우리얘기

기질(substrate)은 효소와 특이적으로 결합하여 화학반응을 일으키는 분자입니다.

세포는 시시각각 변하는 환경에 대응하여 필요한 단백질들을 생산 또는 폐기하고 재활용하는 정교한 시스템을 갖고 있지만, 만일 이 과정에서 오류가 생기면 '질병'으로 이어지게 됩니다.

따라서 단백질 분해를 조절하는 E3 효소와 기질 간의 관계를 파악하면 관련 질병을 치료하거나 예방할 수 있는 길이 열리게 됩니다.

E3 효소는 단백질 분해의 80%를 담당하는 것으로 알려져 수많은 질병이 관련되어 있을 것으로 예측되고 있습니다.

그러나 E3 효소와 기질 간의 정보들이 개별 논문과 DB에 흩어져 있어, 단백질 분해 조절과 관련된 세포의 기능과 질병의 특성을 종합적으로 분석할 수 없었습니다.

이 같은 단백질의 분해를 조절하는 효소와 기질에 대한 관계정보를 담은 바이오마커  발굴 시스템이 국내 연구진에 의해 개발돼 고부가가치의 새로운 바이오마커 개발 가능성을 열었습니다.

바이오마커(Biomarker)는 유전자나 단백질 등에서 유래된 특이한 패턴의 분자적 정보로, 유전적 또는 후천적 영향으로 발생한 신체의 변화를 감지할 수 있는 생물표지인자입니다.

■ KAIST 이관수 교수팀은 세계 바이오 관련 DB와 약 2만 편의 논문으로부터 정보를 추출해 단백질 분해를 조절하는 E3 효소와 기질들 간의 네트워크를 집대성하고, 이와 관련된 세포의 기능과 질병을 분석하는 'E3Net' 시스템을 개발했습니다.

이 교수팀은 모든 E3 효소 2201개와 기질 4896개, 그리고 이에 대한 조절관계 1671개에 대한 정보를 통합해 E3 효소 조절 네트워크 내에 존재하는 관련 세포의 기능과 질병을 시스템적으로 분석할 수 있는 E3Net을 구축했습니다.

이 네트워크는 지금까지 구축된 조절정보를 모두 합친 것보다 무려 10배나 많은 방대한 양으로, E3 효소가 독자적 또는 협력해서 조절하는 세포의 기능과 관련 질병을 정확히 파악할 수 있는 토대가 마련된 첫 사례입니다.

E3Net을 이용하면 각각의 질병과 관련된 단백질들의 분해조절을 담당하는 E3 효소들을 찾을 수 있고, 분해조절 원리와 세포기능 네트워크를 함께 파악하여 질병의 발생 원인이나 환자에 적합한 맞춤형 치료방법을 제공할 수 있는 바이오마커를 발굴할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

실제 연구팀은 E3Net을 활용해 암이나 뇌심혈관 질환 및 당뇨병 등 현대인의 대표적 질환과 관련된 E3 바이오마커 후보 수십 개를 새롭게 발견하는 등 눈에 띄는 성과를 거두었고, 현재 이를 검증할 후속 연구를 계획 중입니다.

이번 연구결과로 E3 효소와 관련된 단백질 분해조절의 네트워크가 구축되고, 이 네트워크에 존재하는 세포의 기능과 질병의 특이성을 시스템적으로 분석할 수 있게 됨에 따라, E3 효소와 관련된 세포의 기능 연구와 질병 연구에 새로운 전기가 마련될 전망입니다.

이번 연구는 이관수 교수가 주도하고, 한영웅 박사과정생, 이호동 박사 및 박종철 교수가 참여했습니다.

연구결과는 단백질체 연구 분야의 권위 있는 학술지인 'Molecular and Cellular Proteomics'지 4월호(4월 1일자)에 게재되었습니다.
(논문명: A system for exploring E3-mediated regulatory networks of cellular functions)

E3 효소에 의한 단백질 분해 및 세포 내 기능 조절 네트워크 모식도. 본 연구에서 구축한 E3Net을 통해 다양한 E3 (중앙의 원들)들이 독립적으로 또는 협력하여 조절하는 단백질들 (직사각형들)의 네트워크를 파악할 수 있고, 이들이 관련된 세포 기능과 질병들 (외부 띠에 표현됨)을 알 수 있다.

중요 바이오마커 인 P53 단백질의 분해조절에 관련된 E3 네트워크 예시. E3Net을 분석한 결과에 의하면 대표적인 종양 억제 단백질인 P53는 23개의 E3 효소에 의해 유비퀴틴화된다. P53를 조절하는 23개의 E3 효소는 P53 외 다른 기질의 분해도 함께 조절하는데, 해당 E3 효소들은 DNA 손상, 전사, 세포 사멸 등 P53의 기능과 관련된 3가지 세포 기능에 연관된 단백질 그룹을 협력하여 조절하는 것으로 나타났다.

 용  어  설  명

유비퀴틴화(Ubiquitination) :
유비퀴틴은 76개의 아미노산으로 이루어진 작은 단백질로 다른 단백질에 결합함으로써 단백질의 분해를 촉진하는데 이를 '유비퀴틴화'라고 한다.

E3 효소(E3 ligase; Ubiquitin protein ligase) :
유비퀴틴은 세 종류의 단백질 E1, E2, E3의 순차적인 작용에 의해 기질에 결합하게 된다. E3 효소는 유비퀴틴을 기질에 붙게 하는 마지막 단계의 효소로서 세포 내 특정 단백질에 결합하여 기질의 특이성을 결정한다.

텍스트 마이닝(Text-mining) :
비정형 데이터인 서면 자료로부터 유용한 정보 혹은 지식을 자동으로 추출하는 기법을 의미한다.

바이오마커(Biomarker) :
유전자, 단백질 등에서 유래된 특이한 패턴의 분자적 정보로, 유전적?후천적 영향으로 발생한 신체의 변화를 감지할 수 있는 생물표지인자

기질(substrate) :
효소와 특이적으로 결합하여 화학반응을 일으키는 분자로, 소화작용은 우리의 몸속에서 일어나는 효소와 기질간의 반응의 대표적인 사례

Molecular & Cellular Proteomics :
단백질체 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표과학전문지 (인용지수: 8.354)

<이관수 교수> 1. 인적사항  ○ 소   속 : 한국과학기술원(KAIST) 바이오및뇌공학과  ○ 웹사이트: http://bisyn.kaist.ac.kr 2. 학력   1984 - 1988    서울대학교 동물학 학사   1988 - 1990    한국과학기술원(KAIST) 생물공학 석사   1990 - 1993    한국과학기술원(KAIST) 생물공학 박사   3. 경력사항   1993 - 1994 한국생명공학연구원(KRIBB) 연구원   1994 - 1996 한국기초과학지원원구원(KBSI) 연구원   1996 - 1999 University of North Carolina 연구원   1999 - 2001 University of Toronto 연구원   2001 - 2002 Affinium Pharmaceuticals Inc. 책임연구원   2002 - 2009     한국정보통신대학교 공학부 조교수, 부교수   2009 - 현재 한국과학기술원 바이오및뇌공학과 부교수 4. 주요 논문업적  - 생물정보학, 시스템스 생물학, 단백질 구조생물학 및 합성생물학 분야의 통합 연구를 지향하며 35편의 SCI 급 논문 게재. 아래는 최근 3년간 SCI 논문 업적.    ○ Y. Han, H.D. Lee, J.C. Park and G.S. Yi (2012) "E3Net: A system for exploring E3-mediated regulatory networks of cellular functions" Mol. Cell. Proteomics 11(4) O111.014076  ○ C.Y. Kang and G.S. Yi (2011) "Identification of ubiquitin/ubiquitin-like protein modification from tandem mass spectra with various PTMs" BMC Bioinformatics 12 Suppl 13:S8  ○ D.H. Lee, J.H. Ha, Y. Kim, K.H. Bae, J.Y. Park, W.S. Choi, H.S. Yoon, S.G. Park, B.C. Park, G.S. Yi and S.W. Chi (2011) "Interaction of a putative BH3 domain of clusterin with anti-apoptotic Bcl-2 family proteins as revealed by NMR spectroscopy" Biochem. Biophys. Res. Commun. 408(4), 541-547  ○ N. Kim, J.C. Yoo, J.Y. Han, E.M. Hwang, Y.S. Kim, E.Y. Jeong, C.H. Sun, G.S. Yi, G.S. Roh, H.J. Kim, S.S. Kang, G.J. Cho, J.Y. Park and W.S. Choi (2011) "Human nuclear clusterin mediates apoptosis by interacting with Bcl-XL through C-terminal coiled coil domain" J. Cell. Physiol. 227(3) 1157-1167  ○ D. Na, S. Lee, G.S. Yi and D. Lee (2011) "Synthetic inter-species cooperation of host and virus for targeted genetic evolution", J. Biotechnol. 153(1-2), 35-42  ○ T. Yun, T. Hwang, K. Cha and G.S. Yi (2010) "CLIC: Clustering analysis of Large microarray datasets with Individual dimension-based Clustering", Nucleic Acids Res. 38: W246-W253.  ○ C.H. Sun, T. Hwang, K. Oh and G.S. Yi (2010) "DynaMod: Dynamic Functional Modularity Analysis." Nucleic Acids Res. 38: W103-W108.  ○ E. Kim, E.M. Hwang, O. Yarishikin, J.C. Yoo, D. Kim, N. Park, M. Cho, Y.S. Lee, C.H. Sun, G.S. Yi, J. Yoo, D. Kang, J. Han, S.G. Hong and J.Y. Park (2010) "Enhancement of TREK1 channel surface expression by protein-protein interaction with beta-COP" Biochem. Biophys. Res. Commun. 395(2), 244-250  ○ T. Hwang, C.H. Sun, T. Yun and G.S. Yi (2010) "FiGS: a filter-based gene selection workbench for microarray data" BMC Bioinformatics 11:50  ○ S.W. Chi, J. Kim, G.S. Yi, H.J. Hong and S.E. Ryu (2009) "Broadly neutralizing anti-HBV antibody binds to non-epitope regions of preS1" FEBS Lett. 583(18), 3095-3100  ○ C.H. Sun, M.S. Kim, Y. Han and G.S. Yi (2009) "COFECO: Composite Function Annotation Enriched by Protein Complex Data." Nucleic Acids Res. 37: W350-W355

유방암, 자궁암, 폐암 등 고형암 뿐만 아니라 림프성, 골수성 혈액암의 발병과 암세포 확산에 공통적으로 관여하는 효소(Akt)가 있다는 사실은 이미 1990년대 말에 밝혀졌습니다.

특히 정상세포와 달리 암세포에는 Akt가 비정상적으로 활성화되어 있는데, Akt의 활성화는 곧 암세포의 성장, 전이, 항암제 내성 및 재발과 관련된 모든 질병을 촉진하는 것으로 알려지고 있습니다.

따라서 전 세계 연구자들은 지난 수십 년간 Akt의 분해를 유발하는 효소를 발굴해 암을 정복하고자 노력하였지만, 애석하게도 가시적인 성과를 거두지 못했습니다.

□ 건국대 안성관 교수와 배승희 박사(제1저자) 연구팀은 '뮬란'이라는 효소가 Akt를 매우 강력하게 분해시켜, Akt와 관련된 모든 암세포의 진행을 억제한다는 사실을 규명했습니다.

또한 뮬란이 세포 내에 에너지 합성 및 세포의 생존과 사멸에 필수적인 미토콘드리아를 통해 Akt의 분해를 촉진한다는 세부 메커니즘도 밝혀냈습니다.

'뮬란(MULAN)'이라는 효소가 폐암 등의 고형암과 골수성 백혈병 등 혈액암의 진행단계를 억제하여 암세포의 사멸을 촉진하는 것입니다.

안 교수팀은 '뮬란'을 통해 향후 신개념 항암 치료제 개발에 새로운 돌파구를 마련할 것으로 기대하고 있습니다.

이번 연구결과는 네이처(Nature)에서 발간하는 생명과학 분야의 권위 있는 학술지인 '세포연구(Cell Research)'지에 온라인 속보(3월 13일자)로 게재되었습니다.
(논문명 : Akt is negatively regulated by the MULAN E3 ligase)

Akt는 암세포 성장, 전이, 내성 및 재발에 모두 관여 하고 있으며 (따라서 '마스터 스위치' 라고 불림), 특히 암세포에서는 Akt 효소가 비정상적인 수준으로 높게 활성화(Activation) 되어 있다. 이 활성화된 Akt를 뮬란(MULAN)이 유비퀴틴(Ubiquitin, Ub)화시켜, Akt 분해를 유도하여 암 발달 관련 모든 과정이 억제된다.

안성관 교수(가운데), 배승희 박사(왼쪽) 및 김가람 학생이 암세포에 인위적으로 뮬란을 넣은 후 나타나는 항암효과에 대한 실험을 하고 있다.

 용  어  설  명

단백질 분해(Protein degradation/Ubiqutination) :
우리 인간 세포 내 기능을 수행하는 것은 단백질이다.
이러한 단백질들은 각기 다른 수명을 가지고 있다.
하지만 그 단백질들의 수명이 달라진다면 세포의 행동 양식 및 증식력이 변화되며, 이러한 세포들이 체내에 많아진다면 질병으로 나타날 수 있다.
따라서 단백질의 분해는 세포의 정상적인 기능 유지에 매우 필수적이다. 세포 내에는 수많은 단백질들이 존재한다.
이러한 단백질들은 모두 개인이 가지고 있는 수명이 다르게 되는데, 이러한 수명을 조절하는데 가장 핵심적인 메커니즘이 '유비퀴틴화(Ubiquitination)'이다.
유비퀴틴은 매우 작은 크기의 단백질이며 특정 단백질에 유비퀴틴이 붙게 되면 세포내 단백질 분해 장소인 프로테아좀(proteasome)으로 이동하게 되어 그 단백질들이 분해되게 된다.
유비퀴틴화는 E1-E2-E3의 단계를 거쳐, 최종적으로 수명이 다한 단백질에 붙게 된다.
세포 내 수많은 단백질들의 수명을 일일이 계산하여 유비퀴틴을 붙이기는 여간 어려운 게 아니다.
하지만 세포내에는 특정 단백질에 해당하는 특정 유비퀴틴 접합효소가 존재하여서 이를 가능하게 한다.
이를 E3 ligase라 한다.
따라서 특정 단백질과 그 단백질에 유비퀴틴을 붙이는 E3 ligase를 발굴해 관련 메커니즘을 규명하는 것은 현대 분자세포생물학에 있어 큰 화두가 되고 있다.

Akt 효소 :
여기서 언급한 Akt는 세포의 성장, 발달 및 혈관신생 등 거의 모든 세포 과정을 조절할 수 있는 마스터(Master) 효소이다.
따라서 Akt 효소 활성의 적절한 조절은 정상적인 상태 유지를 위해 반드시 필요하다.
Akt 효소의 활성이 저하되면, 세포의 정상적인 기능 유지가 안 됨에 따라, 세포 사멸이 야기되며, 이로 인해 인한 수많은 질병 등이 나타난다.
반대로, 종양세포에서 Akt 효소 활성은 정상세포에 비해서 지나치게 활성화되어 있으며, 이로 인해, 암세포의 진행이 빨라지며, 암 전이를 가능케 하는 것으로 보고되어 있다.
거의 모든 암에서 정상세포와 비교해 높은 Akt 효소 활성을 보였으며, 이는 암세포가 정상세포와 달리 Akt 효소를 유전자 수준에서 많이 만들어내는 것이 아니라, 단백질 수준에서의 비정상적인 조절로 인해 Akt 효소 활성이 지나치게 높아진다는 것임을 알아냈다.
따라서 Akt의 활성을 조절하는 세포 내 메커니즘에 대한 연구가 핫 이슈로 현재까지 부각 받고 있다.
현재까지의 과학자들은 Akt의 활성을 조절할 수 있는 물질들을 발굴했지만, 지속적으로 Akt의 활성을 억제하지는 못한 가역적인 조절이 대부분 이였다.
따라서 Akt의 효소를 직접적으로 분해시켜 지속적으로 Akt의 활성을 억제하여 암을 비롯하여 여러 질병을 직접적으로 치료할 수 있는 물질 발굴에 대한 연구가 필요했다.
이러한 문제점의 해결로 본 연구는 Akt 효소를 직접적으로 분해할 수 있는 뮬란이라는 물질을 발굴한데 그 의의가 있다.
암 세포 내 뮬란의 양이 많아진다면 Akt 효소 자체가 계속적으로 분해되기 때문에, 암세포의 발달을 지속적으로 억제할 수 있게 되는 것이다.
 
세포연구(Cell Research)지 :
기초의학분야에서 인간의 질병에 관한 주제로 그 원인을 분자세포생물학적으로 접근하여 연구하는 세계적으로 권위 있는 학술지.
특히 아시아에서 발간되는 학술지 중에서 최상위에 있고, 피인용지수(Impact Factor)가 2010년 기준 9.417이다.
전 과학 분야에서 상위 6% 이내에 랭크되는 학술지로, 세포생물학(Cell Biology) 분야에서 8.4%(21위/177개) 이내에 든다.

<안성관 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 건국대학교 미생물공학과·향장학과   2.. 학력   1988 - 1995    건국대학교 미생물공학과 학사   1995 - 1998    영국 옥스퍼드대학교 생화학과 이학박사                   (분자세포생물학 전공)   3. 경력사항   1998 - 2000 미국 유타주립의과대학 박사후연구원   2000 - 2003 미국 하버드의과대학 박사후연구원   2003 - 현재 건국대학교 미생물공학과·향장학과 교수   2003 - 현재 건국대학교 유전단백체 기능제어연구센터 센터장   2007 - 현재 방사선생명과학회, 대한화장품학회 등 편집위원   2010 - 현재 KISTEP 생명농림수산분야 자문위원   2011 - 현재 방송통신심의위원회 광고특별위원회 위원   2012 - 현재 대한피부미용학회 편집위원장

<배승희 박사> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 건국대학교 미생물공학과·생물공학과   2. 학력   2000 - 2005    건국대학교 미생물공학과 학사   2005 - 2007    건국대학교 생물공학과 석사   2007 - 2012    건국대학교 생물공학과 공학박사                    3. 경력사항   2003 - 2005  건국대학교 유전단백체 기능제어연구센터 연구원   2005 - 현재  건국대학교 유전단백체 기능제어연구센터 연구실장   2007 - 2012 건국대학교 병역특례 전문연구요원   2012 - 현재    건국대학교 미생물공학과·생물공학과 박사후연구원   2012 - 현재 건국대학교 생물공학과 시간강사   2012 - 현재  대한피부미용학회 상임이사   4. 수상실적   2007. 11. 15  방사선생명과학회, 우수논문상 수상   2009. 12. 01  대한암연구재단 '암연구 박사학위논문 저술지원사업' 수상

HAUSP 효소와 펩타이드 vif1과 vif2의 복합체 입체구조

일반적으로 항암치료는 p53이라는 암발생 억제 단백질의 발현을 통해 진행됩니다.

한국생명공학연구원 김명희 박사팀이 암발생 억제기능을 수행하는 단백질 p53을 안정화 시키는 물질을 발견해 신규 항암치료제 개발의 발판을 마련했습니다.

암을 유도한 쥐에 대한 vif1, vif2 펩타이드의 암억제 효과

특히, 현재 미국에서 임상 개발중인 p53의 안정화 항암치료제인 Nutlin-3a 보다 더 강력한 잠재성을 지니고 있어 새로운 항암치료제를 제시했습니다.

MDM2에 의한 p53의 분해 (왼쪽)와 vif1, vif2 펩타이드에 의한 p53의 안정화 (오른쪽)

 용  어  설  명

KSHV :
Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus (KSHV)는 암발생 바이러스로 기회감염 병원체(opportunistic pathogen)로 분류된다.
그 이유는 정상적인 면역 기능을 갖고 있는 사람에게는 질병을 야기하지 않지만 HIV(human immunodeficience virus)에 감염되어 면역계 기능이 약화되거나 장기 이식 수술 후 면역억제제 복용으로 면역계 기능이 취약한 사람들에게 질병을 야기할 수 있기 때문이다.
KSHV에 의해 발병하는 대표적인 암으로는 에이즈 환자에게서 가장 흔하게 발병되는 카포시육종과 같은 악성 피부암이 등이 알려져 있다.

vIRF4 :
KSHV의 바이러스 인터페론 조절인자 (viral interferon regulatory factor) 중 하나로 주로 숙주의 인터페론-매개 선천성 면역을 저해하는 것으로 알려졌다.

p53 :
p53 단백질은 전사인자 (transcription factor)로서 세포의 사멸에 관여하는 유전자의 발현을 조절하여 암 세포와 같은 비정상적인 세포의 발생을 효과적으로 차단함으로써 암 발생 억제 기능을 수행한다.
정상세포에서 p53의 세포사멸조절 활성은 엄격하게 통제되고 있다.
p53 기능의 소실은 종양발생의 중요한 단계로 50% 이상의 암환자가 p53의 기능 이상이 있는 것으로 알려져 있다.

MDM2 :
p53의 세포내 주준을 조절하는 단백질로 p53을 유비퀴틴화 할뿐만 아니라, 스스로를 유비퀴틴화(self-ubiquitination) 하기도 한다.
세포내에 p53이 많을 경우 MDM2의 발현이 증가되고 증가된 MDM2는 p53의 유비키틴화를 촉진하여 분해시키므로 p53과 MDM2는 자동조절경로 (MDM2-p53 autoregulatory loop)를 통하여 세포내에서 서로의 농도를 조절한다. MDM2-p53의 세포내 밸런스의 파괴는 세포의 비정상화 또는 암을 유발하는 것으로 알려져 있다. 실제로 암세포에서 MDM2의 발현이 높다고 보고되었다.

Nutlin-3a :
Nutlin-3는 MDM2에 결합해 MDM2와 p53 단백질 간 결합을 저해하는 소형분자 화합물로서 고형암 등의 치료를 위해 현재 임상에서 개발 중인 항암 약물이다.