The conserved β-hairpin of the SUI1 domain is a dual-function structural module governing translation initiation and ribosome recycling in yeast

모든 살아있는 세포 내부에는 리보솜이라 불리는 미세한 기계가 있어, 생명을 유지하는 일꾼인 단백질을 만들기 위해 유전 정보를 읽습니다. 번역이라고 알려진 이 과정은 단일한 연속적 사건이 아니라 정밀한 단계들의 연속입니다. 리보솜이 특정 지시 블록을 다 읽고 나면, 메시지를 놓아주고 다시 시작하기 위해 초기화해야 합니다. 대부분의 경우 리보솜은 부품들을 분리하고 메시지를 완전히 떠납니다. 하지만 일부 유전 메시지에는 본 메시지 전의 짧은 예비 지시 사항이 포함되어 있습니다. 리보솜이 이 짧은 예비 섹션을 마쳤을 때, 때때로 메시지에 계속 붙어 있어 즉시 다음 부분을 읽기 시작하기도 합니다. 메시지를 떠나지 않고 다시 시작하는 이 능력을 재개시(reinitiation)라고 하며, 이는 세포가 단백질을 얼마나 만들지 조절하는 중요한 방법입니다. 만약 이 초기화 메커니즘이 실패하면, 리보솜이 갇히거나 잘못된 곳에서 읽기를 시작하여 잠재적으로 해로운 단백질을 만들어낼 수 있습니다.

과학자들은 이 초기화 과정을 관리하기 위해 특정 조력 단백질이 필요하다는 것을 오래전부터 알고 있었습니다. 인간 생물학을 연구하는 데 자주 사용되는 단순한 생물인 효모에서, Tma20p와 Tma22p라는 한 쌍의 조력 단백질이 리보솜이 올바르게 재활용되도록 함께 작동합니다. 이 단백질들은 유전 지시 사항의 첫 단계를 시작하는 데 도움을 주는 잘 알려진 단백질인 eIF1과 구조적 형태를 공유합니다. 이들이 매우 유사하기 때문에, 연구자들은 Tma20p와 Tma22p 쌍이 단순히 시작 단백질의 역할을 복제한 것인지, 아니면 재활용을 위한 독특한 역할을 진화시킨 것인지 궁금해했습니다. 러시아 연구 기관의 크세니야 자먀트니나(Kseniya Zamyatnina)와 그녀의 팀이 수행한 새로운 연구는 이제 이 질문에 답하며, 이 단백질들이 정확히 어떻게 작동하는지, 그리고 그들의 특정 부분이 손상되었을 때 어떤 일이 일 발생하는지를 밝혀냈습니다.

이 단백질들의 역할을 이해하기 위해, 연구진은 효모 세포 내부에 맞춤형 테스트 시스템을 구축했습니다. 그들은 두 부분으로 된 보고서처럼 작동하는 유전 메시지를 만들었습니다. 첫 번째 부분은 리보솜이 빠르게 마칠 수 있는 짧고 읽기 쉬운 지시 사항입니다. 두 번째 부분은 리보솜이 첫 번째 부분을 마친 후 성공적으로 초기화되어 메시지에 계속 남아 있을 때만 읽게 될 더 긴 지시 사항입니다. 리보솜이 첫 번째 부분에서 두 번째 부분으로 얼마나 성공적으로 이동하는지를 측정함으로써, 팀은 재활용 효율을 계산할 수 있었습니다. 그들은 리보솜의 재활용 과정이 어떻게 변하는지 보기 위해 하나 또는 그 이상의 조력 단백질을 제거한 효모 세포에서 이 시스템을 테스트했습니다.

팀은 먼저 효모에서 사용 가능한 서로 다른 조력 단백질의 역할을 비교했습니다. 그들은 Tma20p와 Tma22p 한 쌍의 단백질이 리보솜이 너무 쉽게 재시작하는 것을 막는 주된 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 두 단백질이 모두 없을 때 리보솜은 너무 자주 재시작했는데, 이는 재활용 과정의 실패를 나타냅니다. 세 번째 조력 단백질인 Tma64p도 역할을 수행했지만, 그 효과는 훨씬 작았습니다. 연구진은 Tma20p와 Tma22p 쌍이 리보솜이 짧은 지시 사항 후에 재시작하든 긴 지시 사항 후에 재시작하든 관계없이, 이 과정을 제어하는 데 있어 Tma64p보다 훨씬 더 중요하다는 것을 발견했습니다.

연구는 이어 Tma22p 단백질의 구체적인 형태에 집중했습니다. 이 단백질은 시작 단백질인 eIF1의 일부와 매우 유사해 보이는 전하를 띤 입자로 구성된 독특한 루프 모양의 구조를 가지고 있습니다. 연구진은 이 특정 루프를 제거하거나 변경한 버전의 Tma22p 단백질을 만들었습니다. 이 루프의 전하 입자들을 변경했을 때, 단백질은 리보솜 재활용을 돕는 능력을 완전히 상실했습니다. 이 세포들의 리보솜은 조력 단백질이 아예 없는 것처럼 행동하며 너무 빈번하게 재시작했습니다. 이는 이 특정 루프가 단백질의 기능에 필수적임을 증명했습니다.

놀랍게도, 연구진이 단백질에서 루프 구조 전체를 제거했을 때 결과는 달랐습니다. 단백질이 완전히 실패하는 대신, 효모 세포는 여전히 리보솜을 상당히 잘 재활용할 수 있었습니다. 이는 세포 내의 다른 단백질, 아마도 시작 단백질인 eIF1이 주 조력 단백질이 루프를 잃었을 때 그 일을 대신 맡을 수 있음을 시사했습니다. 이 아이디어를 테스트하기 위해 팀은 하이브리드 단백질을 만들었습니다. 그들은 Tma22p 조력의 앞부분을 가져와 시작 단백질인 eIF1의 루프를 부착했습니다. 이 하이브리드 단백질을 천연 Tma22p가 결핍된 세포에 넣었을 때, 리보솜 재활용 능력이 부분적으로 복구되었습니다. 이는 시작 단백질과 재활용 조력 단백질이 서로의 부품을 교환하고도 여전히 기능할 수 있음을 확인시켜 주며, 이들이 서로 다르지만 관련된 과업을 수행하기 위해 공통 조상으로부터 진화했음을 시사합니다.

이 발견은 서로 다른 생물체에서 이 단백질들이 어떻게 작동하는지에 대한 오랜 논쟁을 명확히 해줍니다. 효모에서 Tma20p와 Tma22p 쌍은 주로 리보솜이 재시작하는 것을 막아, 리보솜이 다른 곳에서 재사용되도록 메시지를 떠나게 하는 역할을 합니다. 인간의 경우, 유사한 단백질들이 리보솜의 재시작을 돕는 것으로 생각되어 왔으나, 본 연구는 공유된 구조적 형태를 사용하여 리보솜의 움직임을 관리하는 근본적인 메커니즘이 보존되어 있음을 시사합니다. 연구는 Tma22p 단백질의 전하를 띤 루프가 그 직무를 위한 결정적인 스위치라는 점을 강조합니다. 이것이 없으면 재활용 과정이 무너져 단백질 생산의 오류로 이어집니다. 이러한 통찰은 세포가 단백질 합성 중에 어떻게 질서를 유지하는지 설명하는 데 도움이 되며, 인간의 유사한 단백질들이 신경 질환과 연관되어 있다는 점에서 해당 영역의 유전적 돌연변이가 어떻게 질병을 초래할 수 있는지에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다. 이 연구는 진화가 과정의 서로 다른 단계들을 위해 전문화된 도구들을 만들어냈지만, 적절한 조건 하에서는 여전히 서로 교환되고 적응될 수 있는 공통의 청사진을 공유하고 있음을 보여줍니다.