KAIST 생명과학과 김학성 교수팀, 알츠하이머 조기 진단하는 센서단백질 디자인

고정된 3차원 구조가 없는 상태로 존재하는 비정형 단백질((Intrinsically disordered protein)은 알츠하이머, 파킨슨병과 같은 신경계 질환부터 암, 심혈관계 질환, 대사질환을 유발하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이들을 신속하게 검출하고 분석할 수 있다면 조기 진단을 통해 질병의 진행을 막고 환자의 예후를 개선할 수 있을 뿐 아니라, 병리기전을 밝히고 나아가 치료제를 개발하는 데 큰 도움이 될 수 있다.

   
KAIST 생명과학과 김학성 교수                KAIST 생명과학과 유태근 박사

KAIST 생명과학과 김학성 교수 연구팀이 이러한 비정형 단백질을 간단하게 검출할 수 있는 센서 단백질을 디자인하는 데에 성공했다고 밝혔다. 

어떻게 개발하게 됐나

20 종류의 아미노산으로 구성된 단백질은 고정된 3차원 구조를 형성하며 생체 내 다양한 기능들을 수행하는데 실제 인간의 단백질 중 44%는 특정한 3차원 구조가 없는 비정형 단백질(Intrinsically disordered protein)이다. 이러한 비정형 단백질은 상황에 따라 구조가 변화되며 고정된 구조를 갖는 일반적 단백질보다 더욱 다양한 기능을 수행한다. 또한, 비정형 단백질은 알츠하이머, 파킨슨병과 같은 신경계 질환부터 암, 심혈관계질환, 대사질환을 유발하는 것으로 알려지면서 발병 기전 연구와 치료제 개발의 중요 대상이 되었다. 


그림 1. (상단, 좌) 비정형 단백질과 결합과 동시에 형광신호 변화를 일으킬 수 있는 센서 단백질 모식도. 베타 통 구조의 녹색 형광단백질에서 한 개의 베타시트를 제거한 뒤 해당 위치에 비정형 단백질이 베타 시트 형태로 결합하면 발색단의 형광파장이 변화되도록 설계.(상단, 우) 센서 단백질과 아밀로이드 베타(amyloid-β)의 특정 서열 조각이 결합된 복합체의 결정 구조.
(하단, 좌) 다양한 농도의 아밀로이드 베타(amyloid-β) 농도에 대한 센서 단백질의 형광 파장대 변화.
(하단, 우) 센서 단백질을 이용한 아밀로이드 베타(amyloid-β)와 성상세포 세포막 사이의 상호작용 실시간으로 추적


비정형 단백질의 분석 기술은 각종 질병의 조기 진단은 물론 병리기전의 이해를 통한 효과적인 치료제 개발에 필수적이다. 그러나 기존의 비정형 단백질 분석은 복잡한 여러 단계의 전처리 과정이 필요하고 이로 인해 비정형 단백질 자체가 크게 변형되어 실제 비정형 단백질의 분석과 기능 연구에 많은 어려움이 있었다. 이러한 배경에서 본 연구팀은 비정형 단백질을 간편하게 검출할 수 있는 새로운 형태의 센서 단백질을 개발하였다. 

핵심 기술은

연구팀은 비정형 단백질이 단백질 2차 구조인 베타 스트랜드(β-strand)를 형성하는 특정 아미노산 서열을 갖고 있다는 점에 착안하여 이러한 특정 서열과 상보적으로 결합할 경우에만 신호를 방출하는 새로운 형태의 센서 단백질을 디자인할 수 있는 방법을 정립하였다. 
   
구체적으로 베타 스트랜드로 구성되어 베타-통(β-barrel)구조를 갖는 녹색 형광 단백질(Green Fluorescent Protein, GFP)에서 한 개의 베타 스트랜드가 제거된 절단 형광단백질 (truncated GFP)을 제작하고, 베타 스트랜드가 제거된 위치에 비정형 단백질의 특정 서열이 상보적으로 결합하면 형광을 방출하는 센서 단백질을 디자인하였다.

먼저, 절단 형광 단백질에서 제거된 베타 스트랜드 주변의 아미노산들이 비정형 단백질의 특정 서열과 상보적으로 결합할 수 있도록 본 연구진이 개발한 B-SIDER 알고리즘을 이용하여 재설계하였다. 다음으로 재설계된 절단 단백질에 무작위 돌연변이를 가한 후 비정형 단백질의 표적 서열과 결합시 가장 큰 파장 변화를 보이는 센서 단백질을 방향적 진화방법으로 얻었다. 
   
연구팀은 정립된 디자인 방법을 이용하여 대표적 비정형 단백질로 알츠하이머를 유발하는 아밀로이드 베타(amyloid-β)를 검출할 수 있는 센서 단백질을 개발하였다.

센서 형광 단백질은 크기가 작고 비정형 구조를 갖는 아밀로이드 베타와 단순히 섞어주는 것만으로 20분만에 아밀로이드 베타의 검출과 추적을 가능하게 하였다. 이를 이용하여 다양한 환경에서 아밀로이드 베타의 구조적 변화를 간편하게 분석하고 쥐의 뇌에서 분리된 성상세포 표면에 아밀로이드 베타가 축적되는 과정을 실시간으로 영상화 하였다. 

앞으로 어떻게

연구팀이 개발한 센서 단백질은 비정형 단백질을 신속하고 간단하게 분석하고 실시간으로 추적할 수 있어서 비정형 단백질과 관련된 질병의 조기 진단이나 치료제 개발에 활용될 수 있다.

또한, 정립된 센서 단백질의 디자인 전략은 다른 비정형 단백질에 적용하여 다양한 비정형 단백질의 분석과 기능을 연구할 수 있는 센서 단백질 개발에 기여할 것이다.