[스크랩] 산화질소 - 세포 신호 전달의 새로운 일면

산화질소 - 세포 신호 전달의 새로운 일면

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-05-27

듀크 대학 연구자들이 어떻게 산화질소가 조절되는지를 연구한 결과를 5월 23일자 학술지 “Science”에 보고하였다. 연구팀은 산화질소 시스템이 질병에서 핵심적인 역할을 한다는 증거와 심장 질환이나 암 같은 질환 치료를 개선할 방법에 초점을 맞춘 연구 결과를 제공하였다. (Science 23 May 2008:Vol. 320. no. 5879, pp. 1050 ? 1054) 대기 중의 일산화질소는 공기 중의 질소가 고온에서 산화돼 발생하는 질소산화물의 일종으로 인체에 매우 유독한 가스성 물질로 알려져 있었다. 그러나 최근의 연구에 의하여 일산화질소는 인체의 여러 세포에서 발생하며 면역계에서는 항암 및 항균 작용을 나타내는 방어물질로, 신경계에서는 신경전달물질로, 순환기계에서는 혈관확장물질로 알려지게 되었다. 세포에서 산화질소 시스템은 제대로 평가 받지 못했지만 주요한 생물학적 신호 전달 경로이다. 체내에서, 산화질소는 산소를 조직에 전달하거나 신경 자극 전도, 심장 박동 같은 생리적 활성에서 핵심적인 역할을 한다. 산화질소 시스템에 문제가 생기면, 인체에도 문제가 생긴다. 많은 질병에서 산화질소 시스템에 이상을 보이는데, 예를 들면 죽상경맥동화증에서는 산화질소가 너무 적고, 파킨슨 질환에서는 너무 많으며, 겸상적혈구질환에서는 충분치 못하고 일부 당뇨병에서는 너무 많이 존재한다. 또한 정신분열증 환자의 기억과 사회적 기능장애도 뇌의 산화질소 시스템의 이상 때문이라는 연구가 2007년, 11월 스웨덴 연구팀에 의해 보고되었다. (GTB2007110606) 산화 질소는 많은 질병의 과정에 적용된다. 패혈증, 천식, 낭포성 섬유증, 파킨슨 질환, 심장마비, 악성 이상고열증 등의 모든 질환이 비정상적인 산화질소를 기본으로 한 신호전달 경로와 관련되어 있다. 산화질소 시스템이 기존에 인정받지 못한 중요한 요인은 질병에서 산화질소의 표적이 매 경우마다 달랐기 때문이다. 연구팀은 산화질소가 단백질에 결합되는 것이 어떻게 조절되는지를 연구했다. 그들은 단백질 활성을 조절하기 위해 단백질로부터 NO를 제거하는 효소가 있다는 것을 처음으로 보였다. 이 작용은 광범위한 효과를 가지며, 실질적으로 모든 세포에서 그리고 모든 단백질 군에 걸쳐 일어난다. 연구 결과는 티오레독신(thioredoxin) 1과 2 효소가 포유 동물 세포 내에서 시스테인 아미노산의 산화질소를 제거하여 여러 서로 다른 작용을 조절한다고 설명한다. 이 제거로 인한 결과 중 하나는 자가세포사멸(apoptosis)를 시작하는 분자의 활성이다. 이러한 과정은 염증 질환, 심장 마비, 암을 포함한 많은 질병에서 잠재적인 중요성을 갖는다. 티오레독신은 천식의 약물 치료의 표적으로 알려져 있기 때문에, 이 연구 결과는 가능한 치료적 가능성을 제안한다. 산화질소는 시스테인 잔기의 S-nitrosylation을 통해 세포 내 신호 전달에서 작용하는데, 세포 신호전달에서 단백질의denitrosylation은 잘 알려져 있지 않다. 연구팀은 denitrosylase 활성을 denitrosylation의 예로 알려진 caspase-3에 초점을 맞춰 연구했으며, 생화학적 선별 과정에서 티오레독신과 티오레독신 환원효소를 규명하였다. 휴지기 인간의 임파구에서, 티오레독신-1은 활성적으로 세포액질 caspase-3을 denitrosylation시키고, Fas의 자극 아래, 티오레독신-2가 미토콘드리아-연관된 caspase-3의 denitrosylation을 매개한다. 또한 caspase-3의 활성을 위해 필요하며, 세포사멸을 촉진한다. 연구팀은 세포내의 비정상적인 신호가 너무 많이 생산되어 단백질에 부착되는 NO의 문제인지 단백질로부터 충분히 제거되지 않는 것이 문제인지를 연구할 필요가 있다고 말한다. 세포에 단순히 NO가 너무 많다거나 적다거나 하는 문제가 아니라, 얼마나 많이 특이적 단백질에 부착되거나 제거되는지가 문제의 핵심이다.

출처 : 세상에 여러가지 이야기들

글쓴이 : 사랑 원글보기

메모 : 신호전달 세포의 단백질 구조 규명

2010년 10월 28일 오전 6:19공개조회수 33 0

생물학의매카니즘은 게놈의다양체다면성다기능등의변형변질가능한 복잡계복합체마이닝구조를이룬다. 물론세세한신호전달을이해하려면 매직섬의mser.sper단위, 동위원소원자수준까지파악해야한다. 허.



.미국 과학자들이 인체에 다양한 기능을 수행하는 주요 세포 신호전달 과정의 메커니즘에서, 중요한 역할을 단백질 구조를 밝혀냈다. 미국 식약청에서 승인되는 약품의 절반 정도가 직, 간접적으로 G 단백질-결합 수용체와 관련이 있다. 이들 수용체는 세포의 바깥 막에 있는 단백질로 분자 신호를 세포 밖에서 안으로 이동시키는 역할을 하며, 세포 성장, 근육 수축, 혈소판 응축, 시각 및 후각에 대한 것을 조절하는 것을 돕는다. 많은 GPCR 단백질은 두 개의 결합 파트너가 있는데, G 단백질 Gq와 포스포리파제(phospholipase) C라고 불리는 PLC가 세포 안으로 신호를 전달한다. 하지만, 지금까지 어떻게 신호 정보가 전달되는지는 알지 못했다. 이번 연구의 공동 저자인 Kendall Harden 박사는 “신호전달이 어떻게 일어나는지 알기 위해서는 원자 수준까지 조사해야 했다”고 말한다. 자세한 원자 구조는 사이언스에 소개되었다.

.미국 과학자들이 토양 세균의 게놈안에 숨어있는 효소를 활용해서 전통적인 합성으로는 불가능하거나 어려웠을 방식으로 천연 항생 분자를 변형했다. 그 기술은 다른 종류의 분자들에 적용가능할 수 있어, 다양한 복합적인 분자들에 대해 쉬운 접근법을 제공해 줄 수 있다. 알려진 약물들의 새로운 유도체들을 합성하는 것은 항생제 저항과 같은 문제들을 극복하고 새로운 약물 후보물질들을 찾기 위해서 널리 사용되는 방법이다. 뉴욕의 록펠러대학교의Sean Brady 가 이끈 연구진은 그들의 아이디어를 시험하기 위해서 당펩티드라고 불리는 종류의 분자들을 선택했다. 당펩티드들은 다양한 세균들에 의해 생산되는 방어적 항생제들이며, 다양한 다른 위치에 부착된 황산염 기와 당들을 가진 고리형 펩티드 핵을 가지고 있다. ‘우리는 당펩티들이 많은 알려진 유도체들이 있기 때문에, 이들을 모형 화합물로서 선택했다. 우리는 이전에는 만들어진 적이 없는 유도체들을 만들 수 있다는 것을 보여주고 싶었다.’고 Brady는 말했다.




.세포 신호전달 과정에서 중요한 역할을 하는 단백질 구조 밝혀져




Gq(핑크색)의 활성 위치가 PLC(노랑색)으로 안정됨을 보여주고 있다. 점선은 수소 결합이다.

미국 과학자들이 인체에 다양한 기능을 수행하는 주요 세포 신호전달 과정의 메커니즘에서, 중요한 역할을 단백질 구조를 밝혀냈다. 미국 식약청(FDA, Food and Drug Adminstration)에서 승인되는 약품의 절반 정도가 직, 간접적으로 G 단백질-결합 수용체(GPCR, G protein-coupled receptors)와 관련이 있다. 이들 수용체는 세포의 바깥 막에 있는 단백질로 분자 신호를 세포 밖에서 안으로 이동시키는 역할을 하며, 세포 성장, 근육 수축, 혈소판 응축, 시각 및 후각에 대한 것을 조절하는 것을 돕는다. 많은 GPCR 단백질은 두 개의 결합 파트너가 있는데, G 단백질 Gq와 포스포리파제(phospholipase) C라고 불리는 PLC가 세포 안으로 신호를 전달한다. 하지만, 지금까지 어떻게 신호 정보가 전달되는지는 알지 못했다. 이번 연구의 공동 저자인 Kendall Harden 박사는 “신호전달이 어떻게 일어나는지 알기 위해서는 원자 수준까지 조사해야 했다”고 말한다. 자세한 원자 구조는 사이언스에 소개되었다. 수 년 동안, 연구팀은 G 단백질이 PLC에 어떻게 결합하는지 이해하려고 노력했다. 이번 연구에서 가장 힘들었던 부분은 순도가 높은 단백질을 과량으로 얻는 것이었다고 연구팀은 말한다. 다음으로 결정을 만들기 위한 여러 실험 조건들을 바꿔야 했다. 최종 조건을 찾기 위해서 수 천 번의 이미징을 조사했으며, 결과적으로 PLC와 Gq가 결합하는 한 조건을 찾을 수 있었다고 연구팀은 말한다. 효소가 PLC 분자의 일부를 먹어 치우면서, 잃어버린 조각이 PLC와 그것의 파트너가 결정이 만들어지도록 도왔다. 연구팀은 PLC에서 상실한 부분과 정확하게 일치하는 것을 만들었고, 이것이 G 단백질과 결합해서, 결정을 만든다는 것을 확인했다. 구조가 밝혀지자, 연구팀은 복합체의 일부를 바꾸면서 이들 복합체가 어떻게 상호작용하며 이들 복합체가 어떻게 신호를 켜고 끌 수 있는지 정확하게 알 수 있었다고 말한다. 예를 들면, G 단백질은 PLC의 3 다른 부위와 결합한다. 상호작용의 중요도를 이해하기 위해, 연구팀은 PLC 분자에 약간의 변형을 시도했으며, 이것이 세포 막에서 신호를 차단한다고 가정을 세웠다. 초파리 눈에 PLC 변이를 발현시켰을 때, 연구팀은 빛에 노출한 눈에서 신호 전달 과정이 켜져 있는 상태로 있었다. Sondek 박사는 신호가 재 활성 되지 않기 때문에 초파리들이 볼 수 없다고 말했다. 연구팀은 쥐와 다른 동물을 대상으로 더 많은 실험을 할 계획이다. Harden 박사는 “신호전달 과정이 매우 중요하다는 것은 잘 알려져 있었지만, 이번 연구는 G 단백질과 PLC가 세포 증식을 어떻게 조절할 수 있는지, 이들 분자에 유전적인 변이가 생기면 어떻게 암을 유발하게 되는지에 대한 이해할 수 있는 발판을 마련했다고 말했다. 이번 연구는 어떻게 신호 전달에 관여하는 복합체가 다른 것과 상호 작용하는지 이해하는데 도움을 줄 것이라고 말한다. 연구팀은 실시간에서 이들 복합체 결합을 실시간으로 관찰하기를 원하고, 이들 결합을 방해할 수 있는 저분자를 찾고 있다.




.토양 세균의 게놈을 이용한 천연 항생 분자 변형





eDNA 라이브러리에서 발견된 효소들이 새로운 방식으로 당펩티드 핵들(위)을 변형할 수 있다.

미국 과학자들이 토양 세균의 게놈(genomes)안에 숨어있는 효소를 활용해서 전통적인 합성으로는 불가능하거나 어려웠을 방식으로 천연 항생 분자를 변형했다(J J Banik et al, J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI:10.1021/ja105825a). 그 기술은 다른 종류의 분자들에 적용가능할 수 있어, 다양한 복합적인 분자들에 대해 쉬운 접근법을 제공해 줄 수 있다. 알려진 약물들의 새로운 유도체들을 합성하는 것은 항생제 저항과 같은 문제들을 극복하고 새로운 약물 후보물질들을 찾기 위해서 널리 사용되는 방법이다. 뉴욕의 록펠러대학교(Rockefeller University)의Sean Brady 가 이끈 연구진은 그들의 아이디어를 시험하기 위해서 당펩티드(glycopeptides)라고 불리는 종류의 분자들을 선택했다. 당펩티드들은 다양한 세균들에 의해 생산되는 방어적 항생제들이며, 다양한 다른 위치에 부착된 황산염 기(sulfate groups)와 당들을 가진 고리형 펩티드(peptide)핵을 가지고 있다. ‘우리는 당펩티들이 많은 알려진 유도체들이 있기 때문에, 이들을 모형 화합물로서 선택했다. 우리는 이전에는 만들어진 적이 없는 유도체들을 만들 수 있다는 것을 보여주고 싶었다.’고 Brady는 말했다. 그 연구진은 토양 시료들로부터 대량으로 DNA 를 추출했고 150억 개까지의 독특한 DNA 조각들을 포함하는 큰 라이브러리들(libraries)를 생성했다. 그 다음에 글리코펩티드들을 만드는 것과 연관된 단백질들에 해당하는 서열들을 위해 이 환경적 DNA (eDNA) 메가라이브러리(megalibrary)를 탐색했다. 그들의 목적은 당펩티드를 핵에 황산염 장식을 부착하는 효소들을 찾는 것이었다. ‘체계적으로 DNA의 환경적 시료를 검색함으로써, 우리는 토양에 있는 유기체들로부터 추가적인 당펩티드를 생산하는 생합성 유전자 클러스터들( clusters)를 찾을 수 있었다. 일단 확인한 후에, 우리는 변형된 당펩티드들의 라이브러리를 만들기 위해서 이들 맞춤 효소들(tailoring enzymes)의 기능화 능력을 사용할 수 있었다.’고 Brady는 말했다. 그 탐색은 여섯 개의 알려지지 않은 맞춤 효소들을 찾게 되었는데, 그 연구진은 그것들을 이용해서 특정한 위치에 황산염 기들이 부착된 15개의 새로운 인공적인 당펩티드들을 만들었다. ‘그 핵 구조를 다시 만들지 않아도 되고 단지 그 환경로부터 시작해서 이용하는 것이 더 쉽다. 우리가 아는 그 효소들은 각각 경로에서 다르지만 선택적으로 그 핵 구조를 향하게 될 것이다. ’고 Brady는 말했다. 최근에 연구자들은 많은 유용한 천연물질을 생산하는 유기체들의 게놈을 완벽하게 염기서열을 분석해냈다. ‘우리와 다른 사람들은 잠재적으로 흥미롭고 유용한 생물활성을 가지고 있지만, 유기체들, 심지어 매우 잘 연구되온 유기체들에서도 아직 발견되지 않은 많은 구조적으로 새로운 천연물질들이 있다는 것을 알아차렸다.’고 천연물질 생합성과 새로운 천연 물질 발견을 향한 유전자 발굴(gene mining)을 연구하고 있는 영국 와윅대학교(University of Warwick)의Greg Challis는 말했다. Challis는 10년 전에 제약산업에서 널리 퍼져있던 시각은 생물활성을 가진 천연 물질들의 저장고에서 발견될 구조적인 새로움이 거의 남아 있지 않다는 것이었다고 덧붙였다. ‘게놈 서열 분석은 이것이 사실이 아님을 보여주었다. 이 논문은 잘 알려진 종류의 임상적으로 중요한 약물들에서 구조적인 다양성이 토양 메타게놈(soil metagenome)를 입력함으로써 어떻게 의미있게 확장될 수 있는지에 대한 좋은 예를 제공해준다.’고 그는 말했다. Brady의 향후 연구는 공통적인 기능화된 핵을 가진 다른 종류의 분자들에 이 기술을 응용하는데 집중할 것이다. Brady는 더 희귀한 종류들을 살펴보기를 원한다고 말했다.




.성능이 좋고 기능기가 두개인 방사선 동위원소 킬레이터(chelator)





개념도, 연구팀에 의해 합성된 H2dedpa와 Ga동위원소를 킬레이팅했을 때의 안정성.
화학구조, H2dedpa와 기능기가 2개 이상인 H2dedpa의 유도체들.

99Mo/99mTc 방사선 동위원소 시스템을 대체하고자 하는 연구가 최근 활발히 진행되고 있는 가운데, 가장 주목받는 시스템은 68Ge/68Ga이다. 모원소(prepare) 68Ge는 반감기가 271일에 달해 반감기가 짧은 99Mo/99mTc 시스템의 단점을 보완할 수 있는 동위원소이다. 모원소 68Ge에서 떨어져 나온 자원소(generator) 68Ga는 68분으로 반감기가 짧고, 최대 양전자 에너지(maximum positron energy)가 1.899keV로 고품질의 positron-emission tomography (PET) 이미징을 하는데 적절한 방사선 동위원소이다. 실제로 몇 년 전부터 유럽에서는 68Ga를 이용한 의학용 이미징 물질의 생산을 준비 중이다. 생물학적으로 안정한 산화 삼가(3+)의 68Ga를 효과적이고 강하게 킬레이션하기 위한 노력은 오랜 시간 동안 지속되어 왔다. Aminocarboxylate macrocyclic chelator인 NOTA와 DOTA는 68Ga 뿐만 아니라 111In, radiolanthanide 계열의 chelator로서 이용된다. 그러나 최근 기능기가 두 개 이상인 킬레이터(bifunctional chelator)에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 연구의 일환으로 캐나다의 한 연구팀은 bifunctional chelator를 합성하여 Ga를 킬레이팅하였다고 JACS 2010년 10월 20일자 online판에 발표하였다. 연구팀은 선형의 hexadentate chelate ligand H2dedpa와 그의 유도체를 합성하여 68Ga와 이것의 모델 동위원소인 67Ga를 실온에서 10분 안에 정량적으로 Ga 아이소톱을 킬레이팅하였다. DOTA의 경우 Ga를 정량적으로 킬레이팅하기 위해서는 열을 가해야 한다는 단점이 있다. 연구팀은 생체 내에서의 [Ga(dedpa)]+ 안정성(stability)을 확인하기 위해 과량의 인간유래 apo-Transferrin 단백질에서 in vitro 실험을 한 결과 2시간 이후에도 97 % 이상의 혼합체가 안정함을 확인하였다. in vivo 테스트를 통해 30분 안에 주로 신장을 통해 배출되는 결과를 얻어 실제 의약용으로의 사용 가능성을 확인하였다.