A cell-permeable pyranine derivative as new fluorescent substrate for human UDP- glucuronosyltransferase and sulfotransferase enzymes

당신의 몸이 북적거리는 고도의 보안을 갖춘 도시라고 상상해 보세요. 매일 이 도시는 음식, 약물, 환경으로부터 오는, 정체를 알 수 없는 외부 방문객들의 공세에 직면합니다. 도시를 안전하게 유지하기 위해, 도시에는 특화된 청소 팀이 있습니다. 이 팀은 단순히 쓰레기를 내다 버리는 것이 아니라, 이 침입자들에게 특별한 '태그'를 붙여서 소변이나 담즙을 통해 쉽게 씻겨 내려갈 수 있는 수용성 패키지로 만듭니다. 이 과정을 대사(metabolism)라고 부르며, 두 가지 주요 태그 부착자는 글루쿠론산 태그를 추가하는 UGT와 황산염 태그를 추가하는 SULT라는 이름의 효소입니다. 과학자들은 오랫동안 살아있는 세포 내부에서 이 태깅 과정이 실시간으로 일어나는 것을 관찰하고 싶어 했지만, 이는 보통 마술사의 트릭을 어둠 속에서 보려는 것과 같았습니다. 즉, 무언가 일어나고 있다는 것은 알지만, 쇼를 중단시키고 모든 것을 분해하지 않고서는 세부 사항을 볼 수 없는 상태였죠.

형광 화학의 세계가 등장했습니다. 형광 염료를 과학자들이 생물학적 과정을 밝히기 위해 사용할 수 있는 작은 반딧불이라고 생각해 보세요. 만약 당신이 태그가 붙었을 때 색이 변하는 반딧불이를 만들 수 있다면, 청소 팀이 작업하는 모습을 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 핵심적인 질문은 이것이었습니다. 세포 안으로 몰래 잠입할 수 있을 만큼 작고, 눈에 띌 만큼 밝으며, UGT나 SULT 효소가 임무를 수행하는 즉시 색을 바꿀 수 있을 만큼 민감한 '스마트 반딧불이'를 찾을 수 있을 것인가? 만약 우리가 그것을 찾을 수 있다면, 우리는 청소 팀이 얼마나 빨리 일하는지를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 세포를 파괴하지 않고도 어떤 세포가 열심히 일하고 있고 어떤 세포가 게으름을 피우고 있는지를 실제로 볼 수 있을 것입니다.

이것이 바로 리스토 O. 주보넨(Risto O. Juvonen)과 그의 팀이 들려주고 싶었던 이야기입니다. 그들은 '피란(pyranine)'이라는 분자의 유도체인 'F-pyrene'이라는 새로운 화학 물질을 발견했습니다. F-pyrene을 밝고 초록색인 반딧불이라고 생각하면 쉽습니다. 이 반딧불은 간 세포(구체적으로는 인간 간 세포주인 HepG2)의 정문을 통과해 몰래 들어갈 수 있을 만큼 작고 영리합니다. 일단 내부로 들어가면 마법이 일어납니다. 연구진들은 세포가 처음에는 밝고 행복한 초록색으로 빛나다가, 일부 세포들이 색을 바꾸기 시작하여 시원하고 전기적인 느낌의 파란색으로 변하는 것을 관찰했습니다.

연구팀은 이 색 변화가 오류가 아니라 작업이 진행되고 있다는 신호라고 가설을 세웠습니다. 그들은 세포의 태깅 효소들이 F-pyrene을 붙잡아 글루쿠론산이나 황산염 태그를 부착하고 있다고 의심했습니다. 카멜레온이 피부색을 바꾸는 것처럼, F-pyrene은 태그가 붙자마자 초록색에서 파란색으로 '빛'을 바꾸었습니다. 이를 증명하기 위해 그들은 단순히 추측하는 대신, 포렌식 조사와 같은 일련의 실험을 설정했습니다.

먼저, 그들은 F-pyrene이 정말로 '세포 투과성' 스파이임을 확인했습니다. 배양된 간 세포에 F-pyrene을 첨가하자, 세포들은 거의 즉시 그것을 삼켜 2분 이내에 초록색으로 변했습니다. 시간이 흐름에 따라 일부 세포의 초록색 빛이 사라지기 시작했고, 그 자리를 파란색 점들이 채웠습니다. 빛을 정확한 색상으로 분리할 수 있는 고성능 현미경을 사용하여, 그들은 초록색 빛(535 nm에서 방출)이 태그가 붙지 않은 F-pyrene이고, 파란색 빛(460 nm에서 방출)이 태그가 붙은 버전임을 증명했습니다. 이는 많은 다른 염료들이 대사될 때 단순히 빛을 잃는 것과 달리, F-pyrene의 태그는 실제로 다른 색으로 '빛난다'는 점에서 매우 중요한 발견이었습니다. 이는 과학자들이 '전'과 '후'를 동시에 관찰할 수 있음을 의미하며, 마치 초록색 공이 눈앞에서 파란색 공으로 변하는 것을 지켜보는 것과 같습니다.

다음으로, 팀은 어떤 효소가 이 색 변화의 마법을 담당하는지 알고 싶었습니다. 그들은 인간의 간에서 발견되는 효소 라이브러리를 대상으로 F-pyrene을 테스트했습니다. 그 결과, F-pyrene은 특정 UGT 효소 그룹(특히 UGT1A1, 1A3, 1A7, 1A8, 1A9, 1A10)과 특정 SULT 효소 그룹(SULT1A1, 1A2, 1E1, 2A1)이 가장 좋아하는 간식이라는 것을 발견했습니다. 이 효소들이 존재할 때 초록색 형광은 떨어지고 파란색 형광은 상승했습니다.

연구진은 또한 이 효소들이 얼마나 빨리 작동하는지도 측정했습니다. 인간 간 샘플에서 글루쿠론산 결합 속도(UGTs를 통한 초록색-파란색 전환)는 5.10 ± 0.14 nmol/(sg prot)였고, 장에서는 2.9 ± 0.46 nmol/(sg prot)였습니다. 황산화(SULTs를 통한 전환)의 경우, 간의 속도는 0.063 ± 0.026 nmol/(sg prot)였고 장의 속도는 0.199 ± 0.007 nmol/(sg prot)였습니다. 흥ًا, 그들은 간이 장보다 글루쿠론산 결합에 훨씬 더 뛰어나지만, 장이 황산화에는 더 빠르다는 사실을 발견했습니다.

그들의 발견 중 가장 매혹적인 부분 중 하나는 효소의 행동 방식이었습니다. 대부분의 효소는 단순한 규칙을 따릅니다. 즉, 먹이(기질)가 많으면 한계에 도달할 때까지 더 많은 일을 한다는 것입니다. 하지만 연구팀은 F-pyrene에 작용하는 대부분의 효소가 '기질 억제(substrate inhibition)' 패턴을 따른다는 것을 발견했습니다. 상자 더미가 너무 많아져서 오히려 발에 걸려 넘어지며 작업 속도가 느려지는 공장 노동자를 상상해 보세요. 바로 그런 일이 여기서 일어났습니다. F-pyrene이 너무 많아지면 효소들은 실제로 속도가 느려졌습니다. 오직 하나의 효소, SULT2A1만이 표준적이고 예측 가능한 규칙을 따랐습니다.

팀은 또한 F-pyrene이 세포에 독성을 나타내는지 확인했습니다. 그들은 실험에 사용된 농도에서 세포들이 건강하고 살아있는 상태를 유지하며, 훨씬 높은 농도(F-pyrene 40 µM 이상)에서만 스트레스 징후를 보인다는 것을 발견했습니다. 이는 F-pyrene이 살아있는 세포에서 이러한 과정을 관찰하기 위한 안전하고 독성이 없는 도구임을 확인시켜 주었습니다.

결론적으로, 저자들은 F-pyrene이 다재다능한 새로운 도구라고 결론지었습니다. 이것은 단순한 염료가 아닙니다. 어떤 세포가 약물을 활발하게 대사하고 있는지, 그리고 어떤 효소가 핵심적인 역할을 하고 있는지를 알려주는 보고자(reporter)입니다. 태그가 붙지 않은 버전은 초록색이고 태그가 붙은 버전은 파란색이기 때문에, 연구자들은 이를 통해 수송과 대사를 동시에 시각화할 수 있습니다. 그들은 또한 서로 다른 세포가 서로 다른 속도로 파란색으로 변한다는 점을 근거로, 이 도구가 화학 물질을 해독하는 능력이 얼마나 좋은지에 따라 세포를 분류하는 데 잠재적으로 사용될 수 있다고 제안했습니다. 이것은 우리 몸이 어떻게 집을 청소하는지에 대한 숨겨진 세계를 보여주는, 작고 빛나는 분자이자 커다랗고 다채로운 창입니다.