Structural Plasticity and Ligand Promiscuity of CYP3A4 Revealed by Cryo-EM

인체 내부에는 우리가 복용하는 의약품을 처리하기 위해 끊임없이 움직이는 거대한 화학 공장 네트워크가 존재합니다. 이들 중 단일 효소인 CYP3A4는 주요한 문지기 역할을 하며, 현재 시장에 나와 있는 모든 의약품의 약 70%를 분해하는 책임을 맡고 있습니다. 이 효소는 적응의 달인입니다. 이 효소의 내부 챔버는 크고 유연하여, 화학적으로 매우 다양한 분자들을 붙잡아 변형시ق 수 있습니다. 그러나 바로 이 유연성 때문에 과학자들이 새로운 약물이 어떻게 행동할지 예측하는 데 있어 골칫거리가 됩니다. 효소의 모양이 서로 다른 손님들을 수용하기 위해 변하기 때문에, 약물이 정확히 어디에 안착할지 또는 어떻게 변형될지 알기가 어렵습니다. 과학자들이 이러한 상호작용을 예측하지 못하면 위험한 부작용이나 임상 시험에서의 예상치 못한 실패를 초래할 수 있으며, 이는 효소의 모양이 작동하는 모습을 관찰하는 능력을 현대 의학의 핵심적인 목표로 만듭니다.

수십 년 동안 연구자들은 X선 결정학(X-ray crystallography)을 사용하여 CYP3A4의 형태를 포착하려 노력해 왔는데, 이 기술은 효소를 딱딱한 결정 상태로 얼려야 합니다. 이를 가능하게 하기 위해, 그들은 세포막에 고정시키는 역할을 하는 작고 끈적한 꼬리를 효소에서 잘라내야 했습니다. 이 방식은 사진을 찍는 것을 가능하게 해주었지만, 결과물로 나온 구조는 종종 효소의 단일하고 딱딱한 버전만을 보여주었으며, 실제 약물과 상호작용할 때 발생하는 역동적인 움직임을 놓쳤습니다. 더욱이, 결정은 특정 유형의 약물들과만 형성되는 경향이 있어, 효소가 매일 마주하는 다양한 화학 세계를 다루는 방식에 대한 이해에 큰 공백을 남겼습니다. 이제 샌프란시스코 캘리포니아 대학교와 스크립스 연구소의 안나 카렌 오르타(Anna Karen Orta)와 그녀의 동료들이 수행한 새로운 연구는 초저온 전자 현미경(cryo-electron microscopy, cryo-EM)이라는 다른 기술로 눈을 돌렸습니다. 이 방법은 과학자들이 효소 분자를 자연스러운 액체 상태 그대로 급속 냉동하여 수천 장의 사진을 찍고, 결정 격자에 강제로 맞출 필요 없이 3D 형태를 재구성할 수 있게 해줍니다.

연구진은 먼저 기존 결정 연구에 사용되었던 절단된 버전의 효소를 가지고 용액 내에서 어떻게 행동하는지 관в찰하는 것으로 시작했습니다. 이 분자들이 단일 단위로 떠다니는 대신, 자연스럽게 뭉쳐서 세 잎 클로버를 닮은 안정적인 3부작 구조를 형성한다는 것을 발견했습니다. 이 삼량체(trimeric) 조립체는 cryo-EM으로 명확하게 이미징할 수 있을 만큼 충분히 컸으며, 이를 통해 연구팀은 결합되지 않은 상태의 효소에 대한 고해상도 지도를 구축할 수 있었습니다. 결과 이미지는 효소의 핵심부는 안정적으로 유지되지만, 외부 루프와 유연한 영역은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 역동적이라는 것을 보여주었습니다. 결정적으로, 연구팀은 이 분자들이 그룹을 이루는 방식이 효소의 활성 부위를 차단하지 않는다는 것을 발견했으며, 이는 이 3부작 배열이 자연적인 막 닻(membrane anchor) 없이도 효소가 어떻게 작동하는지 연구하는 데 유효한 모델이 될 수 있음을 시사합니다.

이 새로운 방법이 확립되자, 연구팀은 효소가 실제 약물과 어떻게 상호작용하는지 확인하는 단계로 넘어갔습니다. 그들은 먼저 다른 약물의 효과를 높이는 데 사용되는 강력한 억제제인 리토나비르(ritonavir)를 테스트했습니다. cryo-EM 이미지는 리토나비르가 열쇠가 자물쇠에 끼워지듯 중앙의 철 원자를 붙잡으며 효소 중심부에 매우 구체적인 방식으로 고정된다는 것을 확인해주었습니다. 이 결과는 X선 연구를 통해 알려진 내용과 일치하여, 새로운 접근법의 타당성을 입증했습니다. 그러나 또 다른 흔한 항진균제인 케토코나졸(ketoconazole)을 살펴보았을 때, 사진은 전혀 다른 이야기를 들려주었습니다. X선 결정은 두 분자의 케토코나졸이 효소 내부에서 동시에 층층이 쌓일 수 있다고 시사했지만, cryo-EM 데이터는 전혀 다른 것을 보여주었습니다. 밀도 맵은 효소가 실제로 두 가지 다른 형태의 약물을 수용하지만, 두 형태가 동시에 존재할 수는 없다는 것을 드러냈습니다. 효소는 한 버전이나 다른 버전에 맞춰 자신의 모양을 바꾸는 것으로 보이며, 이는 경직된 결정 구조가 놓쳤던 유연성입니다.

연구는 중앙 철 원자에 닿지 않고 결합하는 아자물린(azamulin)과, 이 연구 이전에는 구조적 데이터가 존재하지 않았던 발기부전 치료제인 바데나필(vardenafil)을 조사하는 것으로 나아갔습니다. 두 경우 모두, cryo-EM 이미지는 효소가 약물을 잡기 위해 여러 가지 모양을 취할 수 있음을 보여주었습니다. 바데나필의 경우, 연구진은 약물이 활성 부위 내에서 가질 수 있는 두 가지 뚜렷한 위치를 관찰했는데, 두 위치 모두 현재의 컴퓨터 모델링 소프트웨어가 내놓은 최상위 예측과 일치하지 않았습니다. 이 발견은 현대 약물 설계의 사각지대를 강조한다는 점에서 중요합니다. 즉, 과학자들이 효소에 약물이 어떻게 들어맞는지 예측하기 위해 사용하는 알고리즘들이 CYP3A4의 진정한 변화하는 본질을 포착하는 데 실패하고 있다는 것입니다. 컴퓨터 모델은 종종 정적인 모양을 가정하지만, 효소는 분명히 다양한 손님에 맞춰 스스로를 재형성하는 유동적인 기계입니다.

이 문제가 얼마나 광범위한지를 이해하기 위해, 연구진은 백 개 이상의 알려진 효소 구조가 담긴 방대한 라이브러리를 대상으로 컴퓨터 모델링 소프트웨어를 테스트했습니다. 소프트웨어는 약물의 정확한 위치를 약 60%의 경우에만 예측해냈으며, 보지 못한 새로운 구조에 대해서는 성능이 더 낮아졌습니다. 실패는 약물이 주요 활성 부위가 아닌 효소의 이차적인 숨겨진 포켓(pocket)에 결합하거나, 약물이 소프트웨어가 예상하지 못한 방식으로 효소의 모양을 변화시켜야 할 때 가장 극명하게 나타났습니다. 연구는 이 효소가 방대한 범위의 화학 물질을 인식하는 능력과 더불어, 모양을 바꾸는 경향이 결합되어 예측하기 가장 어려운 표적 중 하나라는 결론을 내립니다.

이 연구 결과가 갖는 함의는 약물 개발의 미래에 있어 매우 심오합니다. CYP3A4가 실제로 어떻게 움직이고 다양한 분자와 결합하는지에 대한 명확하고 고해상도의 시각을 제공함으로써, 이 작업은 과학자들이 배울 수 있는 새로운 '진실의 토대(ground truths)'를 제공합니다. 연구진은 이러한 상호작용을 매핑하기 위해 cryo-EM을 일상적으로 사용하는 것이 더 나은 컴퓨터 모델을 훈련시키는 데 필요한 데이터를 제공할 것이라고 제안합니다. 지금까지 이 분야는 효소의 가장 중요한 행동을 놓치기 쉬운 제한된 세트의 정적인 결정 구조에 의존해 왔습니다. 효소의 다양한 형태를 볼 수 있는 능력을 갖추게 됨으로써, 과학자들은 새로운 의약품이 환자에게 도달하기 전에 약물 상호작용과 대사 문제를 예측하는 데 진정으로 유용한 예측 도구를 구축하기 시작할 수 있습니다. 이 연구는 약물 대사를 예측하는 문제를 해결했다고 주장하는 것이 아니라, 이 복잡한 문지기를 이해하기 위해서는 그것을 딱딱한 조각상으로 보는 것을 멈추고, 유연하고 변화하는 기계로서 바라봐야 한다는 길을 밝혀준 것입니다.