바이오인

핵심내용

병을 악화하는 병원균 유발 유전자와 에너지원 결합 구조 규명
- 병원균 번식을 억제하는 항생제 개발 기대 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 황광연 교수(고려대) 연구팀이 병원성 미생물(코디 단백질)의 완전체 구조를 분자수준으로 분석함으로서, 병원균 유전자를 발현시키는 에너지원(GTP*)과 어떻게 결합하는지에 대한 메커니즘을 규명하였다고 밝혔다.
   * GTP : 구아노신삼인산. RNA 합성의 전구체로 다양한 생리기능에 관여한다. 코디 단백질은 GTP와 BCAA를 동시에 신호 물질로 인지하나, GTP 반응기작에 대한 연구는 보고된 적이 없었다.

□ 코디(CodY) 단백질은 식중독이나 피부 화농성 질환을 일으키는 포도  상구균과 같은 그람양성균*의 대사과정을 조절하는 중요한 단백질이다. 코디 단백질에 대한 연구를 통해 미생물이 세포 내 대사과정신호를 어떻게 인지하고 반응하는지 알 수 있다.
   * 그람양성균 : 그람 반응에서 짙은 자주색을 보이는 세균. 결핵균, 파상풍균, 폐렴균, 포도상 구균 등이 있음. 위액이나 소화 효소에 잘 견딘다.

 o 특히 미생물이 특정 에너지원과 어떻게 결합하여 발현하는지에 대한 연구는 대사조절*을 이해하는데 중요하다. 병원균은 에너지원을 외부에서 얻어와 병원성 유전자를 발현시켜 번식하기 때문이다. 가령 황색포도상구균의 독소들이 에너지원인 단백질을 얻기 위해 발생되면, 병이 악화되는 것이다.
   * 대사조절 : 대사는 생물체가 몸 밖으로부터 섭취한 영양물질을 몸 안에서 분해하고 합성하여 생명 활동에 쓰는 물질과 에너지를 생성하는 활동이다. 즉, 대사 조절은 이처럼 생물의 몸 안에서 일어나는 물질대사의 반응 속도를 조절하는 일이다.

□ 코디 단백질은 아령 모양으로 각 부분의 움직임이 커서 늘 불완전한 형태를 띠고 있다. 그래서 일부를 분리하고 쪼개어 실험에 사용해왔다. 그러나 코디 단백질의 조각으로는 에너지원(GTP)을 어떻게 인지하고 반응하는지 정확한 확인이 어려웠다.

□ 이에 연구팀은 코디 단백질을 일부 조각이 아닌 완전한 형태(Full length)에서 연구하여 기존 연구의 한계를 극복하고, 코디 단백질과 에너지원의 복합체 결합 구조를 규명했다.

 o 코디 단백질의 에너지원 결합 부위에서 에너지가 감지되면, DNA 결합을 하지 않으려 했던 코디 단백질이 결합할 준비가 되어 DNA에 결합한다. DNA에 결합한 코디 단백질은 활성화 되어 세포 내의 다양한 대사과정을 조절할 수 있게 된다. 병원성 균의 경우, 코디 단백질이 이처럼 활성화가 되면 독소를 생산하는 유전자를 억제할 수 있다.
 o 연구팀은 코디 단백질을 손상을 가하지 않고 연구하기 위해 병원균인  바실러스세레우스균*과 황색포도상구균에서 유래한 완전체를 대량 정제하여 결정화하고 분석하였다. 이를 통해 코디 단백질의 전체 구조를  밝히고 정확한 에너지원 결합부위를 확인할 수 있었다.
   * 바실러스세레우스균 : 독소나 포자를 형성하여 식중독을 일으키는 병원균.

□ 황광연 교수는 “이번 연구를 통해 미생물이 세포 밖에서 어떻게 에너지원을 인지하고 반응하여 작동하는지를 알 수 있다”며 “코디단백질이 조절하는 유전자 중에는 병원성 유전자가 대거 포함되었으므로 향후 병원성균을 억제시키는 항생제 개발 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의 의의를 밝혔다.
□ 교육부 기본연구사업과 미래부 글로벌프론티어사업의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 세계적 과학 학술지인 ‘뉴클레익 엑시드 리서치(Nucleic Acids Research)에 10월 호에 게재되었다.

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보
   - 논문명 : The structure of the pleiotropic tranion regulator CodY provides insight into its GTP-sensing mechanism
   - 저자 정보 : 황광연 교수 (교신저자, 고려대), 한아름 학생 (제 1저자), 강혜리 학생 (참여저자), 손종현 학생 (참여저자), 권도훈 학생 (참여저자), 김설희 학생 (참여저자), 이우철 박사 (참여저자), 송현규 교수 (참여저자, 고려대), 송문정 교수 (참여저자, 고려대)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
 ○ 글로벌전사조절인자는 미생물 세포 내의 대사과정의 원활한 조절을 담당하는 전사인자로 대사산물을 신호로 대사와 관련된 유전자를 조절한다.
 ○ 코디는 글로벌조절인자로 대사 산물신호로서 GTP와 BCAA*를 동시에 사용한다는 점이 특이하다. BCAA 반응기작에 대한 연구는 있었으나 그 중요성에도 불구하고 정확한 GTP 반응기작에 대한 연구는 보고된 적이 없었다.
      * BCAA : 가지형 잔기를 가진 아미노산, 류신, 아이소류신, 발린

 2. 연구내용 
 ○ 두 종류의 다른 병원균 (바실러스세레우스균*과 황색포도상구균*) 유래 코디단백질을 대량 정제하여 결정화하고 그를 분석하여 코디 단백질의 전체 구조와 정확한 GTP 결합부위를 최초로 규명하였다.
 ○ 두 종류의 코디 단백질 전체구조를 분석한 결과 코디는 기본적으로 활성이 억제된 사량체의 구조를 하고 있었으나 GTP와 아이소류신이 결합한 코디는 이량체의 구조를 하고 있었다.
 ○ GTP 결합부위는 코디의 DNA 결합활성부위의 움직임과 구조적으로 관련이 있는 것을 보여주었고 이를 통해 어떻게 코디가 GTP를 사용하여 DNA에 대한 활성을 돕는지를 보여주었다.

 3. 연구 성과
 ○ 이 연구는 에너지원을 신호로 감지하는 다발성전사인자 코디의 전체구조의 조절 메커니즘을 분자수준에서 처음으로 규명하였다.
 ○ 글로벌전사조절인자는 미생물의 에너지이용원에 따른 환경의 적응과 관련이 있으며 코디가 조절하는 유전자 중에는 병원성 유전자가 대거 포함되어있어 향후 새로운 항생물질 개발 등에 활용될 것이라고 기대된다.

상세내용

 
연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경

○ 에너지원 이용가능 여부는 미생물에 환경에 대한 적응에 있어 매우   중요하다. 병원균의 경우 에너지원의 원활한 공급을 위해 병원성   유전자를 발현시킬 수 있다. 유전자의 발현을 조절하는 것은 전사인자로 대사과정과 관련된 전사인자의 연구는 미생물의 대사조절의 이해에 있어서 매우 중요하다.

○ 글로벌 전사조절인자는 대사산물을 신호로 감지하여 다양한 유전자를 조절하는 전사인자로 대사산물과 전사인자의 결합구조연구는 작용기작을 분자수준으로 이해할 수 있도록 해줄 것이다.

2. 연구내용

○ 연구팀은 바실러스세레우스균*과 황색포도상구균* 유래의 코디단백질이 GTP 결합여부에 따라 분자구조가 달라진다는 사실을 알아냈다. 코디의 기본구조는 사량체였으나 GTP와 아이소류신이 결합된 형태의 코디는 이량체구조였다. 그리고 GTP가 활성이 억제된 형태의 사량체 코디를 이량체나 한분자로 분리시키는 것을 확인하였다.
*바실러스세레우스균 : 열에 강한 포자를 형성하여 식중독을 일으키는 병원균
*황색포도상구균  : 식중독, 화농설 염증질환, 폐혈증을 일으킨다고 알려져있는 병원균

○ 연구팀은 코디의 DNA에 대한 활성은 GTP에 의해 촉진되며 GTP 결합부위가 DNA에 대한 코디 활성에 영향을 준다는 것을 알아냈다. 또한 GTP 결합 코디구조와 비결합 코디구조의 비교를 통해 어떻게 GTP가 코디의 활성을 촉진시키는지에 대한 메커니즘을 제시했다.

3. 기대효과

○ 코디는 그람양성균*에만 특이적으로 존재하는 조절인자로 그람양성균 중에 하나인 포도상구균의 병원성 조절인자 중 하나로도 알려져 있다. 이번 연구결과의 코디의 반응 메커니즘은 미생물의 에너지 공급에 따른 대사과정 조절에 대한 이해를 높여줄 뿐만 아니라 병원균의 병원성을 조절하는 관점의 새로운 항생물질 개발에의 적용도 기대된다.
*그람양성균 : 그람염색법으로 염색했을 때 보라색을 띠는 세균

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

코디단백질은 그람양성균의 대사과정에 있어서 중요한 단백질로서 이미 수많은 연구가 있어 왔다. 그럼에도 불구하고 완전한 형태로 보고된 구조가 부재했으며 또한 코디의 가장 중요한 특징 중의 하나인 GTP 결합부위에 대한 정보가 보고된 바 없었다. GTP가 결합 된 형태의 코디 단백질 결정을 얻으면서 본격적으로 연구를 시작하게 되었다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

단백질의 구조연구에 있어서 중요한 점의 하나는 분석된 결정구조가 지니고 있는 의미를 추가적인 생화학실험을 통해서 증명해 내는 것이다. 연구논문을 심사하는 과정 중의 하나인 동료평가 과정에서 리뷰어가 제안한 추가 생화학적 실험이 결과는커녕 실험수행이 되지 않아 어려움을 겪었다. 공동연구자인 교수님들의 도움으로 제안한 실험과 비슷한 결론을 도출해 낼 수 있는 다른 실험을 통해 예상한 결과와 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

주저자인 한아름 학생이 전반적인 실험에 참여하였고 논문 작성을 담당하였다. 같은 연구팀의 손종현, 김설희 학생과 이우철 박사는 바실러스 유래 코디의 정제와 구조분석을 수행하였으며 송문정 교수 연구팀의 강혜리 학생은 DNA 결합 활성 실험을, 송현규 교수 연구팀의 권도훈 학생은 표면 플라즈몬 공명 (SPR) 실험을 사용하여 코디와 GTP의 결합관련성 측정 실험을 수행하였다. 결정구조 데이터는 포항가속기연구소와 일본 츠쿠바의 포톤팩토리에서 데이터를 얻었으며 SPR 측정실험은 서울기초과학지원연구소에서 수행하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

코디 단백질은 많이 연구된 단백질임에도 불구하고 완전체 구조가 규명된 바가 없었다. 이번 연구는 코디 단백질 패밀리 중 최초로 완전체 구조 (Full length)를 규명하였으며 동시에 GTP와의 복합체 결합구조도 규명함으로써 코디의 가장 중요한 특징인 GTP 감지기작에 대한 이해를 제시하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

전사인자의 활성은 결국 DNA결합을 통해 이루어진다. 후속 연구를 통해서 코디와 DNA 결합구조가 밝혀진다면 코디의 전사인자로서의 작동 기작에 대하여 좀 더 완벽하게 분자수준의 모델을 제시할 수 있을 것이다. 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

기초과학지원연구소의 표면 플라즈몬 공명 장치는 매우 오래된 장비 중에 하나임에도 불구하고 다른 그 어떤 실험 보다 좋은 데이터를 얻을 수 있도록 큰 도움을 주었다.

용 어 설 명

1. 대사과정산물
ㅇ 대사 과정 동안 발생되는 단당류 탄수화물, 아미노산, 핵산 등의 작은 분자

2. 글로벌 전사 조절인자
ㅇ 대사과정산물을 세포 내 신호로 인지하여 여러 유전자와 오페론을 조절하는 전사인자

3. 다발성 전사인자
ㅇ 보통의 전사인자들이 특정한 유전자만을 조절 하는 것과는 달리 동시에 여러 유전자를 계층적으로 조절할 수 있는 전사인자

4. 코디 단백질 (CodY)
ㅇ 그람양성균에만 특이적으로 존재하는 전사인자로 다발성 전사조절인자에 해당하며 글로벌 전사조절인자이다. 대사산물로서 GTP와 BCAA (아이소류신, 류신발린)을 세포 내 신호로 인지하여 세포의 영양 공급 상황을 인지하여 관련된 대사과정 유전자들을 억제 또는 활성화시킨다.
 
5. GTP (Guanosine three phosphate)
ㅇ 구아노신 삼인산, DNA를 구성하는 성분 중 하나로 여러 가지 효소반응에 필요하다고 알려져 있다. 

6. 표면 플라즈몬 공명 (SPR, Surface Plasmon Resonance)
ㅇ 센서칩 표면에서 일어나는 생체고분자 물질 사이의 작용으로 변화하는 표면 플라즈몬 공명을 관찰하여 분자 들 간의 상호작용을 분석하는 바이오센서 실험장비

7. X-선 단백질 결정 구조 분석
ㅇ 순도 높은 단백질의 결정을 X-선을 사용하여 회절 데이터를 분석하면 원자 수준의 단백질 구조 분해능을 통해 정밀한 단백질의 구조 분석 수행이 가능하다.

그 림 설 명

(그림 1) 이량체의 GTP 결합 코디단백질 구조 (위) 및 에너지원 공급 (GTP)에 따른 코디단백질의 활성 메커니즘 (아래).  

부족한 에너지 상태에서 코디단백질은 사량체와 이량체의 혼합형으로 존재함. 사량체는 DNA 전사를 자가 억제하는 형태임. 에너지원 공급 (GTP) 에 따라 코디단백질은 이량체로 변화함. 유전자 조절을 위해 DNA에 결합. GTP가 코디단백질의 DNA 결합부위를 조절함으로써 효율적인 활성을 조절.

...................(계속)

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