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핵심내용

내성 강한 결핵, 결핵균 단백질에서 치료 해법 찾다

  - 독소-항독소 구조에 기반한 결핵 치료 항생제 후보 물질 최초 제시 -

□ 결핵을 치료할 수 있는 새로운 펩타이드 항생제 개발의 가능성이 제시되었다. 한국연구재단 (이사장 조무제)은 이봉진 교수(서울대) 연구팀이 결핵균의 독소-항독소 복합체* 단백질의 구조에 기반하여 결핵균을 사멸시킬 수 있는 항생제 후보물질인 펩타이드*를 개발하였다고 밝혔다.
     *독소-항독소 복합체 : 세균의 생장을 저해할 수 있는 독소와 독소의 활성을 막아 세균의 생존을 유지시키는 항독소의 복합체
     *펩타이드 : 두 개 이상의 아미노산 분자로 이루어지는 화학 물질 

□ 결핵균, 병원성 대장균 등 주요 병원체에 대한 항생제 내성*이 중가하고 있다. 항생제 개발이 시급한 가운데 독소-항독소 시스템은 병원균, 미생물 등의 원핵생물*에만 존재하며 직접적으로 세포사멸에 관여한다는 면에서 유망한 항생제 신약 타깃으로 연구되고 있다.  
     * 내성 : 약물의 반복 복용에 의해 약효가 저하하는 현상              
     * 원핵생물 : 원시적인 세포핵을 가진 생물, 대부분 단세포로 되어 있음.    
     * 내성결핵균 : 약물의 반복 복용에 의해 약효가 나타나지 않는 결핵균  
     * 내성 : 약물의 반복 복용에 의해 약효가 저하하는 현상             
     * 칵테일 요법 : 여러 가지의 약제를 병용 투여하는 치료법          

□ 연구팀은 X-선 결정학*과 핵자기공명 분광학* 분석을 통한 스펙트럼 해석을 통해 3차원 구조분석을 진행하였다. 연구결과, 핵산*에 결합하는 항독소 단백질의 주요 아미노산 잔기*를 밝혔다. 또한 결핵균 독소와 항독소의 결합 과정에서 일어나는 특이적인 구조적 변화를 최초로 규명하였다. 연구팀은 자연 상태에서는 견고한 복합체를 이루는 독소-항독소 복합체에 독소의 구조를 모방한 펩타이드를 첨가함으로써 복합체로부터 독소를 유리시켜 실제로 결핵균의 생장이 저해될 수 있음을 증명했다.
   이는 인체에 독성이 적으면서 특정 병원성 균에만 효과적으로 작용하는 항생제를 개발할 수 있는 가능성을 나타낸다고 연구팀은 설명했다.
     * X-선 결정학(x-ray crystallography) : X선을 통해 물질의 조성 또는 단백질과 DNA 구조를 분석
     * 핵자기공명 분광학(NMR spectros) : 원자핵이 가지고 있는 자기모멘트(magnetic moment)와 외부에서 가하는 자기장을 이용해 공명현상을 관측하는 것으로, MRI의 기본 원리  
     * 핵산 : 핵에 다량으로 존재하는 산성물질, DNA와 RNA로 분류됨. 
     * 아미노산 잔기 : 1개의 아미노산 단위

□ 이봉진 교수는 “이 연구는 결핵균 내에서 독소-항독소 복합체 형성 시의 특이적인 구조적 변화 및 결합 양상을 최초로 밝혔다. 이 정보를 이용해 결핵균을 사멸할 수 있는 펩타이드 저해제를 도출하였다. 인체 부작용이 적고 특정 병원성 균에만 작용하는 항생제 개발이 좀 더 신약 발굴 기간을 단축하며 이루어질 가능성이 높아졌다. 내성 문제에 직면해 있는 결핵균 치료에 새로운 해법이 될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구),  한-인도 해외협력기반조성사업의 지원으로 수행되었다. 생화학·분자생물학 분야 국제학술지 뉴클레익 엑시드 리서치 (Nucleic Acids Research) 5월 31일자에 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Functional details of the Mycobacterium tuberculosis VapBC26 toxin- antitoxin system based on a structural study: insights into unique binding and antibiotic peptides

   - 저자 정보 : 이봉진 교수 (교신저자, 서울대학교 약학대학), 강성민 (제1 저자, 서울대학교 약학대학), 김도희 (공동저자, 서울대학교 약학대학), 이기영 (공동저자, 서울대학교 약학대학), 박성진 (공동저자, 가천의대 약학대학), 윤혜진 (공동저자, 서울대학교 화학부), 이상재 (공동저자, 서울대학교 약학대학), 임후강 (공동저자, 서울대학교 약학대학)

□ 논문의 주요내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성

   ○ 현재 항생제 내성을 지닌 병원성 균들의 출현으로 새로운 항생제 개발이 필요하다. 특히 결핵균은 심각한 감염성 질환을 야기하고 있어 새로운 개념의 항생제 개발을 위해 병원성 균의 독소-항독소 시스템 관련 단백질들의 3차원 구조를 규명하고, 구조 및 기능 정보를 이용하여 새로운 항생 리드 화합물을 발견하는 것이 시급하다.

   ○ 전통적 신약 발굴 방식은 방법적 정체상태에 있으며 천연물 및 합성물 라이브러리의 무작위적 생리활성 검색에 기반하고 있어 비효율적이며 선도물질 도출의 확률이 매우 낮다. 선진국의 경우 신약을 개발하기 위한 일반적인 스크리닝 방법의 한계를 인지하고 있으며, 구조 기반 약물 개발 방법의 효용성을 인식, 관련 분야의 정책적 지원과 투자의 중요성이 부각되고 있는 상황이다.
       *스크리닝 : 특정한 화학물질 다수 중에서 선별하는 조작  

 2. 연구내용

   ○ 연구팀은 결핵균의 유전자 정보를 바탕으로 타깃 독소-항독소 시스템을 선정하였다. 이어 대장균을 이용하여 타깃 단백질 복합체를 발현시킨 뒤 대량 생산, 정제과정을 거쳐 단백질의 삼차 구조를 규명하는 데 성공하였다.

   ○ 연구팀은 항독소 단백질과 핵산과의 결합상수*를 4.69 마이크로몰(μM)로 결정하는데 성공하였으며, 최신 핵자기공명 장치를 이용하여 결합에 관여하는 특수 잔기들을 밝혀냈다. 또한 이 과정에서 독소 단백질과 항독소 단백질이 결합하면서 일어나는 구조적 변화를 최초로 규명하였다.
         *결합상수 : 물리적 상호작용의 세기를 나타내는 상수

   ○ 또한 원 편광 이색성 실험*을 통해 독소 단백질의 순도를 증명하고, 마그네슘이 독소 단백질의 활성에 필수적임을 밝혔다. 더불어 독소 단백질과 펩타이드의 적정 실험을 통해 2.5 μM 농도에서도 펩타이드의 활성이 충분한 의미를 지닌다는 점을 증명했다.
        *원 편광 이색성 실험 : 광학 활성을 통한 단백질 구조 분석에 사용되는 분석 실험 

   ○ 연구팀이 연구한 타깃 독소 단백질은 유전자의 번역 과정에서 중요한 역할을 하는 특이한 독소 단백질이다. 다른 독소 단백질과의 구조 비교 분석을 통해 기능적 차이에 대한 이유를 분자 수준에서 규명하였다.

3. 연구 성과

   ○ 이 연구를 통해 독소-항독소 복합체 형성 시의 특이적인 구조적 변화를 관찰할 수 있었다. 또한 독소 단백질들의 기능적 차이가 유도되는 이유를 최초로 밝혔다.

   ○ 연구팀이 제시한 펩타이드는 다양한 생화학적 최적화 과정을 통해 내성 문제에 직면해 있는 결핵균 치료에 대한 새로운 해법이 될 수 있을 것으로 기대된다.

상세내용

연구 개요

 1. 연구배경

  ㅇ 인류의 복지를 위협하는 병원성 균에 대한 항생제 신약 개발을 위해 병원성 균의 독소-항독소 시스템 관련 단백질들이 항생제 타깃으로 주목을 받고 있다. 하지만 현재까지의 연구는 대장균과 같은 비병원성 균의 독소-항독소 시스템에 집중되어 왔고 병원성 균에 대한 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있다.

  ㅇ 결핵균은 다른 병원성 균에 비해 많은 수의 독소-항독소 시스템을 갖는 것으로 알려져 있지만 이에 대한 구조 및 기능 연구는 매우 부족한 상황이다. 21세기 결핵 퇴치의 의학적 중요성으로 볼 때 앞으로 결핵균의 독소-항독소 시스템에 대한 활발한 연구가 예상된다.

  ㅇ 최근 항생제 내성을 지닌 병원성 균들의 출현이 본격화되면서 기존의 치료제와는 다른 메커니즘을 갖는 새로운 항생제의 개발 필요성이 대두되고 있다.

 2. 연구내용

  ㅇ 연구팀은 결핵균의 잠재적인 독소-항독소 단백질을 선정하여 복제하고, 발현 벡터를 제조하였다. 또한 단백질의 대량 발현을 위한 조건을 탐색하고 합리적인 정제 과정을 수립하였다. 이어 정제된 단백질의 특성 및 물성을 확인하고 정제된 단백질을 대상으로 결정화 및 핵자기공명 스펙트럼 초기 조건을 탐색하여 정밀화하는데 성공하였다. 나아가 정제된 단백질을 대상으로 삼차원 핵자기공명 스펙트럼을 측정하고 데이터를 수집하였다.

  ㅇ 연구팀은 고자장 핵자기공명 장치*를 이용, 다양한 삼차원 스펙트럼을 해석하여 구조를 분석하는 데 성공하였다. 또한 타깃 단백질의 결정화 여부를 확인하고 결정화 조건을 최적화하였다. 방사광을 이용한 결정의 회절 자료 수집 후 위상 문제를 해결하고 타깃 단백질의 삼차원 입체 모형을 제작하고 정밀화하였다.

         *고자장 핵자기공명 장치 : 자장의 세기가 아주 강한 핵자기공명장치, 자장의 세기가 강하면 분자의 구조를 더 세밀하게 관측할 수 있음

  ㅇ 연구팀은 타깃 독소-항독소 단백질의 삼차원 구조분석을 계속함과 동시에 분자 차원에서의 기능을 이해하는 데 주력하였다. 변이체 제조 등을 포함한 생화학, 분자생물학 실험을 수행하여 구조 해석에 따른 응용 실험에 주력하였다. 

3. 기대효과

  ㅇ 이 연구를 통해 독소 항독소 시스템의 신호 전달 경로에 선택적으로 작용하여 효과를 나타내는 펩타이드를 개발함으로써 인체에는 독성이 적으면서 병원성 균에는 효과가 뛰어난 펩타이드성 치료제 후보군을 제공할 수 있다.

  ㅇ 신약개발 산업은 기술우위에 따른 독점력이 강하고 지적재산권으로서의 부가가치가 매우 높은 산업이다. 독소 항독소 시스템을 타깃으로 하는 항생제 개발을 통해 약효가 우수하고 부작용이 적은 신약을 발굴할 수 있고 신약 발굴 기간을 단축할 수 있는 장점을 갖고 있으며 경제적으로도 큰 부가가치를 창출할 수 있다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근 인체에 심각한 감염성 질환을 유발하고 항생제에 듣지 않는 내성균이 출현하는 등 사회, 경제적 문제가 대두되고 있다. 연구팀은 결핵균 독소-항독소 시스템 관련 단백질들의 구조 연구를 수행하고, 이러한 구조적 정보를 바탕으로 새로운 개념의 항생제 개발을 제안하고 있다. 항생제 표적 단백질의 선정을 시작으로 단백질 구조 분석, 구조-기능 상관관계의 규명, 리드화합물 설계, 유도체 합성 등의 일련의 과정들은 기초과학 연구를 통해 도출되는 지식과 새로운 발견이 임상연구로 이어질 수 있는 좋은 본보기가 되리라 예상된다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구팀이 추구하는 구조기반 신약 발굴법에서 독소-항독소 단백질의 구조정보는 필수이다.  예를 들면 독소 단백질의 구조정보를 이용하여 독소 활성 부위와 유사한 단백질 및 펩타이드성 약물을 개발할 수 있으며, 독소 단백질과 항독소 단백질의 구조정보를 이용하여 독소와 항독소의 결합을 방해하는 활성부위 저해제를 만들 수도 있다. 이러한 과정에서 도출된 리드 화합물은 최적화 과정을 거쳐 크기를 축소하거나, 더 높은 효능을 보이거나, 생산 단가를 낮추는 등의 유도체를 만들 수 있을 것이고, 추가적인 연구를 통해 독성이나 약제학적인 측면(흡수, 분포, 대사, 배출)에서 우수한 약물의 개발도 가능하다. 

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

연구팀이 독소 단백질과 항독소 단백질의 결합 시 중요한 구조적 변화를 밝히기 위해서는 정적인 상태를 분석하는 데 용이한 X-선 결정학만으로는 부족했다. 이를 해결하기 위해 고차원의 핵자기공명 장치를 이용한 분석을 통해 특이점을 규명하는데 성공했다. 또한 독소와 항독소의 결합을 저해하는 펩타이드를 유도하는 과정에서 큰 어려움에 직면했지만 단백질의 삼차원 구조에 기반한 분석을 통해 실험적 관측을 이론적 해석으로 이끌어내어 지평을 넓힘으로써 극복하였다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

연구팀은 핵자기공명 분광학 분석을 통한 스펙트럼 해석을 통해 핵산에 결합하는 항독소 단백질의 주요 잔기를 밝혀냈다. 이는 항독소 단백질의 유전자 전사 조절 메커니즘의 비밀을 밝힐 수 있는 초석이 될 것이다. 또한 연구팀이 분석한 타깃 독소 단백질은 유전자의 번역 과정에서 여타 다른 독소 단백질들과는 차별화된 필수적인 역할을 수행하는 단백질이다. 따라서 연구팀이 밝힌 삼차원 구조의 비교 분석을 통한 기능적 차이는 분자 생물학적 측면에서 시사하는 바가 매우 크다. 더불어 독소 단백질의 기능을 활성화시키는 펩타이드의 제작 또한 매우 유망한 아이디어라 할 수 있겠다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

향후 제시된 펩타이드 서열에 기반한 최적화 과정을 통해 실제적으로 임상적 효능을 보이는 펩타이드를 얻는 연구와 삼차원 구조 분석의 심화를 통하여 독소-항독소 시스템을 타깃으로 하는 단백질 구조 기반의 항생제 신약을 구현해 내고자 한다. 또한 궁극적으로 독소-항독소 시스템 관련 단백질의 기능을 제어할 수 있는 리드 화합물 도출 및 유도체 합성을 통해 새로운 항생제를 개발하는 것이 목표이다.

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