바이오인

포스트 게놈 시대의 총아 프로테옴

- 생명 정보의 보고 단백질의 신비를 벗겨라 -

포스트 게놈 시대를 맞아 프로테오믹스가 새로운 유전자 기능 연구로서 각광받고 있다. 프로테오믹스는 유전자 명령이나 단백질 간의 상호작용으로 만들어진 단백질의 기능 이상 또는 구조변형 유무, 기능 및 특성, 상호작용 등을 규명하는 기술로 단순히 증상을 치료하는 단계에서 한 걸음 더 나아가 질병의 원인 자체를 치유할 수 있는 기존의 신약 개발 패러다임을 바꾸는 방법으로 인식되고 있다.

프로테옴(Proteome, 단백질체)이란 단백질(protein)과 전체를 의미하는 (-ome)의 합성어로 세포에서 발현되는 모든 단백질의 구조와 기능을 밝히는 작업이다.

DNA로부터 만들어지는 단백질은 머리카락과 같은 몸의 일부를 구성하기도 하고 에너지 대사활동을 매개하는 각종 효소로도 작용한다. 생명체의 모든 정보는 DNA에 담겨있지만 그 결과물인 다양한 생명 현상은 단백질이 좌우한다고 볼 수 있다.

모든 유전자(Gene)의 집합체인 지놈(Genome)의 염기서열 분석 작업은 이미 지난해 막을 내렸지만 지놈 프로젝트의 진정한 완성은 결국 모든 단백질의 집합체인 프로테옴 연구를 통해 이뤄질수 있다라는 게 관계자들의 설명이다.

프로테오믹스가 대세인 이유

프로테오믹스(Proteomics)는 프로테옴을 연구하는 학문(-ics)을 의미한다. 이 프로테오믹스가 대세인 이유는 앞서 언급했듯이 지놈 프로젝트의 진정한 완성은 프로테옴 연구를 통해 이뤄진다는 데 있다.

프로테옴은 지놈에 비해 데이터양이 1천배 이상으로 예상될 정도로 방대한 생명 현상을 포괄하고 있기 때문이다. 따라서 다양한 생명현상을 설명하기 위해서는 DNA보다는 DNA의 산물인 단백질에 주목해야 한다는 것이다.

단백질은 처음 만들어졌을 때의 모습보다는 다양한 형태로 가공돼 전혀 다른 작용을 보인다. 때문에 단백질의 신비는 알려진 것보다 아직 밝혀지지 않은 부분이 더 많다.

이 밝혀지지 않은 단백질의 비밀이 벗겨지면 인간의 난치병 질환 치료에 새로운 희망이 생기게 되는 것이다.

한국의 프로테옴 연구개발력 세계 톱 10 안에 들어

한국의 프로테옴 연구 상황은 산업자원부의 프로테옴 정보인프라 구축과 보건복지부의 보건의료지원사업, 과기부 연구개발사업 등 정부 주도로 세계 톱 10 안에 들 정도로 앞서 있다고 평가되고 있다. 

2001년 인간프로테옴 지도작성을 위해 결성된 세계인간프로테옴기구(HUPO)에 주도적으로 참여한 데 이어 한국인간프로테옴기구(KHUPO)도 결성됐다.

2003년 연세대 내에 개소한 복지부 지정 질병유전단백체연구지원센터(http://bprc.proteomix.org, BPRC)도 전국의 15개 질환군별/미생물 유전체 센터가 수행 중인 프로테오믹스를 본궤도에 올리기 위해 중앙집중형 기술지원과 단백질 데이터베이스 구축이 필요하다는 인식에서 설립됐다. 이 센터에서는 한국인의 혈액단백질 표준지도를 작성하는 것을 목표로 활발히 연구활동을 펼치고 있다. 보건복지부는 이 같은 연구를 위해 BPRC에 8년간 매년 24억원씩을 지원하고 있다.

BPRC에 앞서 2002년 7월 한국과학기술연구원 내에 설립된 프로테오믹스 이용기술 개발사업단(http://www.proteome.re.kr, 사업단장 유명희)은 과학기술부의 21세기 프론티어연구개발사업의 일환으로 설립됐으며 프로테오믹스를 이용한 질환 관련 진단 표지 및 치료제 표적 단백질 발굴과 프로테오믹스와 관련된 신기술을 개발하여 국가 생명공학의 발전과 신약 개발에 기여하는 것을 목표로 하고 있다.

이 외에 연세프로테옴연구센터(http://www.proteomix.org, 소장 백융기)에서도 프로테오믹스 연구의 활성화를 위해 다각적인 연구를 수행하고 있다.

세계적 연구기관과 손잡고 윈-윈

프로테오믹스의 장점이라면 윤리측면에서 장애가 없다는 것이다. 단백질은 유전자처럼 개인신상정보를 담고 있지 않기 때문이다. 따라서 진단과 치료, 약물개발, 세포내 다양한 생명현상의 기전도 프로테오믹스가 풀어줄 것이라고 기대하고 있다.

이와 같은 프로테오믹스 기술의 수준을 한 차원 높이려면 국내에 보다 많은 연구소가 설립되어야 하며 이를 위해 우선은 국가가 인프라 구축을 위한 씨드머니를 많이 지원해야 한다. 또한 앞으로는 프로테오믹스가 생물학, 보건학, 자연과학 연구에서 공통 기반기술이 되기 때문에 국내 연구소와 세계적 연구소의 합작 연구에 승부를 걸어야 한다는 게 전문가들의 한결같은 생각이다.

 ☞ 프로테옴 연구로 치료할 수 있는 대표적 질병

- 비만, 당뇨, 고지혈증 등

- 췌장암 등 각종 암

- 노화방지?류마티스 관절염

- 뇌졸중?치매

- 기타 난치병

◆ 프로테옴 관련 연구개발 사례

<사례 1> 강력한 암 억제 유전자 p18 단백질

p18이라고 명명한 단백질이 암세포를 억제한다는 사실을 서울대학교 김성훈 교수 연구팀이 세계 최초로 규명해 효과적인 항암제를 개발할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다.

단백질 p18의 존재가 처음 발견된 이후 그 기능은 지난 30여 년간 오리무중이었다. 김 교수팀은 p18의 기능을 알아보기 위해 이 유전자의 기능이 파괴된 실험용 쥐를 배양하여 어떤 결과가 나타나는지를 관찰했고, 그 결과 p18의 기능을 완전히 상실한 경우에는 수정 후 수일 내에 배아들이 모두 죽어버림으로써 p18의 기능이 세포의 생명 유지에 매우 중요한 역할을 한다는 사실을 알게 되었다.

현재 김성훈 교수 연구팀은 인간의 다양한 암에서 p18의 이상 유무를 지속적으로 분석하고 있으며 p18을 대상으로 신기전항암제를 발굴하기 위한 연구에 한창이다.

이 p18 단백질 기능 규명으로 현재 200억 달러에 이르는 세계 항암제 시장에서 선도적인 역할을 할 수 있는 발판이 마련됐다.

<사례 2> 암, 치매 등 유발 활성산소 단백질 변형과정 규명

한국생명공학연구원 단백질체시스템연구센터 류성언 박사팀은 뇌졸중, 암 등의 질병을 일으키는 활성산소가 세포 내에서 단백질의 구조와 기능을 변환시키는 전체 과정과 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.

이 연구팀은 지난 2001년 원자 수준에서 활성산소가 스위치단백질인 ??옥시-R과 열충격단백질-33??의 구조를 변화시키는 메커니즘을 최초로 규명하여 세계적인 주목을 받았는데 이번 연구에서는 생화학적 실험을 통해 이 옥시-R이 실제로 세포 내에서 활성산소 농도를 감지해 구조를 스위치하고 기능을 변화시키는 전체 과정과 기작을 규명하고, 구조스위치에 소요되는 시간과 이 때 발생하는 에너지를 측정하는데 성공했다. 

연구팀은 이 연구결과를 활용해 활성산소가 세포기능을 변환시킬 때 중요한 역할을 하는 단백질들을 발굴해 새로운 개념의 질병치료제를 개발하는 연구를 진행하고 있으며, 뇌졸중이나 암 등 활성산소와 관련된 난치병의 치료를 위한 표적 단백질을 발굴하고 세포시스템의 전체적 연구를 통해 효과적인 신약을 개발할 계획이다.

<사례 3> 질환 단백질 3차 구조 관련 신약 개발

구조 단백질체학과 관련 신물질 창출 신기술들을 다수 보유하고 있는 크리스탈지노믹스(http://www.crystalgenomics.com, 대표 조중명)는 류마티스 관절염을 억제하는 단백질의 작용기전을 세계 최초로 규명했다. 인체 내 JIP1이란 단백질이 인산화 효소인 JNK1 단백질에 결합해 류마티스 관절염의 발생을 억제한다는 사실을 처음으로 밝혀냈다. 또한 비만 치료에 탁월한 효능 지닌 신약 후보물질 발굴에도 성공했다. 이 신약 후보는 PPARα라는 지방대사 관련 단백질을 조절하여 체내 지방을 제거하는 기능이 있어 비만질환이 있는 실험용 쥐에 한달간 투약한 결과 복부와 피하지방 45% 이상 감소시키는 획기적 기술이다.

한편 이 회사는 유유산업, 한국화학연구소, 서울농대 공동기기센터 등과 전략적 제휴를 체결하여 공동 연구를 통해 항암제, 당뇨, 및 비만 치료제들과 신개념 항생제 치료 신물질들을 발굴하는 데 성공했다. 현재까지 18건의 물질 및 신기술 특허를 출원하는 성과를 거뒀다.

<사례 4> 단백질 이용하여 유전자 조작 기술 개발

바이오벤처 기업인 툴젠(http://www.toolgen.com, 대표 신우현)은 특정 유전자에만 결합하는 징크핑거(zinc finger) 단백질을 이용해 유전자를 전등스위치처럼 조작할 수 있는 진그립(GeneGrip) 기술을 개발했다. 징크 핑거는 인간을 포함한 고등동물, 식물의 게놈에서 흔히 발견되는 도메인이다.

이 회사의 연구진은 유전자스위치를 만들기 위해 인간 유전체에 존재하는 약 2천개의 징크핑거 단백질 가운데 특정 유전자 염기서열에만 특이하게 결합하는 50여개를 골라냈다. 또 이들 징크핑거를 모듈로 삼아 DNA 결합단백질을 만들고 여기에 전사(轉寫)를 활성화하거나 억제하는 전사조절인자를 붙여 인공 유전자스위치(진그립)를 만드는데 성공했다.

이 기술이 암, 심혈관질환 등에 중요한 역할을 하는 혈관세포성장인자(VEGF)의 유전자 발현 조절은 물론 다른 질병의 유전자치료제나 세포치료제 개발에도 응용될 것으로 기대하고 있다.

한편 툴젠은 2004년 중국 베이징에서 열린 생명과학기술 국제회의에서 주목해야 할 아시아의 10개 생명과학 회사 가운데 하나로 선정됐다.

<사례 5> 생체 정보 분석하는 단백질칩 개발

생체 정보 소재 및 바이오칩 개발 연구 전문 기업인 제노프라(http://www.genoprot.com, 대표 김성천, 임용식)는 국내 최초로 체내 단백질을 분석하여 생체 정보를 분석할 수 있는 상용화 단계의 단백질칩 GP-ABB??를 개발했다.

국내 특허 등록을 마치고 현재 국제 특허출원중인 이 단백질칩은 혈액 내 혈청 단백질을 감지하여 결합하는 압타머(Aptamer)라는 소재를 이용하여 개발된 수천 개의 단백질을 동시에 분석, 단백질의 패턴을 검사할 수 있는 기술이다. 이로써 피한방울만 있으면 체내 질병의 유무나 발병 가능성을 진단할 수 있게 됐다. 또 GP-ABB는 기존의 해외 기술과 비교해 볼 때 동시에 분석할 수 있는 단백질 수가 월등히 많아 질병 진단의 정확도를 높일 수 있을 뿐 아니라 고가의 부가 장비 없이 처리할 수 있는 등 비용적 메리트도 갖고 있다.

이 회사의 진단용 단백질칩은 상용화 단계로 의학연구소, 병원 등에서 질병 연구 실험용으로 사용되고 있으며 2006년 FDA의 임상실험 승인이 완료되면 병원에서 일반인들도 손쉽게 사용하게 될 전망이다.

한편 제노프라는 향후 지속적으로 간암과 동맥경화에 국한되어 있는 진단 질병을 대장암, 폐암, 위암, 당뇨, 치매, 관절염 등의 만성질환 전 부문으로 점차 확대해 나갈 계획이다.

<사례 6> 단백질 고정화 기술 개발

고효율 단백질칩 기반기술 및 응용기술에 있어 세계적인 기술력을 인정받고 있는 프로테오젠(http://www.proteogen.co.kr, 대표 한문회)은 캘릭스아렌 유도체의 하나인 프로링커(ProLinker)를 이용하여 단백질 고정화 기술을 개발했다. 이 기술은 하버드대 연구팀이 제시한 기존의 방법보다 최소 1만배 적은 농도(현재 1억분의 1g/mL)로 단백질을 고정화시켜 측정, 단백질 칩 및 프로링커의 기능을 기술적으로 증명했다.

차세대 성장동력산업의 하나로 각광받고 있는 단백질칩은 진단, 신약개발 및 단백질 기능연구 등에 널리 적용될 수 있는 최첨단 분야다. 이 회사의 프로링커 기술은 단백질의 변형을 막으면서도 고형기판에 단백질을 강하게 결합시킬 수 있는 방법으로 이미 한국과 미국의 특허를 취득했으며 현재 유럽연합(EU) 및 일본에서도 특허등록이 진행중에 있다.

한편 프로테오젠은 프로링커를 이용해 손쉽게 항암제, 항혈전제 및 항골다공증제 등의 후보물질 발굴과 소량의 환자 혈액으로 여러 가지 암을 동시에 진단하는 진단칩 개발에 몰두하고 있다.

...................(계속)

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