전반사 형광 현미경으로 유도형 맞춤 모델 증명
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전반사 형광 현미경으로 유도형 맞춤 모델 증명
  • 이경은 기자
  • 승인 2013.05.07 12:43
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[생명과학과 김학성 교수팀]열린 구조와 부분 닫힌 구조의 단백질이 리간드와 결합하는 모습 실시간 관찰 가능해

 우리 학교 생명과학과 김학성 교수와 서울대학교 물리학부 홍성철 교수 공동 연구팀이 단백질과 리간드(Ligand)의 결합 메커니즘을 밝혀냈다. 이번 연구는 지난 3월 17일 네이처의 자매지이자 생명과학 분야 전문학술지인 <네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Bio-logy)> 온라인 판에 게재되었다.

 

*리간드(Ligand)

착물 중에서 중심 원자를 둘러싸고 있는 이온 또는 분자. 단백질에 특이적으로 결합하는 물질

 

단백질 반응 메커니즘, 구조 선택 모델과 유도형 맞춤 모델

단백질과 리간드의 반응은 생명 현상에서 매우 중요하다. 세포 신호 전달 경로에 단백질이 관여하기 때문에 단백질과 리간드의 반응이 비정상적이면 암 등의 질병이 발생한다. 이 때문에 단백질과 리간드의 반응은 생명과학 분야에서 항상 주목 받아왔다.  단백질과 리간드의 반응 과정에는 크게 두 가지 이론이 있었다. 첫 번째는 구조 선택 모델로, 다양한 구조의 단백질 중 리간드와 일치하는 구조를 가진 단백질만 반응한다는 이론이다. 실제로 단백질은 구조가 계속해서 역동적으로 변하기 때문에 여러 가지 구조를 가진다. 이와 달리 두 번째 이론인 유도형 맞춤 모델은 단백질이 리간드와 반응하면서 구조가 바뀐다고 설명한다. 그러나 그 근거로는 리간드와 반응하기 전과 후의 단백질 구조가 다르다는 것만 제시되었고, 그 중간 과정에 대해서는 밝혀진 바가 없었다.

 

단백질은 열린 구조와 부분 닫힌 구조로 존재해

연구팀은 전반사 형광 현미경으로 MBP(Maltose-Binding Protein)와 리간드가 유도형 맞춤 모델로 반응하는 과정을 밝혀냈다. 전반사 형광 현미경은 전반사를 이용해 단백질에 부착한 형광물질을 실시간으로 관찰할 수 있는 기기다. 

단백질에는 여러 구조가 존재하는데, 그 중에는 열린 구조와 부분 닫힌 구조가 있다. 열린 구조는 리간드와 결합하는 부위가 펼쳐져 있는 상태고, 부분 닫힌 구조는 리간드와 결합하는 부위가 리간드의 모양과 거의 일치하도록 일부 닫힌 상태다. 단백질과 리간드가 결합하면 완전히 닫힌 구조가 된다. 

연구팀은 MBP의 열렸다 닫혔다 하는 양 부위에 각각 형광물질을 부착했다. 두 부위가 가까워지면 형광 물질 신호가 강하게 나타나고 멀어지면 급격하게 감소한다. 이에 따라 부분 닫힌 구조는 형광 물질 신호가 강하게 나타나고, 열린 구조는 매우 약하게 나타난다. 연구팀은 이를 전반사 형광 현미경으로 관찰해 MBP가 다양한 구조로 계속해서 변하지만, 대부분 열린 구조와 부분 닫힌 구조 두 가지 형태로 존재한다는 것을 알아냈다.

 

▲ 유도형 맞춤 모델=리간드가 열린 구조를 가진 단백질과 부분 닫힌 구조를 가진 단백질에 모두 반응한다/ 김학성 교수 제공

  

유도형 맞춤 모델을 증명하다

연구팀은 구조 선택 모델과 유도형 맞춤 모델 중 옳은 가설을 찾기 위해 리간드의 농도를 높이면서 리간드와 MBP가 반응하는 빈도를 관찰했다. 구조 선택 모델이 맞다면 빈도는 변하지 않는다. 구조 선택 모델에 의하면 리간드와 결합할 수 있는 단백질은 리간드와 맞는 구조를 가진 부분 닫힌 단백질뿐이다. 단백질의 열린 구조와 부분 닫힌 구조는 화학적 평형 상태로 존재한다. 이때, 반응한 후 단백질은 리간드와 떨어져 원래 부분 닫힌 구조로 돌아가기 때문에 리간드와 반응할 수 있는 부분 닫힌 구조 단백질의 양은 항상 일정하다. 그러므로 리간드의 농도가 높아졌다고 해서 반응 빈도가 높아지지는 않는다. 반면 유도형 맞춤 모델의 경우, 리간드의 농도가 높아지면 리간드가 단백질과 반응할 수 있는 기회가 더 많아진다. 이 이론은 리간드와 반응하면서 단백질의 구조가 변하므로 열린 구조와 부분 닫힌 구조 모두 반응한다고 설명하기 때문이다. 이 때 리간드와 반응한 단백질은 완전히 닫힌 구조이므로 형광 물질 신호가 강하게 나타난다. 결국 유도형 맞춤 모델이 맞다면 형광 물질 신호가 강하게 나타나는 빈도가 높아져야 한다. 실제로 전반사 형광 현미경을 이용해 관찰한 결과, 리간드의 농도를 높일수록 형광 물질이 강하게 반응하는 빈도가 높아졌다. 즉, 유도성 맞춤 모델이 옳다는 것이다.

 

단백질과 리간드의 반응 메커니즘은 의약품 부분에서 중요하다. 많은 의약품이 단백질과 리간드의 반응을 저해하거나 촉진시키는 방향으로 개발되고 있기 때문이다. 이번 연구는 단백질이 어떤 구조로 리간드와 반응하는지를 밝혀냈기 때문에 의약품 개발에 상당 부분 기여할 것으로 전망된다. 

김 교수는 “유도성 맞춤 모델은 오래된 이론이지만, 중간 과정에 대해 명확히 밝혀진 것이 없었다”라며, “이번 연구로 유도성 맞춤 모델이 어떻게 작용하는지 확실히 알 수 있게 되었다”라고 말했다.

 


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