거대 단백질 포획하기: 헌팅틴을 잡는 다섯 가지 새로운 방법

헌팅턴병(HD)은 헌팅틴이라는 단일 유전자의 변화로 인해 발생해. 이 유전자는 헌팅틴 단백질을 만드는 지시를 담고 있어. HD 유전자가 발견된 지 30년이 넘었지만, 과학자들은 건강한 세포에서 헌팅틴 단백질이 정확히 무엇을 하는지, 그리고 HD 버전이 어떻게 질병을 유발하는지 여전히 알아내려고 노력하고 있어.

진전이 이렇게 느린 한 가지 이유는 헌팅틴을 연구하기가 정말 어렵기 때문이야. 크기가 엄청나게 크고 복잡하게 접혀 있으며, 과학자들이 가지고 있던 도구로는 잘 잡을 수 없었어. 새로운 연구에서 캐나다와 일본의 한 팀은 다섯 가지 다른 지점에서 헌팅틴을 잡을 수 있는 거대 고리라고 불리는 작은 단백질 고리 형태의 아주 새로운 화학 도구를 만들었어. 그렇다면 그들은 무엇을 만들었고, 무엇을 배웠으며, 이것이 HD에 왜 중요할까?

보기 어려운 거대 단백질

이러한 어려움을 이해하려면 헌팅틴을 상상해 보는 것이 도움이 돼. 대부분의 단백질이 하나의 기능을 가진 평범한 가전제품과 같다면, 헌팅틴은 동시에 여러 작업을 지원하도록 만들어진 완전한 주방과 같다고 할 수 있지.

이것은 구부러진 다리로 연결된 두 개의 큰 덩어리로 접히는 매우 긴 사슬이야. HD를 유발하는 유전적 변화는 헌팅틴 단백질의 맨 처음에 위치하는데, 글루타민이라는 구성 요소로 이루어진 짧은 반복 서열이 비정상적으로 확장되는 부분이지. 사람들은 보통 20~35개의 글루타민을 가지고 있지만, HD에서는 그 수가 35개를 넘어 50개, 80개 또는 그 이상에 달할 수 있어.

헌팅틴은 몸에서 많은 일을 해. 세포 내에서 물질을 이동시키고, 세포 분열을 가능하게 하며, 노폐물을 청소하기도 해. 하지만 이것이 정확히 어떻게 이 모든 것을 하는지는 아직 몰라.

한 가지 확실한 것은 헌팅틴에게는 HAP40이라는 가장 친한 친구가 있다는 거야. HAP40은 헌팅틴에 달라붙는 작은 단백질로, 결합 파트너로 알려져 있어. 지금까지 HAP40은 과학자들이 상세한 구조적 그림을 가지고 있는 유일한 결합 파트너였지. 헌팅틴이 다른 무엇을 하고 누구와 함께하는지 밝혀내는 것은 헌팅틴을 잡을 수 있는 날카롭고 특이적인 도구가 부족했기 때문에 제한적이었어.

분자 갈고리 만들기

더 나은 도구를 만들기 위해 과학자들은 RaPID라는 영리한 시스템을 사용했어. RaPID를 작은 펩타이드(단백질의 작은 조각)와 헌팅틴 사이의 거대한 스피드 데이팅 파티라고 생각해 봐. 연구팀은 약 1조(1 뒤에 0이 12개!) 개의 서로 다른 작은 펩타이드의 초대형 컬렉션을 만들었어.

각 펩타이드는 고무줄처럼 닫힌 고리 모양으로 구부러져 있었어. 구부러진 종이 클립이 물체를 걸 수 있는 반면, 곧은 철사는 그냥 미끄러지듯이, 고리 모양이나 접힌 모양은 곧은 가닥보다 물건을 더 쉽게 잡을 수 있지.

모든 작은 펩타이드 고리에는 DNA로 만든 자체 이름표가 붙어 있었어. 그래서 고리가 헌팅틴에 결합했을 때, 과학자들은 그 이름표를 읽고 정확히 어떤 펩타이드인지 알 수 있었지. 그들은 고리 펩타이드 컬렉션을 헌팅틴에, 단독으로 또는 친구 HAP40과 결합한 상태로 노출시키는 여러 차례의 “낚시”를 했어. 그들은 가장 끈적한 것들로 범위를 좁혔고, HL2, HL5, HD4, HHL1, HHD3의 다섯 가지 고리 펩타이드가 최고의 헌팅틴 결합체로 나타났어.

각 펩타이드 고리가 정확히 어디에 붙는지 확인하기

헌팅틴에 달라붙는 펩타이드 고리를 찾는 것은 첫 번째 단계일 뿐이야. 다음으로, 과학자들은 각각이 헌팅틴을 어디에, 얼마나 단단히 잡는지 알고 싶었어. 그들은 이것을 알아내기 위해 세 가지 멋진 방법을 사용했지.

• 고리가 얼마나 강하게 붙어 있는지 측정하는 테스트. 다섯 개의 고리 모두 매우 단단히 붙어 있었고, 유용한 도구로 사용될 만큼 충분히 강했으며, 심지어 독성 헌팅틴을 낚아낼 수 있는 잠재적인 약물의 출발점이 될 수도 있어.
• 고리가 단백질에 붙을 때 어떤 부분이 가려지는지 보여주는 HDX-MS라는 방법. 고리가 헌팅틴에 붙으면 특정 지점을 가려, 고리가 어디에 착륙하는지 과학자들이 알아내는 데 도움이 되는 “발자국”을 남기지.
• 극저온 전자 현미경(cryo-EM)은 단백질을 얼리고 단일 원자까지 볼 수 있을 정도로 선명한 3D 사진을 만드는 초강력 현미경이야. (정말 멋진 소리처럼 들리지.) 이것은 각 펩타이드가 헌팅틴 단백질과 정확히 어떤 접촉을 하는지 보여주었어.

그들이 발견한 것은 다음과 같아: 두 개의 고리(HL2와 HD4)는 가장 친한 친구 HAP40과 멀리 떨어진 지점에서 헌팅틴을 잡아.

다른 두 개의 고리(HHL1과 HHD3)는 HAP40이 있을 때만 작동하는데, 두 친구 사이의 작은 주머니에 끼어들어 숫자 8과 같은 모양으로 접혀서 맞춰지지.

마지막 고리(HL5)는 HAP40 없이 혼자 있을 때만 헌팅틴을 좋아해.

그리고 중요한 점은, 다섯 개의 고리가 건강한 헌팅틴과 확장된 헌팅틴을 똑같이 잘 잡았다는 거야. 이는 건강한 세포와 병든 세포 모두에서 단백질을 연구하기 위해 고안된 도구에 특히 유용해.

실제 세포에서 헌팅틴의 친구들 낚시하기

유용한 도구는 시험관에서뿐만 아니라 실제 생활에서도 작동해야 해. 그래서 과학자들은 펩타이드 고리에 작은 갈고리(바이오틴이라고 불림)를 낚싯줄의 낚싯바늘처럼 추가했어. 과학자들은 이 펩타이드를 미끼로 사용하여 접시에서 배양된 인간 세포에서 헌팅틴과 그에 달라붙는 다른 모든 것을 잡을 수 있는지 확인했지.

헌팅틴의 친구 중 HAP40이 다른 모든 것보다 훨씬 두드러졌어. 과학자들이 시도한 모든 세포 유형, 심지어 HD에서 손상된 세포와 유사한 뇌 유사 세포에서도 HAP40은 계속해서 나타났지. 더 긴 CAG 반복CAG 반복 헌팅턴병 환자에 나타나는 돌연변이 헌팅틴 단백질 발현의 원인이 되는 비정상적 CAG 서열의 반복(Q45 또는 Q81과 같은)을 가진 세포에서도 헌팅틴은 항상 HAP40에 붙어 있었어.

3,000개 이상의 다른 단백질이 헌팅틴과 접촉한다고 보고되었지만, 이 실험은 HAP40이 항상 실제로 존재하는 단백질임을 보여줘. 이는 헌팅틴과 HAP40이 대부분의 시간 동안 단일 단위로 기능하며, 세포 내 헌팅틴의 “실제” 형태는 거의 항상 헌팅틴-HAP40 쌍일 수 있음을 강력히 시사해.

이것이 헌팅턴병에 중요한 이유

이 새로운 고리들은 아직 약이 아니며, 과학자들도 그렇게 말하지 않으려고 조심하고 있어. 하지만 이것들은 많은 흥미로운 문을 열어주지.

첫째, 이 고리들은 과학자들이 이전에 헌팅틴에 달라붙고 시각화하는 데 사용했던 도구(항체라고 불림)만큼 잘 작동하지만, 더 작고 저렴하며, 헌팅틴의 한 부분이 아니라 여러 다른 부분을 잡을 수 있어. 또한 살아있는 세포 안으로 미끄러져 들어가 헌팅틴에 결합할 수 있을 만큼 작아서, 현재의 항체로는 할 수 없는 방식으로 살아있는 세포 내에서 헌팅틴을 연구할 수 있게 해줄 거야.

둘째, 이 펩타이드 고리가 헌팅틴에 달라붙는 고해상도 3D 사진은 미래 약물 설계를 위한 청사진과 같아. 예를 들어, 숫자 8 모양은 헌팅틴-HAP40 접점에서 두 개의 작은 주머니를 보여주는데, 미래의 약물은 이 주머니를 목표로 하여 잠재적으로 독성 헌팅틴을 “낚아낼” 수 있을 거야. 이 고리들은 또한 PROTAC(세포에게 헌팅틴을 쓰레기통에 버리라고 지시하는 도구) 또는 환자의 뇌 내부에서 헌팅틴을 시각화하는 데 도움이 될 수 있는 PET 추적자와 같은 멋진 새로운 도구의 “잡는” 부분으로 사용될 수도 있어.

셋째, 헌팅틴이 세포 내에서 거의 항상 HAP40과 함께 있다는 사실은 우리가 헌팅틴에 접근하는 방식을 재구성하게 해. 헌팅틴이 무엇을 하는지, 또는 헌팅틴이 변하여 독성을 띠게 될 때 어떻게 고쳐야 하는지 이해하려면, 아마도 헌팅틴 단독이 아니라 HAP40과 함께 연구해야 할 거야. 과학자들은 이제 헌팅틴이 HAP40 없이 기능할 수 있는지에 대한 미스터리를 조사할 더 날카로운 도구 세트를 갖게 되었어.

앞으로의 전망

모든 과학이 그렇듯이, 이 논문도 많은 질문을 남겨. 이 고리들은 건강한 헌팅틴과 HD 헌팅틴을 똑같이 잡기 때문에, 아직 해로운 종류만 표적화하는 방법을 알려줄 수는 없어. 이는 연구자들이 여전히 노력하고 있는 부분이지.

다음 단계는 살아있는 동물 내에서 테스트하고, 세포 안으로 몰래 들어갈 수 있도록 재설계하는 것이 될 거야. ACADVL 및 HEY1과 같이 헌팅틴의 새로운 잠재적 결합 파트너도 발견되었는데, 확인을 위해 더 많은 테스트가 필요해.

이 연구는 잡기 정말 어려웠던 단백질에 대한 완전히 새로운 도구 세트를 HD 커뮤니티에 제공해. 놀라운 현미경이 과학자들이 볼 수 있는 것을 변화시켰듯이, 이 작은 펩타이드 고리들은 건강과 질병, 그리고 치료법을 찾는 과정에서 헌팅틴 기능에 대해 우리가 물을 수 있는 것을 변화시킬 것을 약속해.

요약

• 헌팅턴병(HD)은 헌팅틴 단백질을 비정상적으로 길게 만드는 변화로 인해 발생해. 이 단백질이 무엇을 하는지는 아직 완전히 알려지지 않았는데, 크기가 엄청나게 크고 기존 도구로는 연구하기 어렵기 때문이야.
• RaPID라는 시스템을 사용하여 연구팀은 약 1조 개의 작은 고리 모양 단백질 조각을 테스트했고, 각각 다른 잘 정의된 지점에서 헌팅틴에 단단하고 특이적으로 달라붙는 다섯 가지를 식별했어.
• 고해상도 현미경은 고리들이 헌팅틴에 정확히 어떻게 부착되는지 보여주었어. 그중 두 개는 헌팅틴과 가장 친한 친구 HAP40 사이의 주머니에 맞도록 멋진 숫자 8 모양으로 접히기도 했지.
• 고리들을 사용하여 실제 인간 세포에서 헌팅틴을 “낚아냈을” 때, 세포 유형이나 CAG 반복CAG 반복 헌팅턴병 환자에 나타나는 돌연변이 헌팅틴 단백질 발현의 원인이 되는 비정상적 CAG 서열의 반복 길이에 관계없이 거의 항상 HAP40도 함께 잡혔어.
• 이 고리들은 비교적 저렴하고 작으며 유연해서, 미래의 HD 약물, 뇌 영상 도구, 그리고 해로운 헌팅틴을 파괴하는 새로운 방법을 만드는 데 도움이 될 수 있을 거야.