The processing class of the second residue is conserved across three domains of life, and retention of the initiator methionine is coupled to packing into the protein fold
본 연구는 세 생물 영역 모두에서 두 번째 잔기의 유형에 의해 결정되는 개시 메티오닌의 가공 운명에 대한 진화적 보존이, 제거형 잔기에 대한 번역 장치의 농축과 유지형 잔기에 대한 구조적 패킹 요구사항이라는 서로 구별되는 기능적 압력에 의해 유도된다는 것을 입증한다.
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모든 생명체는 동일한 기본 지침서를 사용하여 단백질을 만듭니다. 이 과정은 항상 새로 형성된 단백질 사슬의 보편적인 캡 역할을 하는 메티오닌이라는 단일 시작 아미노산으로부터 시작됩니다. 그러나 이 캡이 항상 그대로 남아 있어야 하는 것은 아닙니다. 박테리아에서 인간에 이르기까지 방대한 다양한 생명체에서, 메티오닌 아미노펩티다제(methionine aminopeptidase)라고 알려진 특정 세포 기계는 품질 관리 검사관 역할을 합니다. 이 기계는 사슬의 바로 두 번째 구성 요소를 확인합니다. 만약 이 두 번째 블록이 작고 눈에 띄지 않는다면, 기계는 시작 메티오닌을 잘라내어 단백질이 다른 아미노산으로 시작할 수 있게 합니다. 만약 이 두 번째 블록이 크고 부피가 크다면, 기계는 메티오닌을 그 자리에 그대로 둡니다. 유전 암호의 단 하나의 글자에 의해 결정되는 이 단순한 규칙은 단백질 시작 부분의 최종 형태를 결정하며, 단백질이 어떻게 변형되고 세포에 의해 인식되는지에 영향을 미칩니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 규칙이 존재한다는 사실은 알고 있었지만, 진화가 이를 얼마나 엄격하게 수호하는지, 또는 왜 어떤 단백질은 그 시작 캡을 필요로 하고 다른 것들은 그렇지 않은지는 완전히 이해하지 못했습니다.
세인트루이스 대학교 의과대학의 이예화 연구원이 수행한 새로운 연구는 이 규칙이 자연의 엄격한 법칙인지, 아니면 시간이 흐름에 따라 변하는 유연한 제안인지 조사합니다. 연구자는 근본적인 질문을 던졌습니다: 단백질이 진화하고 두 번째 아미노산이 변할 때, 세포는 그 새로운 아미노산의 구체적인 정체에 관심을 갖는가, 아니면 단지 그 새로운 아미노산이 제거를 허용할 만큼 충분히 작은지 혹은 유지를 강제할 만큼 충분히 큰지라는 동일한 범주에 속하는지에만 관심을 갖는가? 이 질문에 답하기 위해, 본 연구는 박테리아, 고균, 진핵생물의 세 가지 주요 생명 분기를 아우르는 53개 종에 걸친 수천 개의 단백질을 조사했습니다. 이 단백질들을 다른 종의 진화적 친척들과 비교함으로써, 분석 결과 놀라운 패턴이 드러났습니다. 두 번째 아미노산이 변할 때, 그것은 거의 항상 동일한 크기 범주의 다른 아미노산으로 교체되었습니다. 작은 아미노산은 다른 작은 아미노산으로 대체되었고, 큰 아미노산은 큰 아미노산으로 대체되었으며, 이는 무작위 확률이 예측하는 것보다 훨씬 더 빈번하게 일어났습니다. 이러한 '처리 운명(processing fate)'의 보존은 아미노산의 구체적인 정체는 보존되지 않았을 때조차 유효했으며, 이는 세포가 특정 글자가 아니라 그 규칙의 결과를 보호하고 있음을 시사합니다.
그 후 연구는 왜 진화가 이토록 정성을 들여 이 결과를 보존하는지 탐구했습니다. 그 답은 단백질이 규칙의 어느 쪽에 속하느냐에 따라 달랐습니다. 작은 두 번째 아미노산을 유지하여 시작 메티오닌이 제거되도록 하는 단백질의 경우, 보존은 세포의 단백질 제조 공장의 기계 구조에서 가장 강력하게 나타났습니다. 리보솜과 이를 구축하는 데 도움을 주는 인자들을 포함하는 이 단백질들은 제대로 기능하기 위해 막힘 없는 시작을 필요로 하는 것으로 보입니다. 그러나 큰 두 번째 아미노산을 유지하여(즉, 세포가 시작 메티오닌을 유지하도록 강제하여) 규칙을 따르는 이유를 찾는 과정에서는 구조적인 원인이 발견되었습니다. 이러한 경우, 시작 메티오닌은 단순히 남겨진 태그가 아니라, 단백질의 접힌 구조 내부에 깊숙이 박혀 있어 중요한 건축적 퍼즐 조각 역할을 합니다.
단백질의 3차원 구조를 예측하는 고급 컴퓨터 모델을 사용하여, 연구자는 시작 메티오닌이 유지되는 단백질에서 그 메티오닌이 단백질 접힘의 핵심부에 단단히 패킹되어 있다는 것을 발견했습니다. 그것은 종종 단백질을 결합시키는 구조적 가닥의 바로 첫 번째 조각이 됩니다. 이는 인간 단백질의 실제 실험적으로 결정된 구조들을 살펴보는 과정을 통해 확인되었는데, 규칙이 유지를 예측한 대부분의 사례에서 시작 메티오닌이 실제로 접힘 구조 안에 묻혀 있었습니다. 이 증거는 이러한 단백질들에게 있어 시작 메티오닌이 구조적 필수 요소임을 시사합니다. 만약 두 번째 아미노산이 작은 것으로 변한다면, 시작 메티오닌이 제거될 것이고, 그 단백질은 형태나 안정성을 잃을 가능성이 높습니다.
연구는 또한 구조적 설명에 깔끔하게 들어맞지 않는 단백질 그룹을 식별했습니다. 이러한 경우, 두 번째 아미노산은 엄격하게 일정하게 유지되었으나, 시작 메티오닌은 단백질의 핵심부에 묻혀 있지 않았습니다. 이 예외 사례 중 몇몇에 대해 연구자들은 단백질을 세포의 특정 부분으로 타겟팅하거나 파트너 분자와 결합하는 것과 같은 구체적인 생물학적 역할을 지목할 수 있었으며, 이것이 서열이 매우 엄격한 이유를 설명해 줍니다. 나머지 사례들에 대해서는 그 이유가 여전히 미스터리로 남아 있지만, 이들의 엄격한 보존성은 아직 이해되지 않은 이유로 인해 이들의 시작 서열을 유지하려는 강력한 진화적 압력이 존재함을 암시합니다.
궁극적으로, 이 연구는 단백질의 맨 앞부분이 어떻게 진화하는지에 대한 이해를 변화시킵니다. 이는 시작 메티오닌을 유지할지 제거할지에 대한 결정이 진화에 의해 매우 세심하게 보호되는 형질임을 보여줍니다. 어떤 단백질들에게 이 보호는 세포의 기계 장치에 의해 단백질이 올바르게 만들어지도록 보장합니다. 다른 단백질들에게 이 보호는 중요한 구조적 조각이 결합하여 단백질을 유지할 수 있도록 보장합니다. 생명의 나무 전체에 걸쳐 이러한 패턴을 매핑함으로써, 이 연구는 단백질의 초기 몇 글자가 왜 그렇게 자주 보존되는지를 이해할 수 있는 명확한 틀을 제공하며, 단백질의 시작이 그것을 만드는 유전적 지시만큼이나 구조적 무결성과 세포 기능에 관한 것임을 밝혀냈습니다.
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