미국 스크립스 연구소(TSRI) 연구원들이 신약 개발과 단백질 연구 향상을 위한 다목적의 새로운 방법을 개발해 냈다.
이 방법은 연구자들이 자연적인 세포 환경에서 수십 만 개의 단백질에 결합돼 있는 작은 분자들을 신속하게 찾아낼 수 있도록 하는 기능을 한다. 리간드(ligands)로 불리는 이 분자들은 단백질들이 세포 안에서 어떻게 작용하는지를 연구하는 중요한 도구가 되는 한편, 이를 통해 신약 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이 방법은 특히 단백질 표적에 대한 사전 지식 없이도 관심의 대상이 되는 생물학적 과정을 방해하는 리간드 분자를 발견할 수 있으며, 리간드 분자들이 결합하는 단백질들을 신속하게 식별해 낼 수 있다. 리간드란 수용체에 결합하는 항체나 호르몬, 약제 등의 저분자를 말한다.
논문 공저자로서 TSRI 화학생물학과 주임교수인 벤자민 크라뱃(Benjamin F. Cravatt) 연구실의 크리스토퍼 파커(Christopher G. Parker) 연구원은 “이 새로운 플랫폼은 신약 발견만이 아니라 새로운 생물학을 발굴하는 데도 유용하다”고 말했다. 이 연구는 생명과학 저널 ‘셀’(Cell) 1월 19일자에 실렸다.
인체 단백질 리간드의 90%는 미지의 영역
인간 유전체에는 약 2만5000개의 단백질이 부호화돼 있으나 일반 데이터베이스에는 이 가운데 약 10%만이 알려진 리간드로 등재돼 있다. 이 때문에 생물학자들은 이 미지의 영역을 탐구할 수 있는 더 나은 도구들을 오랫 동안 찾아 다녔다.
이번에 선보인 새로운 방법은, 작지만 구조적으로 다양한 ‘단편’(fragments)으로 알려진 후보 리간드 분자 세트도 개발할 수 있다. 각 후보 리간드는 특별한 화학 화합물로 변형돼 중간 정도의 친화성으로 단백질 파트너와 결합하면 자외선에 잠깐 동안만 노출돼도 그 파트너에 영구히 달라붙을 수 있다. 여기서 더 변형이 되면 분자 핸들이 제공돼 과학자들이 이를 이용해 이 리간드-단백질 쌍을 움켜잡거나 분리시켜서 분석할 수 있다.
초기 시연을 위해 연구팀은 기존 약제들에서 많이 발견되는 구조적 특징을 가진 후보 리간드들의 작은 ‘라이브러리’를 조립했다. 그리고 이 중 11개만을 인체 세포에 적용해 한 개 이상의 리간드에 결합된 2000개 이상의 서로 다른 딘백질을 식별해 냈다.
이 같은 리간드-결합 단백질들은 전사인자와 같은 여러 범주로부터의 많은 것을 포함한다. 그것들은 전에는 ‘배위가 가능하지 않은(un-ligandable)’ 것으로 생각돼 약으로 표적화할 수가 없었다. 실제로 널리 사용되는 DrugBank 데이터베이스에 따르면 이러한 단백질 가운데 단지 17%만이 리간드를 알고 있는 것으로 나타났다.
연구팀은 많은 리간드-단백질 상호작용에서 결합이 일어나는 단백질 부위를 확인하기 위해 여러 방법들을 사용했다.
처음에 단백질 결합 파트너를 검색하는데 사용된 후보 리간드들은 일반적으로 너무 작아서 파트너 단백질과 단단히 결합할 수 없었기 때문에 세포에서 단백질의 기능을 방해하기가 어려웠다. 그러나 연구팀은 여러 경우에서 이 초기의 작은 (조각) 리간드들이 더욱 높은 친화적 상호작용을 보이고 단백질 파트너의 기능을 방해할 수 있을 만큼 더 크고 복잡한 분자로 발전할 수 있다는 것을 보여주었다.
새로운 형태의 기능 검색
연구팀은 최종 증명을 위해 BMS 제약사의 화학자들과 협력해 수백 가지의 좀더 복잡한 후보 리간드 라이브러리를 만들었다. 이어 TSRI의 엔리크 새즈(Enrique Saez ) 교수와 논문 공동제1저자인 안드레아 갤모찌(Andrea Galmozzi)와 함께 지방세포의 성숙을 촉진하는 뭔가를 찾아내기 위해 이 리간드들을 테스트했다. 지방세포의 성숙을 촉진하는 과정은 원칙적으로 2형 당뇨병을 유발하는 인슐린 저항성을 완화시킬 수 있다.
이러한 유형의 전통적인 기능적 탐색은 세포에 영향을 미칠 수 있는 단백질이나 다른 분자들을 집어내지 못 한다. 그러나 이번에 새로 발견한 방법을 사용해 연구자들은 지방세포 성숙을 강력하게 촉진하는 리간드뿐만 아니라 그 결합파트너인 PGRMC2 단백질도 찾아냈다. 이 단백질에 대해서는 현재 알려진 것이 거의 없다.
파커 연구원은 “지방세포 성숙과 다른 당뇨병 관련 경로가 이미 많이 연구되었음에도 불구하고 우리는 새롭게 약효가 발휘될 수 있는(druggable) 경로를 찾아냈고 또 얼마 정도는 새로운 생물학을 발견했다고 생각한다”고 말했다.
크라뱃 교수는 “이번 연구를 통해 인체 단백질의 약효성(druggability)을 더욱 철저하게 탐구하고 단백질 생물학의 연구가 더욱 가속화되기를 기대한다”고 밝혔다.
