의과학대학원 서재명 교수 연구팀이 서울대학교 화학부 이현우 교수 연구팀, 서울대학교 생명과학부 김종서 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 특정 조직이 분비하는 단백질을 추적하고 검출하는 기법을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 9월 1일 자 출판됐다.

    서로 떨어져 있는 조직과 조직 간의 신호를 전달하는 분비 단백질은, 혈액에서 검출될 수 있어 다양한 질병의 바이오마커나 질병 치료제의 주요 표적으로 활용된다. 본 연구를 통해 새로운 바이오마커 및 치료 표적 물질을 발견할 수 있을 것이며, 조직별로 질환 모델을 결합하면 병태생리학적 과정과 관련된 단백질을 검출할 수 있을 것으로 예상한다.

기존 연구의 한계와 해결한 방법

    기존의 연구는 세포주 배양 수준에서 배양 상층액을 분석하는 것으로, 체외 세포 배양은 체내 생리학적 환경을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 체내의 특정 조직에서 혈액으로 분비하는 단백질을 연구하는 방법이 필요하나, 체내의 혈액은 수천 종의 단백질이 혼합되어 있어 특정 분비 단백질을 분리할 수 있는 새로운 기법의 개발이 필수적인 상황이다.

    본 연구에서는 특정 조직의 분비 단백질을 표지하기 위해 근접 표지 효소(이하 TurbolD)를 활용했다. 분비 단백질이 대부분 소포체 내강을 거쳐 세포 외부로 나간다는 점을 이용해, 소포 내강에 위치한 TurbolD로 단백질을 표지한다면 특정 조직의 분비 단백질을 분리할 수 있을 것으로 예상했다. TurbolD는 원래 대장균의 바이오틴 리가아제(Biotin Ligase, 이하 BirA)에서 비롯한 효소이다. BirA는 선택적으로 바이오틴을 몇몇 단백질에 붙이는 단백질이지만, TurboID는 단백질 공학 기법을 통해 주위 근접한 모든 단백질에 바이오틴을 표지 할 수 있게 개량되었다. TurbolD는 BirA와 마찬가지로 바이오틴을 표지의 기질로 사용한다.

생쥐에 실험한 결과는

    생쥐의 간에 TurbolD를 전달한 후 바이오틴을 투여한 결과, 생쥐의 혈장에서 간 유래 분비 단백질만을 검출할 수 있었다. 이를 통해 생체 내 간 유래 분비 단백질은 세포 배양을 통한 결과와는 확연한 차이가 있음을 확인하였다. 인슐린 저항성 생쥐 모델에 적용한 결과, 인슐린 저항성과 관련되어 있는 간 특이적 분비 단백질을 검출할 수 있었다.

기법을 어떻게 검증했나

    세포주 수준에서는, 분비 저해제 약물을 처리하여 표지 된 분비 단백질의 양이 감소하는지를 확인했다. 생쥐 실험에서는 검출된 단백질에 신호 펩타이드* 서열이 있는지 확인하였고, 인간의 데이터베이스와 비교하여 간에서 발현이 높다는 것, 분비 단백질이라는 것과 혈액에서 검출된다는 것을 교차 검증했다.

    서 교수는 “본 연구에서는 간의 분비 단백질을 분석하였으나, 이후에는 다양한 조직과 질환 모델에서 연구할 것”이라 전했다. 형질 전환 마우스를 이용하여 다양한 조직과 질환 모델에서 조직 특이적 분비 단백질을 분석하여, 새로운 질병의 바이오 마커와 치료 표적을 찾는 연구를 진행 중이라고 밝혔다.