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핵심내용

세포 항상성 유지에 기여하는 자식작용 개시 단백질 복합체 기능 규명

□ 국내 연구진이 우리 몸 세포가 스스로 물질을 분해하며 항상성을 유지하는 원리를 규명했다. 송현규 교수(고려대학교) 연구팀이 자식 작용에 관여하는 단백질 복합체의 상호작용과 여기에 관여하는 새로운 단백질을 규명했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

 
□ 송현규 교수는 “이 연구는 지금까지 알려지지 않은 ATG101 단백질의 전체 구조를 고해상도로 밝히고 ULK1과 PI3K 복합체를 연결해주는 새로운 기능을 규명한 것”이라며 “자식작용 개시 단계 복합체 간의 신호전달에 대한 이해도를 높인 것으로, 앞으로 자식작용과 관련이 깊은 퇴행성 뇌신경 질환이나 암 질환에 대한 새로운 연구 방향을 제시하는데 기여할 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(기초연구실)의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 오토파지(Autophagy) 8월 7일 온라인으로 게재되었다.   

상세내용

■ 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
The C-terminal region of ATG101 bridges ULK1 and PtdIns3K complex in autophagy initiation

저  자
송현규 교수(교신저자, 고려대학교),
김병원 박사(공동제1저자, 고려대학교), 진윤정(공동제1저자, 고려대학교), 김지예(공동제1저자, 국립암센터), 김준회(공동제1저자, 고려대학교), 정준영(경희대학교), 강성만 교수(고려대학교), 김익영 교수(고려대학교), 김정목 교수(경희대학교), 정희선 박사(국립암센터)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 지금까지 자식작용은 세포 내 항상성을 유지하는 것으로 알려졌고, 효모를 이용해 관련 유전자를 동정하고 그 기능에 대해 많은 연구가 되었다. 또한 이 자식작용은 퇴행성 뇌신경질환 및 암과 같은 질환에도 많은 관여를 한다고 알려졌다.
  ○ 연구를 통해 자식작용은 개시단계, 확장단계 그리고 성숙단계로 크게 3가지 부분으로 나눌 수 있었고, 최근까지 자식작용 확장단계와 성숙단계에 대한 상세한 기작이 많이 밝혀져 있었다.
  ○ 하지만 신호전달이 단순하고 체계적인 확장단계와 성숙단계와는 달리 개시단계에 관여하는 단백질들은 크게 두 가지의 거대 복합체(ULK1 복합체, PI3K 복합체)를 이루고 서로 의존적이거나 비의존적인 신호전달체계를 가지고 있어 연구하기에 한계가 있었다.
  ○ 개시단계에 관여하는 수많은 단백질 중 ULK1 복합체의 구성요소 중 하나인 ATG101은 또 다른 구성요소인 ATG13과의 결합이 유일한 역할이었을 뿐 다른 기작에 대해서는 알려지지 않았다.

 2. 연구내용
  ○ 연구팀은 인체의 ATG101-ATG13 복합체 단백질을 대량 생산하고 순수하게 분리하였고, 소각 X-선 산란실험으로 저해상도 전체구조와 X-선 결정학 방법으로 복합체의 고해상도 구조를 밝혔다(그림 1).
  ○ 이 복합체의 구조를 통해 지금까지 알려지지 않았던 ATG101 단백질의 전체구조를 알게 되었고 특히 카르복시-말단에 알파-나선 구조가 존재한다는 것을 밝혔다(그림 1).
  ○ 이 ATG101 카르복시-말단 부분이 구조적으로 독립적으로 존재하기 때문에 아마도 단백질-단백질 결합에 관여할 것이라는 가설을 세웠고 새로운 결합 파트너를 찾기 위해 많은 다른 자식작용 관여 단백질들에 대해서 결합을 확인하였다.
  ○ 그 중 PI3K 복합체 구성성분인 여러 단백질과의 결합이 있다는 것을 in vitro 풀다운과 면역침강방법을 통해 확인할 수 있었고, 카르복시-말단의 제거한 단백질과 PI3K 복합체 구성 단백질들과의 결합들을 확인하였다(그림 2). 또한 세포 내에서 카르복시-말단을 제거한 ATG101이 있는 세포에서는 그렇지 않은 세포에 비해 자식작용이 저해됨을 LC3 전환 정도와 GFP-LC3 puncta 확인으로 알 수 있었다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 이 연구를 통해 자식작용 개시단계 관련 단백질 중 하나인 ATG101과 기존의 결합 파트너인 ATG13의 새로운 복합체구조를 밝히고, ATG101의 카르복시-말단의 부분이 PI3K 복합체와 결합하는 것을 확인하였고 나아기 이 결합에 손상이 오면 자식작용 신호전달에 문제가 생기는 것을 확인하였다.
  ○ 자식작용에 관여하는 단백질은 대부분 효모와 기능이 비슷해 많이 연구가 되어 있는 반면, 고등생물에만 존재하는 것으로 알려진 ATG101은 현재까지 그의 기능이나 역할에 대해 많이 밝혀지지 않았다. 이번 연구를 통해서 개시단계에서 일어나는 기작에 대해 좀 더 명확히 이해할 수 있는 계기가 될 것으로 기대한다. 

■ 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

자식작용(autophagy)는 세포의 항상성을 유지하기 위한 필수적인 기전으로 1960년 경에 처음 현상이 관찰되었고 보고되었으나 본격적으로 연구되기 시작한 것은 1990년대 말 효모(Saccharomyces cerevisiae) 연구자인 일본의 오슈미(Ohsumi) 교수가 관련 유전자들을 동정하고 그 기능을 밝히면서 부터이다. 오슈미 교수는 이 업적으로 2016년 노벨생리의학상을 단독 수상하였다.
이 자식작용이 진핵생명체(eukaryotes)의 세포 내 폐기물 및 기능을 다한 소기관, 단백질 응집체를 청소하고 박테리아나 바이러스 등 외부 침입자를 제거하여 세포의 항상성을 유지하는데 관여하고 있다는 사실뿐 아니라, 배아 발생 및 퇴행성 뇌신경질환, 암 발생 등과 같은 고등생물에게 일어나는 많은 질환과도 밀접한 관련이 있음이 밝혀졌다.
최근에는 세포 내에서 자식작용 처음 개시되는 기전을 전세계 많은 연구자들이 관심을 가지고 경쟁적으로 연구를 하고 있다. 이때 ULK1 복합체와 PI3K 복합체 두 개가 매우 중요하게 관여하는데, 이 두 거대복합체 간의 서로 신호 전달 등은 너무 복합해서 이해하는데 한계가 있었다.
ATG101 이라는 ULK1 복합체 내의 한 단백질이 ATG13과 결합을 하는 것만 알려져 있었고, 기능을 정확히 모르는 상태였다. 특히 ATG101 단백질의 아미노-말단 부위는 ATG13과 결합하는 것이 보고되었지만, 카르복시-말단의 경우는 그 구조 및 기능이 밝혀지지 않았기 때문에 연구가 절실히 필요한 상태였다.

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

단백질의 구조를 풀기 위해 단백질을 정제하고 결정을 만들어야 하는데, 각각의 ATG101과 ATG13을 정제하기가 쉽지 않았다. 그래서 한 가지 해결책은 두 가지 유전자를 동시에 대장균에서 발현하게 만들어 단백질을 정제하여 이 문제를 해결하였다. 하지만 이 정제된 단백질을 이용하여 결정을 만들려고 수많은 시도를 하였지만 얻지 못하였다. 결국 다시 수 십 개의 유전자 변형을 도입하여 그 중 하나에서 단백질 결정을 얻는데 성공하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

자식작용 개시 단계에 매우 중요하게 기능하는 것으로 알려진 두 거대 복합체(ULK1 복합체, PI3K 복합체)가 어떻게 서로 상호작용을 하며 이때 ATG101 단백질이 어떻게 관여하는지 밝혔다.
이러한 자식작용 초기단계 활성화 기전을 명확히 알게 되었고, 궁극적으로는 자식작용이 관여하는 여러 퇴행성 뇌신경질환 및 암 발생과 같은 인체 질환에 대한 이해가 증진될 것이다.

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