DeepTMHMM2 enables accurate prediction of transmembrane protein topology and subcellular location

모든 살아있는 세포 내부에는 얇고 기름진 장벽이 내부 세계와 외부를 분리하고 있습니다. 막(membrane)이라고 알려진 이 장벽은 단순한 벽이 아니라, 무엇이 들어오고 나가는지를 조절하는 역동적인 문지기입니다. 세포가 기능을 수행하기 위해, 세포는 이 막 안에 자리 잡고 채널, 센서 또는 닻 역할을 하는 특수한 단백질들에 의존합니다. 이들 단백질 중 일부는 산을 뚫고 지나가는 터널처럼 장벽 전체를 가로질러 뻗어 있는 반면, 다른 것들은 표면에 걸쳐 있거나 일부만 담겨 있습니다. 과학자들은 오랫동안 막을 완전히 가로지르는 단백질들을 지도화하여, 막을 관통하는 부분들을 식별하고 그것들이 어느 방향을 향하는지 결정할 수 있었습니다. 그러나 분자 구조의 상당 부분은 여전히 미스터리로 남아 있었습니다. 바로 표면 근처에 떠 있거나 반대편으로 완전히 건너가지 못한 채 일부만 담겨 있는 부분들입니다. 이러한 단백질의 전체적인 형태와 위치를 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 그 구조가 곧 기능이 되기 때문이며, 완전한 지도가 없다면 세포가 어떻게 작동하는지에 대한 우리의 이해는 파편화된 상태로 남게 됩니다.

연구진은 이제 이 잃어버린 퍼즐 조각을 해결하기 위해 DeepTMHMM2라고 불리는 새로운 도구를 개발했습니다. 기존의 방법들은 막 전체를 가로지르는 단백질의 구간을 정확하게 예측할 수는 있었지만, 더 미묘한 부분적 삽입 구간들을 식별하는 데는 실패했습니다. 이러한 부분적 구간에는 막 속으로 들어갔다가 다시 나오는 재진입 영역(re-entrant regions)과, 막을 완전히 관통하지 않고 경계에 걸쳐 있는 계면 나선(interfacial helices)이 포함됩니다. 이 새로운 시스템은 전통적인 구간들과 함께 이러한 비관통 구간들을 성공적으로 예측해낸 최초의 도구입니다. 나아가, 이 도구는 단백질이 단순히 "어느 한" 막에 있다고 추측하는 것이 아니라, 세포 내의 17가지 서로 다른 생물학적 막 중 정확히 어느 곳에 속하는지를 결정합니다. 방대한 양의 데이터를 통해 학습함으로써, 이 도구는 이 미묘한 구조들을 정의하는 복잡한 패턴을 인식하는 법을 배웠으며, 표준적인 관통 구간들에 대해 높은 정확도를 달성하는 동시에 이전에 간과되었던 특징들까지도 숙달했습니다.

연구진이 이 새로운 도구를 알려진 단백질의 거대한 데이터베이스에 적용했을 때, 그 결과는 생명의 구조에 대한 놀라운 진실을 드러냈습니다. 그들은 이러한 비관통 구간들이 드문 예외 현상이 아니라, 막 관통 단백질체(transmembrane proteome)의 흔한 특징이라는 사실을 발견했습니다. 실제로 분석 결과, 계면 나선은 나선형 모양으로 막을 가로지르는 모든 단백질 중 거의 4분의 1에서 발견되었습니다. 이 발견은 단백질이 어떻게 구성되는지에 대한 그림을 바꾸어 놓았으며, 단백질이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하고 다양하다는 것을 보여주었습니다. 이 도구는 이러한 추가적인 요소들을 예측하는 데 성공했으며, 이는 막 단백질의 경계가 단순히 입구와 출구라는 단순한 선이 아니라, 생물학적 기능을 위해 필수적인 풍부한 부분적 상호작용의 경관을 포함하고 있음을 증명했습니다.