 없었습니다. 그러나 탄소-산소 결합을 포함하는 한 특정 변이체는 혈압 조절 약물의 표적인 안지오텐신 전환 효소(ACE)를 억제하는 완만한 능력을 보여주었습니다. 비록 이 활성이 천연 생성물보다는 훨씬 약했지만, 이는 새로운 화학적 골격이 여전히 생물학적 표적과 상호작용할 수 있음을 입증했습니다.
결론적으로, ApyO 효소는 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 적응력이 뛰어나며, 기질의 미세한 세부 사항에 따라 서로 다른 유형의 화학적 가교를 형성할 수 있습니다. 이러한 유연성은 과학자들이 이 효소들을 설계하여 각각 독특한 모양과 화학적 특성을 가진 다양한 매크로사이클 화합물 라이브러리를 생성할 수 있음을 시사합니다. 이번 연구에서 테스트된 새로운 변이체들이 즉각적으로 천연 생성물의 효능을 뛰어넘지는 못했지만, 동일한 원자를 가지되 연결 방식이 다른 분자인 구조 이성질체(constitutional isomers)를 생성할 수 있다는 능력은 화학적 공간을 탐구하는 새로운 길을 열어줍니다. 이 연구는 효소적 가교 결합의 규칙이 고정된 것이 아니라, 효소와 수정되는 펩타이드의 특정 기하학적 구조 사이의 역동적인 상호작용임을 강조하며, 이는 미래의 펩타이드 기반 치료제 설계를 위한 유망한 경로를 제시합니다.
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