Functional characterization of a cytosolic malic enzyme crucial for pyridine nucleotide homeostasis, redox balance, and virulence in Leishmania major

당신의 몸속에 있는 미세한 세계를 상상해 보세요. 그곳에는 아주 작은 단세포 침입자들이 캠프를 차리려 하고 있습니다. 이 침입자들은 '류슈마니아(Leishmania)'라고 불리며, 리슈마니아증이라는 질병을 일으키는 주범입니다. 살아남기 위해 이 기생충들은 믿기 힘들 정도로 영리한 화학자가 되어야 합니다. 이들은 두 가지 매우 다른 동네에서 살아갑니다. 먼저 모래파리의 장 속이고, 나중에는 당신이나 저와 같은 포유류의 세포 깊숙한 곳입니다. 각 동네마다 게임의 규칙이 바뀝니다. 당신의 세포 안은 산성이고, 북적거리며, 당신의 면역 체계가 침입자를 죽이기 위해 던지는 "화학 무기"(산화 스트레스)로 가득 차 있습니다.

이에 맞서 싸우기 위해, 기생충은 일정한 에너지 공급과 그 화학 무기들을 중화할 방법이 필요합니다. 여기서 "피리딘 뉴클레오타이드"라고 불리는 특별한 그룹의 분자들이 등장합니다. 이들은 기생충의 배터리 팩이자 동시에 소화기 역할을 합니다. 어떤 버전의 배터리(NADPH)는 새로운 부품을 만드는 데 도움을 주고, 다른 버전(NAD+)은 엔진을 계속 돌아가게 합니다. 만약 기생충이 이 배터리들을 다 써버리거나 소화기가 고장 난다면, 기생충은 압도되어 죽게 됩니다. 과학자들은 기생충이 이 배터리들을 관리하는 데 도움을 주는 "말릭 효소(malic enzyme)"라는 특정 유형의 효소를 사용한다는 것을 오래전부터 알고 있었습니다. 하지만 지금까지 우리는 이 효소의 한 가지 버전만을 알고 있었고, 그것이 기생충의 발전소(미토콘드리아)에 살고 있다고 생각했습니다. 큰 의문은 이것이었습니다. 기생충에게 비밀스러운 백업 플랜이 있거나, 배터리를 충전하기 위해 몸의 다른 곳에 숨겨진 두 번째 도구가 있을까요?

이 논문은 과학자들이 그 비밀스러운 백업 플랜을 발견한 이야기를 들려줍니다. 그들은 두 번째 버전의 말릭 효소를 발견했으며, 이를 LmME2라고 명명했습니다. 알고 보니 이 효소는 발전소가 아니라 세포의 메인 거실(세포질)에 숨어 있었습니다. 그들이 발견한 내용은 다음과 같습니다.

세포질 스파이의 발견
연구원들은 기생충의 지침서(게놈)를 살펴보기 시작했고, 실제로 이 효소를 위한 유전자가 하나가 아니라 두 개라는 것을 깨달았습니다. 그들은 두 번째 유전자인 LmME2가 실제로 기생충 생애의 두 단계 모두에서 활성화된다는 것을 확인했습니다. 영리한 태깅 시스템을 사용하여 연구원들은 효소가 움직이는 것을 관찰했고, 그것이 발전소가 아닌 세포를 채우고 있는 젤리 같은 액체인 세포질에 살고 있다는 것을 보았습니다. 이는 놀라운 일이었습니다. 왜냐하면 다른 버전인 LmME1은 미토콘드리아에 살기 때문입니다. 이는 마치 집에 두 종류의 전기 기술자가 있는 것을 발견한 것과 같습니다. 한 명은 지하 발전실에서 일하고 있고, 다른 한 명은 메인 복도에서 일하는 식입니다.

양방향 통로
과학자들이 LmME2 효소를 정제하여 실험실 접시에서 테스트했을 때, 그것은 다재다능한 일꾼이라는 것을 발견했습니다. 그것은 두 방향으로 화학 반응을 일으킬 수 있었습니다. 즉, 말레이트(malate)를 피루베이트(pyruvate)로 바꾸거나(에너지 방출), 피루베이트를 다시 말레이트로 바꾸는 것(에너지 저장)입니다. 시험관 안에서 그것은 두 가지 일을 비슷한 속도로 수행했습니다. 그러나 실제 기생충 내부에서 작동하는 효소를 관찰했을 때, 그것은 피루베이트를 다시 말레이트로 바꾸는 것을 선호하는 것처럼 보였습니다. 왜 그럴까요? 기생충의 내부 환경은 교통 경찰 역할을 하는 다른 화학 물질들로 가득 차 있기 때문입니다. 연구원들은 ATP(세포의 에너지 화폐), 옥살로아세테이트, 푸마레이트와 같은 분자들이 조절 인자로 작용한다는 것을 발견했습니다. 이들은 세포가 필요로 하는 것에 따라 효소의 속도를 늦추거나 높일 수 있습니다. 이는 마치 방이 얼마나 추운지에 따라 난방을 조절하는 스마트 온도 조절기와 같습니다.

배터리 위기
LmME2가 실제로 기생충을 위해 무엇을 하는지 알아내기 위해, 과학자들은 유전적 "지우개"(CRIS][RISPR-Cas9)를 사용하여 LmME2 유전자를 삭제했습니다. 그들은 LmME2가 전혀 없는 변이 기생충 균주를 만들었습니다. 처음에는 이 변이 기생충들이 정상적으로 보였고 페트리 접시에서 잘 자랐습니다. 하지만 과학자들이 내부 배터리를 확인했을 때, 재앙을 발견했습니다. 변이 기생충들은 "산화된" 배터리(NAD+ 및 NADP+)의 상당 부분을 잃어버린 상태였습니다. 흥상하게도, "충전된" 배터리(NADH 및 NADPH)는 거의 그대로였습니다. 이는 LmME2가 단순히 새로운 에너지를 만드는 것뿐만 아니라, 세포가 원료가 떨어지지 않도록 오래된 배터리를 재활용하는 데 결정적이라는 것을 시사합니다. LmME2가 없으면 기생충의 배터리 재활용 시스템이 무너집니다.

불과 실패
배터리 시스템이 망가졌기 때문에, 변이 기생충들은 스트레스를 견딜 수 없었습니다. 과학자들이 수소 과산화물(면역 세포가 사용하는 것과 유사한 화학 무기)에 변이 기생충을 노출시켰을 때, 변이 기생충들은 위험한 수준의 "활성 산소종(ROS)"—기본적으로 내부의 녹과 불—을 축적했습니다. 또한 그들은 배터리를 만드는 또 다른 주요 경로(오탄당 인산 경로)를 차단하는 약물에도 훨씬 더 민감했습니다.

진정한 테스트는 과학자들이 이 변이 기생충들을 살아있는 숙주에 넣었을 때 찾아왔습니다. 과학자들이 LmME2가 없는 기생충으로 쥐를 감염시켰을 때, 쥐들은 거의 아프지 않았습니다. 기생충들은 쥐의 면역 세포(대식세포) 안에서 살아남지 못했고, 보통 나타나는 크고 통증이 심한 궤양을 일으키는 데 실패했습니다. 사실, 정상적인 기생충에 감염된 쥐와 비교했을 때 쥐 속의 기생충 수는 약 100배나 더 적었습니다.

결론
이 논문은 LmME2가 기생충 건강의 필수적이고 이전에 알려지지 않았던 수호자라는 결론을 내립니다. 그것은 세포질의 말릭 효소로서 작동하며 기생충의 배터리 수준을 균형 있게 유지하고 내부의 불을 통제합니다. 이것이 없으면 기생충은 포유류 내부의 가혹한 환경에서 살아남기에 너무 약합니다. 이 발견은 만약 우리가 LmME2를 특이적으로 차단하는 약물을 설계할 수 있다면, 인간 숙자에게 해를 끼치지 않으면서도(우리의 효소 버전은 다르게 작동하므로) 기생충의 산화 환원 균형을 고갈시켜 질병을 막을 수 있다는 것을 시사합니다. 과학자들은 리슈마니아증과 싸우기 위한 새롭고 유망한 표적을 찾아냈습니다.