Structural implications of Ca2+ dependent actin-bundling function of human EFhd2/Swiprosin-1
우리 몸을 유지하는 세포는 약 40조 개, 이 가운데 세포의 모양을 유지하거나 이동, 세포 분열 등 세포생존 조절에 관여하는 단백질(EFhd2*)의 구조와 작용 메커니즘이 밝혀졌다.
* EFhd2 : 세포이동 및 분열에 필수 요소인 세포골격단백질 (액틴) 에 결합하는 단백질로써, EFhd2의 액틴결합부위에는 칼슘결합에 필수적인 EF-hand 도메인이 포함되어 있음.
한국연구재단(이사장 조무제)은 “엄수현 교수 연구팀(광주과학기술원)이 신규 세포 골격 조절 단백질*인 EFhd2의 고해상도 3차원 구조를 밝혀내고, 작용 메커니즘을 최초로 규명했다”고 밝혔다.
*신규 세포 골격 조절 단백질 : 세포골격과 상호작용하는 단백질. 세포 모양 유지와 이동, 세포분열 등 세포생존에 필수적인 현상을 조절함.
EFhd2는 세포 가장자리 운동성 돌기 부분에 집중적으로 발현된다. EFhd2가 과발현 되면 세포 이동속도가 증가하며, 이로 인해 암세포 전이에 영향을 미친다. 알츠하이머 환자의 경우 뇌세포에 있는 타우* 변이체와 함께 응집되어 병인으로 작용한다. 현재까지 EFhd2 단백질의 3차원 구조와 작용 메커니즘은 밝혀지지 않았다.
*타우 : 세포내 미세소관의 안정화기능을 하는 단백질로 이상 알츠하이머병 유발
연구팀은 X-선 결정학 기법*을 이용해 우리 몸의 EFhd2에 칼슘이 결합된 구조와 결합하지 않은 3차원 구조를 밝혀냈다. EFhd2의 액틴*결합부위에는 칼슘결합에 필수적인 EF-hand* 도메인이 포함되어 있다. 여기에 칼슘이 결합하면 액틴* 결합 부위의 구조가 안정화되어 액틴다발 형성유도 기능이 가능해졌다. 반면 EF-hand 도메인에 칼슘이 결합하지 않으면 액틴 결합 부위가 역동적인 구조로 변화되는 것을 확인하였다. 이러한 구조적 변화가 칼슘을 결합하지 않은 EFhd2의 액틴다발 형성 기능감소의 원인임을 밝혔다. 이는 EFhd2에 의한 세포골격 조절기능이 칼슘결합여부에 따라 발생하는 구조적 역동성 변화에 기인한다는 것을 의미한다.
*EF-hand : 두 개의 알파나선이 하나의 고리로 이어진 형태로써 주로 칼슘결합단백질에 나타나는 기본구조
*X-선 결정학 기법: 생체고분자의 결정으로 X-선 회절패턴을 얻고 전자밀도 지도를 얻어 원자수준의 고해상도 3차원 구조를 해석하는 방법
*액틴 : 세포골격 유지에 필요한 섬유질 단백질로 중합체인 액틴필라멘트를 만들고 여러 가닥이 모여 액틴다발을 형성함.
엄수현 교수는 ”이번 연구 성과는 세포 생존 조절에 관여하는 EFhd2의 칼슘 결합 여부에 따른 액틴다발형성 조절 메커니즘을 처음으로 밝힌 것이다. 암세포 전이 저해를 목적으로 하는 항암제 개발, 알츠하이머병, 치매 등 다양한 신경퇴행성 질환* 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
*신경 퇴행성 질환 : 신경계의 특정 부분에서 일어나는 점진적인 신경 세포의 사멸로 인한 질병을 통칭한 개념
이 연구성과는 미래창조과학부․한국연구재단의 기초연구사업(개인연구), 바이오의료기술개발사업, 방사선기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 국제적인 학술지 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)에 12월 15일자에 게재되었다.
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
- 논문명 : Structural implications of Ca2+ dependent actin-bundling function of human EFhd2/Swiprosin-1
- 저자 정보 : 엄수현 (광주과학기술원, 교신저자), 박경령, 권민성 (광주과학기술원, 공동 제1저자), 정해갑 (한국기초과학지원연구원, 공동저자), 전창덕 (광주과학기술원, 공동저자), 송우근 (광주과학기술원, 공동저자) 등
□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
인간 EFhd2는 세포 가장자리 운동성 돌기부분에 집중적으로 발현되는 신규 세포골격 단백질이다. 2량체* 상태에서 칼슘결합여부에 따라 액틴다발형성 조절기능을 보이는 것으로 알려져 있다.
* 2량체 : 분자 두 개가 모인 상태
EFhd2는 액틴다발의 형성을 조절하는 기능을 통해 세포의 이동에 관여한다. 최근 연구결과에 따르면 EFhd2가 비정상적으로 과 발현될 경우 세포 이동속도의 증가로 암세포 전이에 영향을 주게 되는 것이 알려져 항암제 개발 표적단백질로 주목 받고 있으며, 알츠하이머 환자의 뇌에 있는 타우* 변이체와 함께 응집되어 병인으로 작용한다고 알려져 있으나, 3차원 구조의 부재로 EFhd2의 작용기전을 설명하기에 한계가 있었다.
2. 연구내용
인간 EFhd2 단백질 결정의 X-선 회절*정보를 이용, 액틴결합부위의 칼슘결합 상태와 칼슘이 결합하지 않은 상태의 고해상도 3차원 구조를 규명하였다. 이를 통해 EFhd2의 칼슘 결합 여부가 액틴결합부위의 구조적 동역학에 직접적으로 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
* X-선 회절: 물질에 X-선이 입사했을 때 원자 배열에 따라 특정 방향으로 강한 X-선이 진행하는 현상
위 사실을 근거로, 2량체 EFhd2에 존재하는 두 개의 액틴결합부위가 칼슘결합여부에 따라 구조동역학의 변화가 발생함으로써 EFhd2가 액틴다발형성을 조절한다는 것을 확인하였다.
3. 연구성과
EFhd2의 3차원 구조 분석 및 다양한 생화학 연구를 통해 EFhd2가 2량체로 존재하면서 칼슘결합여부에 따라 발생하는 구조적 동역학의 변화에 의해 액틴다발형성을 조절한다는 것을 원자수준에서 세계 최초로 규명하였다.
칼슘결합여부에 따라 발생하는 EFhd2의 구조-생화학적 변화를 규명함으로써 이 연구결과는 암세포 전이 저해를 목적으로 하는 항암제 및 신경퇴행성 질환 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
액틴은 진핵세포*에 일정한 형태를 부여하는 구조물인 세포골격의 한 종류이다. 세포의 모양유지 및 이동과 세포분열 등 필수적인 생명현상과 관련되어 있다. EFhd2는 칼슘결합단백질인 동시에 액틴과도 결합하며 칼슘결합여부에 따라 액틴다발형성을 조절하는 기능이 알려져 있다.
* 진핵세포 : 세포 내에 진정한 의미의 핵을 가지는 세포. 이와 같은 진핵세포로 이루어진 생물은 진핵생물이며 동물계, 식물계, 균계 등이 진핵생물에 속함
* EFhd2 : 세포이동 및 분열에 필수 요소인 세포골격 (액틴) 에 결합하는 단백질로써, EFhd2의 액틴결합부위에는 칼슘결합에 필수적인 EF-hand 도메인이 포함되어 있음.
최근 2013년부터 국-내외 발표된 보고에 따르면 세포의 이동성 돌기에 집중적으로 발현되는 EFhd2가 비정상적으로 과발현되면 세포 이동속도의 증가로 암세포 전이에 영향을 주게 되고, 알츠하이머 환자의 뇌에 있는 타우 변이체와 함께 응집되어 병인으로 작용한다고 밝혀짐으로써 EFhd2에 대한 연구의 중요성이 부각되고 있다.
EFhd2가 신규 세포골격조절 단백질로써 암세포 전이 및 신경퇴행성 질환과 관련이 있는 것이 최근에 보고되고 있으나, 3차원 구조의 부재로 EFhd2의 작용 메커니즘을 설명하기에 한계가 있었다.
2. 연구내용
연구팀은 이 논문에서 EFhd2의 액틴결합부위의 3차원 구조 연구를 통해 EFhd2의 칼슘의존성 액틴다발형성기전을 원자 수준에서 규명하였다.
인간 EFhd2에 칼슘이 정상적으로 결합할 수 있는 야생형*과 칼슘과 결합하지 못하는 변이체를 고농도·고순도로 대량 정제하고, X-선 결정학 기법을 이용하여 고해상도 3차원 구조를 세계 최초로 규명하였다.
* 야생형 : 보통 자연 상태에서 나타는 정상형
EFhd2의 야생형과 변이체의 3차원 구조를 비교한 결과, 칼슘 결합여부가 EFhd2 액틴결합부위의 구조적 동력학에 직접적으로 영향을 미치게 되는 것을 확인하였고, 이와 함께 변이체의 경우 야생형에 비해 액틴다발형성 효율이 감소함을 확인하였다.
등온 적정 열량분석법* 등 생화학/생물리화학 연구를 통해 EFhd2와 칼슘이 높은 친화도로 결합하는 것을 확인하였다. 또한 칼슘이 EFhd2의 액틴결합부위의 구조적 안정성에 직접적으로 기여한다는 사실을 규명하였다. 따라서 이러한 연구결과를 토대로 EFhd2의 칼슘의존성 액틴다발형성 메커니즘 모델을 세계 최초로 제시하였다.
* 등온 적정 열량분석법 : 생체 분자 상호 작용의 결합력 측정에 사용되는 기법
3. 기대효과
이 연구결과는 인간 EFhd2의 3차원 구조, 기능 및 액틴다발형성조절 메커니즘을 원자 수준에서 세계 최초로 보고하는 논문이다.
최근 보고에 따르면 EFhd2는 알츠하이머, 치매 등의 신경퇴행성질환과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있으며, EFhd2가 대장암, 악성흑색종* 환자의 조직에서 정상조직보다 발현이 증가된 현상이 관찰 되었다. 또한 EFhd2가 과발현된 마우스 모델의 경우 다른 조직으로 전이된 암세포가 현저히 증가된 사실이 보고되었다.
* 악성 흑생종 : 멜라닌 세포의 악성 변화에 의해 유발되는 질환으로 주로 피부나 눈, 귀, 입 등에서 발생. 피부암 중에서 가장 위험한 형태의 암으로 알려져 있음
정상 세포보다 빠르게 분열하는 암세포의 특성상 다른 신체조직으로의 전이가 빠르기 때문에 암세포 전이에 관한 연구는 항암제 개발에 있어서 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 따라서 본 연구팀에서 3차 구조정보를 기반으로 제시한 EFhd2의 작용기전은 향후 신경퇴행성 질환 치료제를 비롯한 항암제 개발에 있어 핵심적인 정보로 활용 가능할 것으로 기대된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
인간 EFhd2는 2004년 처음 보고된 신규 단백질이다. 현재 국내에서는 본 연구실과 함께 광주과학기술원에 재직 중인 전창덕 교수 연구실과 송우근 교수 연구실에서 활발하게 연구가 진행되었다. 다른 연구팀에서 우선 EFhd2의 세포 내 기능에 관한 연구를 진행하는 과정에서 EFhd2 단백질에 대한 생물학적 중요성 및 질병 연관성이 확인됨에 따라 연구팀에서 EFhd2의 작용 메커니즘을 3차원구조를 통해 더 자세하게 규명하고자 이 연구에 착수하게 되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
인간 EFhd2의 야생형 구조 (칼슘결합형태)는 이미 본 연구실에서 수년 전에 규명하였으나, 야생형구조정보만 있는 상황에서 생리적인 의미를 설명하기에 한계가 있었다. 이에 따라 변이체의 구조를 규명하여 칼슘결합여부에 따른 액틴다발조절기전을 원자수준에서 설명할 수 있었다. 야생형과 변이체의 구조를 비교해보니, 칼슘이 결합하지 않을 경우 구조적 동역학에 차이가 발생함을 확인하였으며, 이는 액틴다발형성기능의 감소를 유발함을 규명하였다. 추가적으로 생화학적-생물리학적 실험기법을 이용하여 EFhd2 이량체에 의한 칼슘의존성 액틴다발형성기전 모델을 제시하였으며, 이러한 연구결과는 항암제 및 신경퇴행성 질환 치료제 개발에 있어서 중요한 자료가 될 것으로 예상 된다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
연구팀은 그동안 다양한 단백질을 타깃으로 삼차원 구조 규명과 동시에 기능연구를 수행했었으나, EFhd2와 같은 세포골격단백질은 그동안 다뤄보지 않았던 타깃 단백질이라서 연구하는 과정동안 생소한 부분이 많이 있었다. 수년간 갖춰온 연구 결과들을 토대로 세포골격단백질로써의 기능을 구조적 측면에서 효과적으로 설명하기 위해 그 만큼 고민이 많았던 시기에 세포골격단백질 분야에서 세계적 권위자로 알려져 있는 Dominguez 박사 (펜실베니아 대학) 에게 조언을 구하게 되었고, 이것이 논문을 완성하는데 중요한 계기가 되어 결국엔 좋은 결과를 얻을 수 있었다고 생각한다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
연구팀은 인간 EFhd2의 야생형(칼슘 결합 형태) 및 변이체 (칼슘이 결합되지 않은 형태)의 3차원 구조를 단백질 정보 은행에 처음 등재하였고, 이들 구조를 통해 EFhd2에 의한 칼슘의존성 액틴다발형성조절기전을 원자수준의 고해상도로 규명한 세계 최초의 사례이다. 이와 더불어, 생화학적-생물리학적 접근법을 통해 EFhd2의 2량체가 어떤 형태로 형성되며, 칼슘이 EFhd2 에 어떤 방식으로 영향을 줘서 액틴다발형성기능이 조절되는지를 세계 최초로 규명하였다. 신규 세포골격 조절단백질로써 핵심 부분인 액틴결합부위의 3차원 구조 및 생화학적 특성을 규명함으로써 향후 EFhd2를 타깃으로 하는 항암제 및 신경퇴행성 질환 치료제 개발의 토대를 마련하였다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
연구팀은 EFhd2의 핵심부분인 액틴결합부위의 삼차원 구조를 규명하였으나, 그 외에 EFhd2의 안정성에 영향을 주는 것으로 알려진 N말단과 2량체 형성에 필수적인 C말단부분의 구조는 아직 규명되지 않았다. EFhd2의 핵심부분뿐만 아니라 N말단과 C말단이 전부 포함된 3차원구조 규명을 시도할 예정이며 이를 토대로 EFhd2와 관련된 질병 치료제 개발에 기여하고자 한다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
한 명의 리뷰어가 리뷰 과정에서 이 논문 내용 중 특정 실험에 대해 통상적으로는 언급되지 않는 지적을 했다. 리뷰어의 질문에 대한 답을 제시하기 위해서는 짧은 리뷰기간 동안 추가실험을 더 해야 했으나 다행히 정해진 기간 내에 만족할 만한 결과를 얻었고, 이를 통해 내용면에서 보다 완성된 논문을 보고할 수 있었다.
용 어 설 명
1. 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 誌
○ 과학 분야 최상위 학술지인 Nature의 자매지로 2011년도부터 온라인 출판되었다. 물리, 생물, 지구과학 등의 기초과학과 임상과학까지 다양한 분야의 연구결과를 다루는 학술지로, 최근 2년 기준 5.228 의 영향지수를 가지고 있다.
2.세포골격
○ 세포 내의 골격기관으로 다른 세포소기관처럼 세포질에 포함되어 있으며 세포 형태 유지 및 이동을 담당한다. 세포골격은 진핵세포나 원핵세포 모두에 존재하며 진핵세포는 액틴 섬유, 중간섬유, 미세소관이라는 세 가지 세포골격 섬유를 포함한다.
3. 액틴
○ 얇은 필라멘트를 이루고 있는 이중나선의 선형 단백질이며 섬유상 구조를 가지고 근육 이외의 세포에도 널리 분포한다. 액틴필라멘트는 세포의 모양유지 및 이동, 세포분열 등에 관여한다.
4. 신경퇴행성 질환 (Neurodegenerative disorders)
○ 신경계의 특정 부분에서 일어나는 점진적인 신경 세포의 사멸로 인한 질병을 통칭한 개념이며, 끊임없는 진행으로 인해 현재까지 개발된 약리학적·수술적 치료 방법으로는 병세의 뚜렷한 회복이 어렵다.
5. 암세포 전이
○ 암의 진행의 결과로 나타나는 현상 중 하나로써, 세포의 조직내의 이동, 혈관 또는 림프관등 맥관을 통한 이동, 다른 장기로의 착상, 증식 등의 과정을 거쳐서 발생한다.
6. X-선 결정학 (X-ray crystallography)○ 생체고분자의 3차원 구조를 규명하기 위한 생물물리학적 기법. 생체고분자결정의 X-선 회절 패턴을 분석하여 전자밀도 지도를 얻어 원자 수준의 고해상도 3차원 구조를 규명한다.
그 림 설 명
(그림 1) 인간 EFhd2의 야생형과 변이체의 구조적 역동성 비교
인간 EFhd2 액틴결합부위의 3차원 구조. 야생형 EFhd2의 액틴결합부위에는 2개의 칼슘이 결합하는데, 1개의 칼슘이라도 결합하지 않으면 (변이체1, 변이체2) 구조적 동역학이 증가하게 된다. 칼슘결합여부에 따른 구조적 동역학의 변화는 EFhd2의 액틴다발형성기능에 직접적인 영향을 미친다.
(그림 2) 인간 EFhd2의 액틴다발형성 메커니즘 모식도
EFhd2는 칼슘이 결합된 2량체* 상태로 액틴다발을 형성한다. 칼슘이 결합하지 않으면, 2량체 상태에서 2개의 액틴결합부위의 구조적 동역학에 직접적인 영향을 미치게 되고, 액틴 다발 형성기능이 감소하게 된다.
* 2량체 : 분자 두 개가 모여 활성을 나타내는 형태. EFhd2는 2량체가 기본단위로써 액틴다발형성 기능이 활성화됨
