Unlocking substrate specificities of human solute carrier proteins using untargeted metabolomics

당신의 몸을 활기차고 첨단 기술이 집약된 하나의 도시라고 상상해 보세요. 모든 세포는 건물이며, 세포막은 그 건물을 둘러싼 보안 게이트입니다. 도시가 제대로 기능하려면, 음식물을 배달하고, 쓰레기를 제거하며, 메시지를 보내기 위해 특정 트럭들이 이 건물들을 드나들어야 합니다. 이 트럭들은 '화물'이고, 보안 게이트는 '운송체(transporter)'입니다. 오랫동안 과학자들은 이 게이트들의 이름은 알고 있었지만, 정확히 어떤 트럭들을 통과시켜야 하는지는 알지 못했습니다. 어떤 게이트들은 '고아(orphaned)' 상태였습니다. 즉, 존재한다는 것은 알지만 무엇을 하는지는 전혀 모르는 상태였죠. 또 다른 게 gate들은 '다식성(promiscuous)'이었습니다. 즉, 고용된 특정 트럭뿐만 아니라 온갖 종류의 무작위 트럭들을 들여보내는 것처럼 보였습니다. 어떤 게이트가 어떤 트럭을 다루는지 파악하는 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 게이트 하나가 막히거나 고장 나면 도시 전체가 병들 수 있기 때문입니다. 이는 마치 어떤 교차로가 막혔는지 모르는 상태에서 교통 체증을 해결하려는 것과 같습니다.

이제, 당신이 특정하고 신비로운 보안 게이트가 무엇을 통과시키는지 알아내고 싶다고 상상해 봅시다. 기존의 방식은 게이트 앞에 서서 당신이 '그럴 것 같다'고 추측한 특정 트럭이 나타나기를 기다리는 것이었습니다. 만약 그 트로가 나타나지 않는다면, 다시 추측하고 다른 트럭을 시도해야 했습니다. 이것은 느리고 지루하며, 실제로 그 게이트를 사용하는 기이하고 예상치 못한 트럭들을 놓칠 수도 있는 방법입니다. 더 좋은 아이디어는 게이트 근처에서 거대하고 혼란스러운 파티를 여는 것입니다. 도시 구석구석에서 온 수천 대의 서로 다른 트럭들이 한꺼번에 도착하게 만드는 것이죠. 그런 다음, 어떤 것들이 실제로 내부로 들어오고 어떤 것들이 나가는지를 관찰하기만 하면 됩니다. 이것이 바로 과학자들이 수행한 방식입니다. 다만 도시 대신 아주 작은 개구리 알(Xenopus oocytes)을 보안 게이트로 사용했고, 파티 대신 수천 개의 서로 다른 분자가 가득한 액체인 인간 혈청 한 방울을 사용했습니다.

이 연구에서 연구진은 다섯 가지 특정 인간 운송체를 '탈고아화(de-orphan)'하기 위한 영리한 실험을 설계했습니다. 그들은 본래 자신의 보안 게이트가 거의 없는 조용한 상태인 개구리 알을 가져와, 다섯 가지 서로 다른 인간 운송체를 구축하기 위한 설계도(mRNA)를 주입했습니다. 알들이 이 게이트들을 만들기 시작하자, 연구진은 알들을 인간 혈청에 담갔습니다. 이 혈청은 수천 가지의 다양한 내인성 대사물질(우리 몸의 자연적인 구성 성분)과 외인성 물질(약물과 같은 외부 물질)이 가득 찬 화학적 도서관과 같습니다. 한 시간 후, 과학자들은 알 내부와 혈청에 남아 있는 것들의 스냅샷을 찍었습니다. '전'과 '후'의 목록을 비교함으로써, 그들은 어떤 분자가 혈청에서 사라졌는지(즉, 게이트가 안으로 들여보냈는지) 또는 혈청에 나타났는지(즉, 게이트가 밖으로 밀어냈는지)를 확인할 수 있었습니다.

결과는 이미 알고 있던 사실을 확인하는 것과 놀라운 새로운 손님들을 발견하는 것이 섞여 있었습니다. 담즙산(지방 소화를 위해 간에서 만드는 세제)을 처리하는 것으로 알려진 SLC10A2라는 게이트의 경우, 팀은 글리코콜산(glycocholic acid)이 알 내부로 끌려 들어가는 것을 성공적으로 포착했습니다. 이는 그들의 방법이 작동한다는 좋은 신호였습니다. 또 다른 게이트인 SLC16A10은 보통 방향족 아미노산(단백질의 구성 성분)을 이동시키는데, 연구진은 기대했던 아미노산인 트립토판(tryptophan)과 페닐알라닌(phenylalanine)이 알에서 나가는 것을 보았습니다. 하지만 여기서 재미있는 점은, 이 동일한 게이트를 통해 히푸르산(hippuric acid)과 3-페닐락틱산(3-phenyllactic acid)이라는 두 명의 새로운 용의자도 발견했다는 것입니다. 이들은 일반적인 용의자들은 아니지만, 아미노산과 구조적으로 유사해 보이며, 이는 이 게이트가 생각보다 더 유연할 수 있음을 시사합니다.

이 새로운 발견들이 단순한 오류가 아님을 확인하기 위해, 과학자들은 '분자 도킹(molecular docking)'이라 불리는 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 이것은 열쇠를 자물쇠에 끼워보는 것과 같습니다. 시뮬레이션은 새로운 분자의 모양이 운송체의 구멍에 완벽하게 들어맞는지 확인합니다. 결과는 이 새로운 분자들이 기존의 것들만큼 잘 들어맞는다는 것을 보여주었지만, 속하지 않는 분자들(예: 히스티딘이나 류신)은 전혀 맞지 않았습니다. 이는 이 게이트가 단순히 특정 아미노산의 이름이 아니라, 방향족 고리(aromatic ring)와 카르복실기(carboxyl group)를 가진 특정한 형태를 인식한다는 것을 시사합니다.

하지만 과학자들은 자신의 결과를 과하게 홍보하지 않도록 주의했습니다. 그들은 자신들의 방법이 완벽하지 않다는 점을 인정했습니다. 엽산(비타민)이나 특정 유기산과 같이 예상되었던 분자들이 데이터에 나타나지 않았습니다. 이것이 반드시 게이트가 그것들을 움직이지 않는다는 뜻은 아닙니다. 단지 그들이 사용한 화학적 '카메라'가 그것들을 포착할 만큼 민감하지 않았거나, 추출 과정에서 놓쳤을 가능성이 있다는 것입니다. 또한, 그들은 일부 게이트가 물질을 밖으로 밀어내는 현상(efflux)을 관찰했는데, 이는 양방향으로 흐르는 게이트라면 타당하지만, 오직 안으로만 끌어당기기로 되어 있는 게이트들에게는 다소 이상한 일입니다. 그들은 이것이 알 주변의 미세하고 국소적인 환경 변화나 이차적인 효과 때문일 수 있다고 추측했을 뿐, 아직 이 미스터리를 풀었다고 주장하지는 않았습니다.

요컨대, 이 논문은 모든 운송체의 수수께끼를 풀었다고 주장하는 것이 아닙니다. 대신, 다양한 운송체 활동을 한 번에 잡아낼 수 있는 '그물'인 인간 혈청과 개구리 알을 이용한 강력한 새로운 도구를 제시합니다. 이 방법은 알려진 상호작용을 확인했을 뿐만 아니라 몇 가지 새로운 상호작용을 제안함으로써, 이 신비로운 세포 게이트들이 실제로 무엇을 하고 있는지 알아내기 위해 혼란스러운 혈청 전체를 들여다보는 것이 훌륭한 방법임을 입증했습니다. 이는 먼저 어떤 트럭을 찾아야 할지 추측하는 대신, 한 번에 하나의 게이트씩 도시의 교통 시스템을 지도화하는 과정의 한 단계입니다.