단백질의 모양을 알아 내면 과학자들은 그것이 어떻게 작동하고 질병이 일어나는지 이해할 수 있다. 헌팅턴병을 일으키는 단백질인 헌팅틴(헌팅틴)은 규명하기 어려운 타깃이다. 전자 현미경을 사용한 최근의 연구는 헌팅틴의 놀라운 모습을 보여주며 향후 연구를 위한 정보를 제공한다.

보는 것이 믿음 것이다.

단백질은 매일 중요한 일을 하는 기계와 같이 우리의 세포에서 그러한 일들을 수행한다. 단백질의 정확한 삼차 모양 또는 구조는 특별한 작업을 수행할 수 있는 능력을 제공한다. 헌팅턴병을 일으키는 단백질인 헌팅틴 단백질은 구조의 한쪽 끝에 글루타민이라는 아미노산으로 구성된 ‘꼬리'를 가지고 있다. 꼬리가 비정상적으로 길면 돌연변이 헌팅틴이라는 병인 단백질이 생선된다. 우리는 비정상적 글루타민의 증가가 어떻게 병을 유발하는지 정확히 이해하지 못했다. 지금까지 과학자들은 헌팅틴의 기능을 연구함으로써 병인 헌팅틴의 기능을 이해하려했고, 헌팅틴을 눈으로 볼 수 있다면 더욱 더 중요한 단서를 줄 수 있을 것이다.

왜 헌팅틴이 어떻게 생겼는지 알고 싶을까?

헌팅틴이 어떻게 생겼는지 알아내는 데는 두 가지 주된 이유가 있다. 첫째, 헌팅틴의 구조를 알고 있다면 정상적인 헌팅턴의 작동 방식과 이것이 헌팅틴병에서 어떻게 잘못 되어지는지에 대한 힌트를 얻을 수 있을 것이다. 이 정보는 향후 연구를 계획하고 새로운 발견을 가속화 할 수 있을 것이다. 둘째, 헌팅틴의 구조에 대한 매우 상세한 정보가 있다면, 독성 돌연변이 헌팅틴을 표적으로 삼는 약물을 고안하는 것이 가능할 수 있다.

왜 그렇게 어려운가?

단백질은 너무 작아서 직접보는 것은 불가능하다. 헌팅틴 단백질 하나를 눈으로 볼 수 있을 만큼 즉 수박정도의 크기로 확대할 수 있다면, 수박을 미국의 크기 만큼 확대하는 것과 같을 것이다. 현존하는 최상의 광학 현미경으로도 단일 헌팅턴 단백질을 보는 것은 불가능한다. 전자는 원자의 가장자리를 돌고있는 매우 작은 입자이며 현미경에 사용될 수 있다. 빛이 하나의 단백질 주위를 지나가는 동안 전자는 단백질로부터 강한 강압감을 받게되는데 이때 단백질을 감지하여 이미지를 만드는데 사용될 수 있다. 그래서 전자를 관찰할 수 있는 전자 현미경을 통하여 헌팅틴 단백질 구조 관찰이 가능하고 하버드 의과대학 성인식 박사가 이끄는 국제 연구자 팀이 이를 이용한 연구를 선도하고 있다. 우선, 성인식 박사는 곤충 세포를 유전적으로 조작하여 사람 헌팅틴 단백질을 과발현할 수 있도록 유도한 후 이세포로부터 사람 헌팅틴 단백질을 순수 분리했다. 그다음 헌팅틴 단백질을 작은 금속 격자에 넣은 후 전자 현미경을 사용하여 그리드를 찍으면 거친 이미지의 작은 하얀색 물제가 확인된다. 이것 첫 헌팅틴 단백질의 모습이다.

“헌팅틴 단백질은 유연성이 있는 것 같고 주변의 조건에 따라 모양이 변하는 것 같다. ”

헌팅틴은 요가를 좋아하나?

지금까지는 잘 진행되었지만 연구자들은 또 다른 문제에 직면 하게됐다. 개개인의 헌팅턴 단백질사진을 찍어 비교하면 모두가 다른 모양이었다. 달리 말하면, 헌팅틴 단백질은 유연성이 있는 것 같고 주변의 조건에 따라 모양이 변하는 것 같다. 헌팅틴의 모습을 개선하기 위하여, 그들은 '평균화'라고 불리는 전자 현미경 학자들이 주로 사용하는 기법을 적용했다. 그들은 컴퓨터를 사용하여 모든 헌팅틴 분자의 약 10,000 개의 이미지를 결합하여 모든 사람들에게 가장 공통적인 특징을 이미지화 했고 이것은 헌팅틴 단백질의 보편적인 모습을 제시하였다. 즉 사람들의 얼굴 사진을 많이 겹쳐서 표시하는 것과 비슷한 방법으로 개인적인 표현의 특징은 남아있지 않지만 보편적인 모습 즉 중요한 포인트를 확인할 수 있게한다. 마지막 작업으로, 3D 구조화를 통하여 헌팅틴 단백질이 두 개의 팔을 가지고 있는 것을 확인했고, 팔은 서로에 대해 구부러지고 서로 닿을 수있는 '힌지'에 의해 연결되어 전체적으로 구형과 유사한 것을 만들어내는 것으로 나타났다. 연구자들은 정상과 돌연변이 헌팅틴 구조를 비교한 결과 모양에 작은 차이가 있는 것을 확인하였고 이러한 미세한 차이가 영향을 미칠 수 있는 것으로 생각하였다. 다른 한 연구에서, 연구원들은 화학물질을 이용하여 헌팅틴 단백질에 글루타민을 붙여 돌연변이헌팅턴 단백질을 제작하였다. 그들은 이렇게 정상 헌팅틴 단백질에 글루타민의 수를 늘릴 경우 헌팅틴의 두 팔의 굽힘이 바뀌는 것을 발견했다. 글루타민이 함유된 팔은 덜 위로 휘었고 다른 팔은 위로 휘었다. 정확하게 이것이 의미하는 바는 아직 명확하지 않지만, 단백질 한 부분의 작은 변화가 단백질 전체에 대한 결과를 가져올 수 있음을 시사한다 -잠재적으로 중요한 발견이며 글루타민이 길어진 헌팅턴이 어떻게 변이되는지 설명하는데 도움이 될 수 있다.

한계점과 다음 과제

헌팅틴 연구를 위해 단백질의 안정화 작업이 진행되고 이러한 과정에 화학 물질이 처리된다. 또한 현미견 관찰을 위한 화화 물질이 처리되는 이러한 화학 물질 처리가 헌팅틴의 구조를 변형 시키고 기능에 영향을 주게 된다. 동결을 통한 단백질 안정화 방법을 통해 이러한 문제점을 해결할 수 있으나 추후 연구가 필요하다.

다음 단계는 무엇일까?

성인식 박사와 그의 동료는 헌팅틴 구조를 규명하였으나 아직까지 약물 설계에 유용할 정도로 상세하지는 않다. 그러나 전자 현미경 성능이 발전하고있어 머지않아 헌팅틴 구조가 명확히 규명 될 것이고 헌팅틴의 구조에 대한 자세한 지식은 헌팅틴병에서 무엇이 잘 못되었는지 이해하는데 중요한 실마리를 제공할 것이다.

본 한글 기사는 영어원문을 의역하여 번역된 것으로서 일부 내용은 추가설명이 포함되거나 생략된 부분이 있을 수 있습니다.

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