Hierarchical cysteine oxidation controls reversible amyloid formation in an ankyrin repeat protein

단백질은 생명의 일꾼으로, 특정한 과업을 수행하기 위해 정교한 3차원 구조로 접히는 아주 작은 기계들입니다. 보통 단백질의 형태가 곧 그 정체성입니다. 만약 그 형태를 잃으면 기능을 멈추게 됩니다. 수십 년 동안 과학자들은 단백질이 형태를 잃고 아밀로이드라고 불리는 딱딱하고 밧줄 같은 섬유 형태로 뭉치는 것을 질병이나 죽음의 징후라고 믿어왔습니다. 이러한 아밀로이드 덩어리는 뇌를 막고 세포를 파괴하는 알츠하이머나 파킨슨병과 같은 질환의 특징입니다. 그러나 최근의 연구들은 일부 단백질이 호르몬을 저장하거나 보호 장벽을 구축하는 것과 같은 유용한 작업을 수행하기 위해 의도적으로 이 아밀로이드 형태로 전환될 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 큰 미스터리는 세포가 어떻게 이 스위치를 조절하느냐는 것이었습니다. 단백질은 언제 유연한 도구로 남아 있고, 언제 해를 끼치지 않으면서 스스로를 단단하고 섬유질인 구조로 고정할지를 어떻게 아는 것일까요?

뉴질랜드의 한 연구팀은 이 질문에 답을 주는 제브라피쉬 단백질 내의 정교한 화학적 스위치를 발견했습니다. 그들은 종양을 예방하기 위해 세포 분열의 브레이크 역할을 하는 drP18이라는 단백질을 연구했습니다. 이 단백질은 화학적 손잡이 역할을 하는 시스테인 잔기라고 알려진 두 개의 특별한 지점을 포함하고 있습니다. 연구진은 이 두 손잡이가 독립적으로 작동하지 않는다는 것을 발견했습니다. 대신, 이들은 하나의 손잡이가 다른 하나를 제어하는 엄격한 계층 구조를 따라 작동합니다. 단백질이 체내의 특정 화학 신호에 노출되면, 첫 번째 손잡이가 두 번째 손잡이를 가두어 단백질을 안전하고 기능적으로 유지합니다. 하지만 화학적 조건이 변하면, 첫 번째 손잡이가 다른 분자에 의해 차단되어 두 번째 손잡이가 다른 단백질을 붙잡을 수 있게 됩니다. 이는 단백질들이 서로 연결되어 길고 가역적인 아밀로이드 섬유를 형성하는 급격한 변형을 유발합니다. 놀랍게도 연구진은 이 전체 과정이 존재하는 산화제의 종류에 의해 제어된다는 것을 발견했으며, 만들어진 섬유는 구축될 때만큼이나 쉽게 해체되어 단백질을 원래의 작동 상태로 되돌릴 수 있었습니다.

이야기는 이 제브라피쉬 단백질인 drP18이 인간의 사촌 단백질과는 다르게 행동한다는 발견에서 시작됩니다. 인간 버전은 이러한 화학적 손잡이를 하나만 가지고 있는 반면, 제브라피쉬 버전은 두 개를 가지고 있으며 이들은 단백질 표면에서 멀리 떨어져 위치해 있습니다. 연구진은 이 두 손잡이가 더 복잡한 제어 시스템을 만드는지 알고 싶었습니다. 그들은 단백질의 행동을 변화시킬 수 있는 전자들을 제거하는 화학물질인 다양한 일반적인 산화제에 단백질을 노출시키며 실험을 시작했습니다. 디아미드(diamide)라는 화학물을 사용했을 때, 단일 단백질 분자 내의 두 손잡이는 서로를 붙잡아 단백질 내부에 루프를 형성했습니다. 이 내부 루프는 안전 잠금장치 역할을 하여 단백질이 뭉치는 것을 방지했습니다. 단백질은 유연한 단일 상태를 유지하며, 아밀로이드와 관련된 딱딱한 섬유를 형성하지 못했습니다.

그러나 연구진이 면역 체계에서 생성되는 하이포티오시아누스산(hypothiocyanous acid)이라는 다른 화학물을 도입하자 결과는 완전히 바뀌었습니다. 이러한 조건 하에서 50번 위치에 있는 첫 번째 손잡이는 두 번째 손잡이를 붙잡는 대신, 세포에 풍부한 글루타치온(glutathione)이라는 작은 분자로 코팅되었습니다. 이 코팅은 첫 번째 손잡이가 두 번째 손잡이를 잠그는 것을 방해하는 방패 역할을 했습니다. 첫 번째 손잡이가 점유되자, 128번 위치에 있는 두 번째 손잡이는 자유로운 상태로 남았습니다. 산화제가 도착하자 이 자유로운 손잡이는 이웃한 단백질의 동일한 손잡이를 붙잡았습니다. 이는 많은 단백질을 이합체(dimers)로, 그리고 다시 긴 밧줄 모양의 섬유로 연결하는 연쇄 반응을 일으켰습니다. 연구진은 빛을 산란시키는 방식과 강력한 현미경 관찰을 통해 이 섬유들이 뚜렷한 실 모양의 구조로 나타나는 것을 확인하여 이들이 아밀로이드임을 입증했습니다.

이 발견을 진정으로 독특하게 만든 것은 단백질이 앞뒤로 전환될 수 있다는 사실을 깨달은 점이었습니다. 연구진은 결합을 끊는 화학물질인 환원제를 추가했고, 긴 섬유가 개별적인 작동 단백질으로 다시 녹아드는 과정을 지켜보았습니다. 이 가역성은 아밀로이드 형성이 손상이나 질병의 징후가 아니라, 통제된 기능적 과정임을 증명했습니다. 연구팀은 또한 산화되는 화학물의 종류가 중요한지 테스트했습니다. 그들은 서로 다른 화학물이 서로 다른 모양과 형성 속도를 가진 아밀로이드 섬유를 생성한다는 것을 발견했습니다. 어떤 화학물은 길고 묶인 밧줄을 만들었고, 다른 것은 더 짧고 파편화된 실을 만들었습니다. 이는 세포가 단순히 화학적 환경을 바꿈으로써 아밀로이드 섬유의 구조를 조정할 수 있으며, 이를 통해 다양한 기능적 결과를 낼 수 있음을 시사합니다.

분자 수준에서 이 메커니즘이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 연구진은 두 손잡이를 자세히 조사했습니다. 그들은 어떤 손잡이가 먼저 반응하는지 결정하기 위해 각 손잡이의 화학적 전위를 측정했습니다. 그들은 50번 위치의 손잡이가 더 반응성이 높아 128번 위치의 손잡이보다 먼저 산화된다는 것을 발견했습니다. 이는 계층적 스위치의 성격을 확인시켜 주었습니다. 즉, 첫 번째 손잡이는 조절자 역할을 하여 두 번째 손잡이가 제 역할을 할 수 있는지 결정합니다. 첫 번째 손잡이가 자유로우면 두 번째 손잡이를 잠가 단백질을 안전한 단일 형태로 유지합니다. 첫 번째 손잡이가 글루타치온에 의해 차단되면 두 번째 손잡이가 해방되어 아밀로이드 구조를 구축하게 됩니다. 이 2단계 과정은 특정 화학적 조건이 갖춰졌을 때만 단백질이 아밀로이드를 형성하도록 보장합니다.

연구진은 이 변형 과정 중에 단백질의 기능에 어떤 일이 일어나는지도 테스트했습니다. 정상적인 단일 형태에서 단백질은 세포 분열을 유도하는 핵심 효소인 CDK4에 대한 브레이크 역할을 합니다. 연구진은 단백질이 아밀로이드 섬유를 형성할 때 이 효소를 멈추는 능력을 상실한다는 것을 발견했습니다. 세포 분열 브레이크가 사실상 꺼진 것입니다. 그러나 섬유를 분해하여 단백질을 단일 형태로 되돌렸을 때, 단백질은 효소를 멈추는 능력을 다시 회복했습니다. 이는 단일 형태와 아밀로이드 형태 사이의 전환이 단백질의 기능을 켜고 끄는 직접적인 방법임을 보여주었습니다. 아밀로이드 상태는 막다른 길이 아니라, 일시적인 저장 또는 비활성화 상태였습니다.

이것이 살아있는 유기체 내에서도 일어나는지 확인하기 위해, 연구진은 제브라피쉬 배아에 해당 단백질의 유전 정보를 주입했습니다. 배아가 성장함에 따라 단백질은 아밀로이드 구조에 결합하는 것으로 알려진 염료로 염색되는 덩어리를 형성했습니다. 이 덩어리들은 세포 내부에서 관찰되었으며, 연구진이 조직에 환원제를 처리하자 사라졌습니다. 이는 이 단백질이 살아있는 동물 내부에서도 발달 과정 중 존재하는 자연적인 산화 화학물에 의해 유도되는 산화 기반 변형을 거칠 수 있음을 확인시켜 주었습니다. 이 결과는 자연이 인간에게 질병을 일으키는 것과 동일한 화학적 원리를 사용하여 다른 생물체에서는 기능적인 가역적 스위치를 만들어내는 방법을 진화시켜 왔음을 시사합니다.

이 연구는 아밀로이드 형성이 항상 세포의 실패 징후라는 오래된 관점에 도전합니다. 대신, 단백질이 자신의 조립을 제어하기 위해 복잡한 다단계 명령을 인코딩할 수 있음을 보여줍니다. 제브라피쉬 단백질은 규제용 손잡이가 실행용 손잡이를 보호함으로써, 환경에 반응하는 정교한 화학적 스위치를 사용합니다. 요구에 따라 이러한 구조를 구축하고 해체할 수 있는 능력은 세포가 다른 단백질을 관리하기 위해 유사한 메커니즘을 사용하여, 필요할 때 단백질을 일시적인 저장 단위나 구조적 골격으로 전환할 수 있음을 시사합니다. 연구는 기능적인 단백질과 병리적인 덩어리 사이의 경계가 고정된 것이 아니라, 정밀한 화학적 제어를 통해 넘나들 수 있는 것임을 강조합니다. 이러한 스위치가 어떻게 작동하는지 이해함으로써, 과학자들은 세포가 가장 중요한 과정을 어떻게 조절하는지에 대한 새로운 통찰을 얻고, 향후 이러한 경로를 조작할 수 있는 가능성을 열 수 있을 것입니다.