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핵심내용

-Molecular Cell誌 발표, 신개념 항암제 개발 가능성 열어-

 □ 국내 연구진이 단백질 분해* 작용을 막아 암 발생을 억제할 수 있는 새로운 작동경로를 규명하여, 암 진단과 치료제 개발에 전기를 마련하였다.

     * 단백질 분해(degradation): 단백질이 구성 단위물질로 나뉘고 분리되는 것

 ○ 서울대 백성희 교수(42세), 이지민 박사, 이세웅 박사, 김현경 박사과정생이 주도하고 김경규 교수(성균관대), 김근일 교수(숙명여대), 노동영 교수(서울의대), 윤종복 교수(연세대), 서상범 교수(중앙대), 정진하 교수(서울대)가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지인 셀(Cell)의 자매지 ‘Molecular Cell’誌에 온라인 속보(10월 12일자)로 게재되었다. 

     (논문명: EZH2 Generates a Methyl Degron That Is Recognized by the DCAF1/DDB1/CUL4 E3 Ubiquitin Ligase Complex)

□ 백성희 교수 연구팀은 EZH2(이지에이치 투)라는 메틸기(-CH3)를 붙이는 기능을 하는 효소가 RORα(알오알 알파) 단백질에 메틸기를 붙이면 분해를 촉진한다는 사실을 알아냈다. 이는 단백질 메틸화가 신호가 되어 분해를 촉진한다는 새로운 메커니즘을 밝혀낸 것이다.

 ○ EZH2가 RORα단백질에 메틸기를 붙이면 이를 DCAF1(디카프 원)이라는 단백질이 인지해서 유비퀴틴화*시키면서 단백질을 분해하는 것을 알아냈다. ‘DCAF1’이 특이적으로 메틸화와 연결된 단백질 분해에 관여하는 단백질이라는 것을 처음으로 규명한 것이다.

     * 유비퀴틴화(ubiquitination): 76개의 아미노산으로 구성된 단백질(유비퀴틴)이 특정 단백질과 결합하여 그 단백질의 분해를 촉진하는 현상

□ EZH2 효소는 유방암과 대장암에서 암 진행을 촉진하는 기능을 한다. 이 과정에서 암 억제 기능을 가진 RORα 단백질을 직접 메틸화시키고 분해되게 만들어 제거함으로써 암 진행을 더욱 효과적으로 촉진한다는 것이다. 

 ○ 본 연구결과는 환자의 정상 유방조직과 암 조직에서 EZH2 효소와 RORα 단백질의 발현양을 비교하여 인간의 암에서 실제로 일어나는 현상임을 확인하였다. 유방암 조직에서는 EZH2 단백질은 많고 RORα 단백질은 분해되어서 양이 현저히 적었다.

   
 ○ 백성희 교수팀은 지난해 RORα가 p53 암억제 단백질을 안정화시킨다는 사실을 밝혔는데 그 후속연구를 진행하여 본 연구에서는 암이 진행될 때 RORα가 메틸화되며 분해된다는 것을 밝힘으로써 RORα의 암 억제 기능을 강력하게 뒷받침하였다. 

□ 백성희 교수는 “이번 연구는 암을 억제하는 기능을 가진 RORα가 EZH2 효소에 의해 메틸화되고 분해되면 암이 활발히 진행된다는 사실을 인간의 유방암에서 규명함으로써, 암 진단의 새로운 단서를 제공하고, 치료제 개발에 가능성을 제시한 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

EZH2 Generates a Methyl Degron That Is Recognized by the DCAF1/DDB1/CUL4 E3 Ubiquitin Ligase Complex

Ji Min Lee, Jason S. Lee, Hyunkyung Kim, Kyeongkyu Kim, Hyejin Park, Ji-Young Kim, Seung Hoon Lee, Ik Soo Kim, Joomyung Kim, Minkyoung Lee, Chin Ha Chung, Sang-Beom Seo, Jong-Bok Yoon, Eunyoung Ko5,Dong-Young Noh, Keun Il Kim, Kyeong Kyu Kim, and Sung Hee Baek 

(Molecular Cell지 발표)

1. 서론

   유비퀴틴화 (ubiquitination)는 단백질 분해 (protein degradation) 작용에 있어서 중요한 기능을 수행한다. 분해되어서 없어져야 할 단백질에 유비퀴틴이라는 76개의 아미노산으로 이루어진 단백질이 다중으로 결합하게 되면 이것이 표지가 되어서 단백질 분해를 일으킨다. 인산화 (phosphorylation), 수모화 (SUMOylation) 등이 대표적인 번역후 단백질 변형과정 (post-translational modification)인데, 이들과 유비퀴틴화에 대한 상호 연관성 (crosstalk)은 보고된 바 있다. 즉, 단백질이 인산화되면 이것이 신호가 되어 유비퀴틴화가 촉진되는 과정은 잘 확립되어 있다. 그런데 여러 post-translational modification 중에 유비퀴틴화와의 연관성이 보고되지 않은 것이 유독 하나 있는데 이것이 메틸화 (methylation)이다. 본 연구에서는 메틸화가 어떻게 유비퀴틴화와 연결되어 단백질을 분해시키는지를 최초로 밝혔고 동시에 이를 유방암 환자 조직을 이용한 실험을 통해서 단백질 분해를 통한 암 발생 조절 경로를 제시하였다. 

2. 본론

   본 연구에서는 단백질이 메틸화되면서 분해되는 것이 유방암 진행에 중요하다는 것을 규명하였다. 결론적으로 메틸화를 시키는 효소는 EZH2이고 메틸화되는 기질은 RORα단백질이며 메틸화 특이적으로 유비퀴틴화를 일으키는 효소는 DCAF1/DDB1/CUL4 유비퀴틴 접합효소 복합체 (E3 ubiquitin ligase complex)라는 새로운 사실을 밝혀내었다.
 
   EZH2 효소와 RORα단백질은 서로 결합하며, RORα단백질 내에 EZH2 효소에 의해 인산화될 것으로 예상되는 라이신 아미노산 (lysine, K)을 발견했다. 이 라이신 아미노산을 알라닌 아미노산 (alanine, A)으로 치환하니 EZH2에 의한 RORα단백질의 메틸화가 더 이상 일어나지 않는 것을 알아냈다. 흥미롭게도 이렇게 EZH2 효소에 의해 RORα단백질이 메틸화되면 단백질을 불안정하게 만들어서 분해시키는 것이었다. 또 이러한 단백질의 불안정화에는 유비퀴틴화 과정이 수반되는 것을 발견했다. 그래서 본 연구에서는 메틸화가 표지가 되어서 유비퀴틴화를 통해 단백질 분해를 촉진시키는 연관성을 처음으로 밝히고 관련된 일련의 효소와 그 작동 경로를 규명하고자 했다.   

   RORα단백질이 EZH2 효소에 의해 모노메틸화되면 이것이 신호가 되어 DCAF1이라는 단백질이 chromo domain을 통해서 모노메틸화 특이적으로 RORα단백질에 결합한다. 이것을 구조 예측과 모델링을 통해서 확인해보았다. 또한 DCAF1은 신호를 DDB1을 거쳐서 CUL4 E3 ubiquitin ligase에 전달하게 되고 DCAF1/DDB1/CUL4 복합체는 유비퀴틴화를 시키고 궁극적으로 RORα기질 단백질을 분해하였다.

   이처럼 RORα단백질이 EZH2 효소에 의해 분해되는 것이 어떠한 생물학적 의의와 중요성을 가지고 있는지를 살펴보기 위해서 환자의 정상 및 유방암 조직에서 EZH2 효소와 RORα단백질의 발현양을 측정해보았다. RORα단백질 발현율을 EZH2 발현율과 길항적으로 나타났다. 유방암 조직에서 EZH2 발현양은 높고 RORα단백질의 발현양은 낮았다. 이를 통해서 암을 진행시키는 데에 중요한 역할을 하는 EZH2의 발현양이 높으면 RORα단백질을 분해시킴으로써 RORα단백질 발현양이 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

3. 결론

   본 연구를 통해서 처음으로 단백질 메틸화와 유비퀴틴화의 상호연관성이 입증되었기 때문에 새로운 단백질 분해를 조절하는 경로가 존재한다는 것이 보고되었다. 또한 이러한 기능을 하는 메틸화 효소로서 EZH2를 기질로서 RORα을 제시하였고 DCAF1이 모노-메틸화를 인지하여 DDB1/CUL4 유비퀴틴 접합효소로 넘길 수 있다는 일련의 machinary를 규명하였다. 또한 이러한 기작을 통해서 유방암으로 대표되는 일련의 암이 진행될 때 암을 억제하는 단백질들을 선택적으로 분해함으로써 더욱 암이 왕성하게 진행될 수 있다는 것을 시사하는 바, 이러한 암 억제 단백질이 분해되는 것을 막을 수 있는 방향으로 연구를 진행하면 신개념 항암제 개발의 기반연구로서 의미를 가질 수 있을 것으로 기대한다. 

용 어 설 명

1. RORα (Retinoic-acid related Orphan Nuclear Receptor α, 알오알 알파 고아 핵수용체)

 ○ 고아 핵수용체는 DNA 결합 도메인과 리간드(ligand) 결합 도메인을 가지며, 유전자 전사(轉寫, tranion) 과정을 직접 조절하는 전사 인자 (tranion factor)로 알려져 왔으나, 리간드 존재가 알려지지 않은 핵수용체를 말한다. 지금까지는 소뇌 발생과 분화에 관여하는 유전자로 RORα 결손 쥐에서는 비틀거리면서 중심을 못 잡고 걷는 형질이 나타나는 것으로 알려져 있었으나, 이번 연구를 통해 EZH2 효소에 의해 메틸화되고 분해되면서 암 진행을 촉진한다는 새로운 기능을 밝혔다.

2. ubiquitination (유비퀴틴화)

○ 76개의 아미노산으로 구성된 단백질(유비퀴틴)이 특정 단백질과 결합하여 그 단백질의 분해를 촉진하는 현상

사  진  및  모  델  설  명

○ 정상 유방 조직 (N)과 유방암 조직 (T)에서 단백질을 얻어 immunoblot을 수행한 결과로 RORα이 암 조직에서 현저히 감소하고 EZH2는 증가하는 것을 알 수 있다. 통계 처리를 해보았을 때 70% 이상의 환자 샘플에서 이러한 연관성을 보여 매우 유의미함을 확인할 수 있었다.

○ EZH2라는 메틸기를 붙여주는 효소가 기질에 메틸기를 하나 붙여서 메틸 데그론 이라고 표지하면 여기에 DCAF1 효소가 와서 메틸 데그론을 인지해서 결합하고 이어 DDB1/CUL4 유비퀴틴을 붙여주는 효소가 와서 유비퀴틴을 붙여주고 이어 단백질 분해시키는 과정을 모식적으로 보여준다.

(사진설명) 백성희 교수(뒤쪽)가 김현경 박사과정생 (앞쪽)과 DNA를 추출하는 과정을 진행하고 있다. 실험하고 있는 이세웅 박사 (오른쪽)의 모습도 보인다.