바이오인

핵심내용

독성 물질에 대응해 미생물이 살아남는 메커니즘 규명
- 신약 개발, 환경오염물 제거 등 적용 기대 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 과학기술국제화사업, 교육부 BK21플러스사업, 리서치펠로우 사업의 지원을 받은 이봉진 교수(서울대) 연구팀이“미생물 몸 안으로 외부의 산화스트레스 물질*이 들어왔을 때 미생물이 대응하는 새로운 메커니즘을 원자 수준에서 발견했다.”고 밝혔다.
        *산화스트레스 물질 : 미생물이나 사람의 세포 속의 안정된 산화환원 반응을 방해하여 세포 내 신호 교란 등을 일으키는 물질. 사람의 경우 많은 질병의 원인과 밀접한 관련이 있다.

□ 산화스트레스 조절은 미생물에서 고등생물까지 매우 중요하다. 특히 사람의 경우 산화스트레스 조절이 안 될 경우 암과 같은 큰 질병으로 나타날 수 있다. 산화스트레스 조절 작용은 단백질의 구조 변화와 밀접하다. 연구팀은 산화스트레스 물질이 들어왔을 때 반응하는 미생물 체내의 요드비 단백질*은 서로 다른 종류의 산화스트레스 물질을 만나면 각기 다른 구조 변화를 일으킨다는 새로운 사실을 발견했다. 
        *요드비 단백질 : 바실러스가 생산하는 단백질로서 산화 스트레스 물질을 인지하고 반응하는 전사 조절인자

□ 연구팀은 독성의 강도가 다른 두 종류의 산화스트레스 물질을 실험했다. 그 결과, 독성이 강한 메틸벤조퀴논* 화합물은 요드비 단백질에 직접 결합하여 요드비 단백질 구조의 일부에 대해 그 구조 변화를 적게 일으키는 반면, 독성이 약한 다이아마이드*는 요드비 단백질의 전체 형태를 크게 변화시켰다.  
      *메틸벤조퀴논 : 활성 친전자체 물질 중 하나로 독성이 매우 강함.
        *다이아마이드 : 활성 친전자체 역할을 하는 물질

□ 또한 산화스트레스 물질 유입량을 비교할 때 독성이 약한 다이아마이드는 많은 양이 미생물 안으로 들어와야 요드비 단백질의 큰 구조 변화를 일으키며, 독성이 매우 강한 메틸벤조퀴논 화합물은 유입되는 양이 매우 적어도 요드비 단백질의 구조 변화를 적게 일으킨다는 사실을 알아냈다.   

□ 그리고 독성이 강한 소량의 메틸벤조퀴논 화합물이 미생물에 들어왔을 때 요드비 단백질이 쉽게 유전정보물질*에서 떨어지게 되고, 그 결과 독성물질을 해독하는 일을 하는 효소*들이 많이 생산되었다. 반면 독성이 약한 다이아마이드의 경우 1,000배 이상의 많은 양이 미생물에 유입되었을 때 메틸벤조퀴논 화합물이 일으킨 결과와 같은 양의 방어효소가 만들어졌다.
      *유전정보물질 (DNA) : 유전자 정보를 저장하는 물질
      *효소 : 생체 내 화학반응을 매개하는 단백질

□ 이봉진 교수는“이번 연구는 그 동안 관찰이 어려웠던 다양한 산화스트레스를 미생물이 어떻게 다르게 인지하고 반응하는지 밝힌 것이다.  향후 신약 개발, 환경오염물 제거 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 세계적인 과학기술 학술지 미국국립과학원회보(PNAS) 8월 16일자에 게재되었다.

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Two distinct mechanisms of tranional regulation by the redox sensor YodB
   - 저자 정보 : 이봉진 (교신저자, 서울대), 이상재 (제1저자, 서울대), 이인균 (제1저자, 서울대), 이기영 (공동저자, 서울대), 김동균 (공동저자, 서울대), 은현종 (공동저자, 서울대), 윤혜진 (공동저자, 서울대), 채수산나 (공동저자, 서울대), 송성현 (공동저자, 서울대), 강사욱 (공동저자, 서울대), 서민덕 (공동저자, 아주대), 김현숙 (공동저자, 국립암센터), 박성진 (공동저자, 가천대)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 산화스트레스 조절은 미생물에서 고등 생물에 이르기까지 매우 중요한 역할을 한다. 사람의 경우 이의 조절이 안되는 경우 암과 같은 큰 질병으로 나타날 수 있다. 이러한 산화스트레스는 생명체 안에 있는 특정 단백질들이 대처하고 반응하는 등의 일을 하는데 이러한 조절 작용은 단백질의 구조 변화와 밀접한 관련이 있다.
   ○ 두 종류 이상의 산화스트레스에 대해 한 종류의 단백질이 원자 수준에서의 정확한 조절 메커니즘이나 원리는 보고된 적이 없었다.

 2. 연구내용
   ○ 안정한 형태의 요드비 단백질을 만들어 대량 정제하고, 결정화를 하여 포항방사광가속기의 엑스선 빔라인 장치를 이용하여 요드비 단백질의 다양한 구조를 원자 수준에서 정밀하게 관찰했다.
   ○ 세 종류의 요드비 단백질 구조를 분석한 결과, 다이아마이드에 의해 이황화결합*이 이루어진 요드비 단백질은 커다란 구조 변화가 생겼으나, 메틸벤조퀴논의 경우 요드비 단백질의 특정 아미노산과 결합하고 이로 인해 생기는 미세한 구조 변화가 관찰되었다.
       *이황화결합 : 산화작용에 의해 단백질을 구성하는 아미노산 중 시스틴끼리 결합하는 현상
   ○ 요드비 단백질과 메틸벤조퀴논의 직접적인 결합은 요드비 단백질 내의 DNA 결합 부위의 미세 구조변화를 일으켜 쉽게 요드비 단백질이 쉽게 DNA로부터 떨어지게 만든다.
   ○ 매우 소량의 유독 메틸벤조퀴논 물질을 바실러스균*에 처리한 경우에 산화스트레스 방어 유전자가 더 크게 활성화됨을 확인하였다. 또한 이러한 방어 유전자의 발현으로 바실러스의 생존이 가능함을 확인하였다.
       *바실러스균 : 토양과 사람 및 동물의 장에 서식하는 미생물 중 한 종류

3. 연구 성과
   ○ 이 연구는 두 종류 이상의 산화 스트레스를 인지하고 대처하는 조절 메커니즘을 원자 수준에서 처음으로 규명하였다. 두 종류의 산화 스트레스에 대한 요드비 단백질의 구조 변화를 통해 새로운 산화스트레스 조절 메커니즘을 제시할 수 있었다.
   ○ 기초과학적 측면으로는 단백질의 구조 변화와 기능 전환과의 새로운 상관관계를 제시하였고, 미생물의 효율적인 생존 전략을 새롭게 제시하였다.
   ○ 이 연구 결과는 인체 감염균의 면역회피전략과 매우 유사하며 신약개발 분야에 이용할 수 있다. 요드비 단백질이 제어하는 효소들은 환경오염물질을 다른 물질로 전환하는 아조리덕테이즈* 등이 포함되어 있어 향후 세포 자체를 제독 물질로 이용하는 산업적인 활용도 가능하다. 
      *아조리덕테이즈 : 아조화합물을 환원시키는 효소

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 산업화 사회 이후 산화스트레스 물질의 종류와 양은 증가하고 있으며 각종 중요 질병의 원인으로 밝혀지고 있다. 생명체는 다양한 조절 장치로 산화스트레스 물질에 대처하고 있으며 이러한 조절의 중심에서 다양한 단백질들이 매우 정교한 역할을 하고 있다.
  ㅇ 현재까지 한 종류의 조절 단백질이 두 종류 이상의 산화스트레스를 정교하게 인식하여 독성에 따라 다르게 대처하는 등의 원자 수준의 연구는 보고된 적이 없었다. 따라서 연구팀은 요드비 단백질의 구조 변화 및 기능 변화에 대한 연구를 시작하게 되었다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 바실러스균 유래의 요드비 단백질이 다른 종류의 활성 친전자체인 다이아마이드와 메틸벤조퀴논에 대해 서로 전혀 다른 구조 변화를 일으킨다는 사실을 알아냈다. 독성이 약한 다이아마이드는 요드비 단백질의 큰 구조 변화를 일으키며, 독성이 매우 강한 메틸벤조퀴논 화합물은 요드비 단백질의 구조 변화를 적게 일으킴을 밝혔다.
     *활성 친전자체 : 활성화산소의 생성물로 일부 활성 친전자체는 환경오염 물질로 알려졌다.

  ㅇ 연구팀은 세포 실험을 통해 독성이 강한 메틸벤조퀴논 화합물은 매우 미세한 양으로도 방어유전자들의 활성화를 일으키나, 다이아마이드의 경우 높은 농도에서 (1,000배 이상) 동일한 방어유전자들이 활성화된다는 것을 알아냈다. 또한 산화 스트레스로부터의 생존을 위해 하나의 센서 단백질이 다양한 신호를 감지해낼 뿐 아니라 매우 정교한 조절을 통해 산화 스트레스의 독성을 감소시킨다는 것을 알아냈다.

3. 기대효과
  ㅇ 폐혈증과 폐렴 등을 일으키는 인체병원균인 포도상구균은 인체 감염 후 활성화된 대식세포 (침입한 세균을 잡아먹는 세포) 내에서 산화환원 반응을 이용하여 차아염소산염 (hypochlorite; 소독에 사용되는 물질) 등을 무력화하는 것으로 최근 알려졌는데 이 연구결과의 조절 메커니즘은 이와 유사한 방어메커니즘을 이해하는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 또한 요드비 단백질이 조절하는 효소들은 유독성 퀴논 화합물 또는 아조화합물 (azocompounds)* 등의 환경오염물을 제거하는데 활용될 수 있어 향후 공업적인 분야에서의 적용도 기대된다.
      *아조화합물 : 기능성 그룹 R-N=N-R’을 가지고 있는 화합물

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

요드비 단백질은 이미 독일 등 선진국 연구팀들이 유사 단백질 등을 이용하여 많은 연구 결과를 내고 있었다. 그러나 산화 스트레스를 감지하는 아미노산 서열 분석을 통해 기존에 발표된 내용과 다른 새로운 메커니즘이 존재할 수 있는 단서를 찾았고 본격적으로 연구를 수행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

포항방사광가속기의 5C, 7A 빔라인 시설을 이용하여 성공적인 연구 수행이 가능하였으며, 세 종류의 요드비 단백질 구조 분석을 통해 산화 스트레스 물질과 단백질과의 상호 관계를 파악하는데 커다란 도움이 되었다.

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

단백질의 정확한 메커니즘을 알기 위하여 안정된 단백질을 생산하는 과정과 결정화하는 과정은 필수적이다. 연구 초기 단계에서 요드비 단백질이 매우 불안정하여 이를 해결하고자 단백질 생산 과정을 최적화하고 안정화를 방해하는 단백질 서열을 일부 제거하는 등의 작업을 통해 어려운 과정을 해결하였다. 연구 도중에 외국의 경쟁 그룹들과의 경쟁에서 먼저 연구결과를 도출하고자 한국인이 가진 특유의 집중력과 추진력으로 이를 극복하고 논문으로 게재하는 성과를 올렸다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

산화스트레스에 대처하는 미생물의 전략은 매우 다양하고 많은 연구진들에 의해 보고되어 왔다. 그러나 하나의 단백질이 어떻게 두 가지 이상의 산화 스트레스 물질을 다르게 인지하고 반응하는지에 대하여 원자 수준의 연구는 제시된 적이 없었다. 연구팀은 이러한 조절 과정을 명확하게 규명하여 질병을 일으키는 인체 감염균 등의 체내 생존 메커니즘 중 산화스트레스를 회피하는 메커니즘을 이해하는데 큰 단서를 제공하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

신규 항생제, 항암제, 면역질환 치료제, 희귀 질환 치료제 개발을 위해 단백질 구조 기반의 효율적인 약물 개발을 계속 수행해 나갈 예정이다. 이를 위해 연구팀은 다양한 타겟 단백질의 구조를 확보하였으며 후속 연구 등을 수행하고 있다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

포항방사광가속기에 있는 엑스선 빔라인은 세계적 수준의 우수한 실험 장치로서 우수한 성과를 도출해 낼 수 있는 커다란 발판이 되어 왔다. 연구팀은 이 장치를 활용하여 다양한 질병 치료제 개발이 가능하도록 단백질 구조 연구에 이 연구 장치를 계속 활용할 계획이다.

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