쓰레기장과 골동품점을 찾아 헤매기를 좋아하는 사람들은 다른 사람들이 버린 물건 중에서 보물을 발견할 수 있다는 사실을 알고 있다. 지금 이러한 일이 단백질 화학에서 일어날 수 있다는 사실을 단백질 화학자들은 발견하고 있다. 수십년 전 단백질 화학자들은 용액 속의 단백질들은 불용성의 덩어리를 형성할 수 있는 경향을 가지고 있다는 사실을 알았으며, 이들을 연구하기 위해서 많은 노력을 하였다. 생화학자들에게 이러한 덩어리는 시험관의 바닥에 생기는 오물이었으며, 버리고 싶은 대상이었다고 스미스 클라인 비첨 제약회사(SmithKline Beecham Pharmaceuticals)에 있었던 단백질 화학자, 론 웨젤은 말한다. 그러나, 지금은 그 오물이 새로운 의미를 가지기 시작하였다.

지난 몇 년 동안 단백질에서 폴딩(folding, 단백질이 3차원적으로 구조를 형성하는 것)이 이루어지는 방법에 대한 연구로 인해서 많은 연구가들은 단백질 응집이 시험관에서 생기는 방법과 단백질이 소위 아밀로이드 침적(많은 질병의 주요 원인이며, 대표적인 기억 장애인 알츠하이머 병의 원인이다.)을 형성하는 방법이 매우 유사하다는 것을 알게 되었다. 모든 단백질들은 아미노산으로 구성된 긴 줄의 형태로 만들어지지만, 이러한 선형의 분자들은 정상적으로 그들의 아미노산으로 결정되는 특이한 3차원적인 구조를 가지게 된다.

그러나, 새로운 연구에 의하면 시험관에서 생기는 단백질 응집과 아밀로이드 질병은 정상적인 단백질 폴딩이 잘못되는 경우에 일어나는데, 이는 불완전하게 폴딩된 단백질 분자들이 서로 결합하여 불용성의 단백질 덩어리를 형성하기 때문에 생기게 된다. 실험실에서는 이러한 단백질 덩어리가 골치덩어리에 불과하지만, 생체 조직에서는 초기 폴딩의 변화나 최종 구조의 불완전성을 초래하는 돌연변이에 의해서 이러한 단백질 덩어리가 생기게 되면 이것은 최종적으로 생명을 위협할 수도 있다.

이러한 새로운 지식은 아밀로이드 질병에 대한 치료를 가능하게 해 준다. 몇 년 동안 연구가들은 시험관에서 단백질이 응집하는 것을 막는 방법을 연구하였으며, 이와 같은 방법을 알츠하이머 병을 포함한 아밀로이드 질병에서 치료를 위해서 사용할 수 있다. 단백질 응집은 몇몇 단백질만의 동떨어진 상태도 아니고 대학원생의 기술적 실수도 아니며, 아밀로이드 질병에 대한 이해와 치료의 시작이라고 MIT의 단백질 생화학자, 조나단 킹은 말하고 있다.

단백질 응집에 대한 이러한 새로운 관점은 다소 놀랍게도 단백질 화학자나 아밀로이드 질병 전문가에게서 비롯된 것이 아니고, 생물 공학 산업에서 비롯되었다. 1960년대 이래로 단백질 화학자들은 단백질의 한가지 아미노산 서열은 한가지 구조만을 가진다는 기본적인 생각을 가지고 있었다. 더욱이 故 크리스챤 안핀센은 용액 내에서 얻어지는 단백질의 최종적인 3차구조는 아미노산 서열에 의해서 결정된다는 1960년에의 NIH에서 연구로 1972년에 노벨상을 수상하였다.

그러나, 1970년대 말에 재조합 DNA 기술을 이용하여 인간의 성장 인자나 인슐린과 같은 다양한 단백질을 미생물에서 생성하게 한 연구가들은 새로운 환경에서 적당한 구조를 가진 단백질을 얻는 것이 간단한 일이 아니라는 사실을 발견하였다. 미생물에서 생성된 외래 단백질들은 종종 정상적인 구조를 가지는 대신에 불용성의 세포 봉입체(inclusion body)를 형성하게 되는데, 이것은 단백질들이 부정형으로 서로 연결된 가망성 없는 단백질 덩어리이다. 킹은 이를 두고 미생물 세포 내에서 익은 계란 같은 형태로 최후를 맞이한다고 표현한다. 그리고, 단백질이 정상적으로 폴딩되지 않는 한 정상적인 활성을 가지지 않기 때문에 생물 공학자들은 이러한 세포 봉입체가 생기지 않게 하기 위해서 세포 봉입체가 어떻게 생성되는 지 밝혀내기를 원했다.

그 당시에는 알지 못했지만 어떤 일이 발생하는지에 대한 증거들이 이미 문헌에 보고되어 있었다. 그 예로 1970년대에 파리, 파스퇴르 연구소의 미셸 골드버드는 키모트립시노겐(chymotrypsinogen)으로 알려진 단백질을 연구하였다. 이 단백질은 일반적인 단백질 분해효소인 키모트립신(chymotrypsin)의 비활성 전구체이다. 골드버드와 그의 동료들은 키모트립시노겐을 정상적인 3차구조를 푼 다음(단백질 화학에서는 이를 변성(denaturation)했다고 표현함)에 이 단백질이 어떻게 다시 폴딩이 이루어지는지를 발견하고자 하였다. 그러나, 폴딩 대신에 변성된 키모트립시노겐에서는 응집 반응이 일어났다고 골드버그는 말한다.

더 많은 연구들에 의하면 단백질은 실제로는 정상적인 폴딩을 시작하지만, 불완전하게 폴딩된 단백질이 서로 접촉하고 있으면 이 단백질들은 폴딩이 수행되기보다는 응집 반응이 일어난다. 그 예로 골드버그와 그의 동료들은 단순히 용액 내의 단백질 농도를 낮춤으로써 폴딩의 중간 생성물들이 서로 접촉할 수 없도록하여 단백질이 정상적으로 폴딩되는 비율을 높였다. "이것은 응집물의 형성이 폴딩이 잘못된 단백질에 의해서 생기는 것이 아니라는 것을 의미한다."고 골드버그는 말한다. 그리고 골드버그 팀은 또한 단백질의 응집이 매우 특이적이라는 사실을 관찰하였다. 미생물의 트립토판 분해효소(tryptophanase)라는 다른 단백질을 이용하여 폴딩의 중간 생성물은 오직 같은 종류의 단백질과 결합하며, 다른 단백질과는 결합하지 않는다는 사실을 발견하였다.

그러나, 골드버그와 그의 동료들이 1974년과 1978년에 이러한 발견에 대해서 논문을 발표하였으나 아무도 이러한 사실에 관심을 기울이는 사람은 없었다. 그러나, 지난 몇 년 동안 연구가들은 골드버그의 실험을 바탕으로 연구하기 시작하였다. 최근에 수행되는 연구들에 따르면 단백질 응집의 특이성은 단백질 분자 내 특정한 아미노산 사이의 상호작용에 의존한다.

이러한 증거들은 단백질의 아미노산 서열에서 작은 변화가 단백질 응집을 촉진시키거나 억제할 수 있다는 실험들에 의해서 얻어졌다. 그 예로, MIT에서 킹과 그의 동료들이 1981년에 세균 바이러스에서 코오트 단백질(coat protein, 바이러스 외각에 존재하는 단백질)이 어떻게 모이는가에 대해서 연구하던 중에 온도 감수성 폴딩 돌연변이를 발견하였다. 한 개의 아미노산 변화에 의해서 생기는 이러한 돌연변이를 가진 바이러스 코오트 단백질은 저온에서는 정상적으로 폴딩이 이루어진다. 그러나, 정상적인 단백질에게는 영향이 없는 높은 온도에서 돌연변이 단백질들은 구조가 풀려서 응집물을 형성하게 된다. 이것은 폴딩이 아미노산에 의해서 결정되는 것처럼 응집 반응도 아미노산에 의해서 이미 결정되고 있다는 사실과 코오트 단백질에 있는 아미노산의 특정한 부위가 응집 반응을 일으키는 데에 관여한다는 사실에 대한 강력한 증거라고 킹은 말한다.

그리고, 1980년 중반에 미시간 주, 칼라마주 시의 Upjohn Corp.에 있던 데이비드 브렘스와 그의 동료들은 작은 범위의 아미노산 변화가 또한 응집 반응을 방지할 수 있다는 사실을 발견하였다. 시험관 연구에서 소의 성장 호르몬에서 한 개의 아미노산을 바꿈으로서 폴딩에는 영향을 주지않고 응집 반응만을 완벽하게 억제된다는 것을 실험으로 보였다. 이러한 결과들은 단백질 응집 반응이 사람들이 생각하는 것처럼 비특이적인 덩어리로 구성되어있지는 않다는 것을 보여주고 있다고 MIT 생화학자 피터 란스버리는 설명한다.

같은 시기에 이러한 상호작용이 정상적인 단백질 폴딩에서도 일어날 수 있다는 생각은 세포들은 새로 생성된 단백질이 최종적인 3차구조를 가지기 전에 다른 단백질과 결합하는 것을 막기위한 장치를 진화시켰다고 보여주는 여러 연구들과 관계가 있다. 그 예로 지난 몇 년동안의 연구에 의하면 세포들은 새로 합성된 단백질과 결합하여 단백질이 올바른 폴딩 과정을 수행하도록 도와주는 "샤페로닌(chaperonin)"이라는 단백질을 가지고 있다. "샤페로닌은 폴딩 중간 생성물이 회복 불능의 상태로 들어서는 것을 방해한다. 그러나, 미생물에서 생성된 포유동물의 단백질이 폴딩 과정에서 응집되는 것은 미생물은 포유동물의 단백질을 인식할 수 있는 샤페로닌을 가지고 있지 않기 때문이다."라고 킹은 말한다.

브렘스와 킹, 그리고 다른 이들은 단백질 응집 경로의 특이성을 설명하였고, 한편 스미스클라인의 웨젤과 텍사스 A&M 대학교의 제프리 켈리는 이 새로운 정보를 아밀로이드 질병에서 비정상적인 단백질 침적을 일으키는 원인을 이해하는데에 이용하였다. "아밀로이드 원섬유(amyloid fibril)는 비정상적인 다른 구조를 가진 단백질로 구성되고 있기 때문에 사람들이 이러한 조건에서 아밀로이드 질병을 연구하지 않았던 것은 매우 이상한 일이다."라고 켈리는 말한다.

불용성 침전물은 단백질이 용액이나 결정 구조를 이루고 있어야만 하는 일반적인 단백질 분석 기술을 이용할 수 없다는 것이 하나의 문제이다. 그래서 아밀로이드 전문가들은 돌연변이가 아밀로이드 침적에 영향을 줄 수 있다는 사실을 알았지만 이러한 돌연변이가 단백질 응집을 어떻게 초래하는지에 대해서는 거의 알지 못했다.

그리고 킹이 지적한 것처럼 신경생물학자와 아밀로이드 질병을 연구하는 사람들이 문헌 상에서 본 내용들은 비교적 최근까지 응집물들을 가치없는 존재라고 생각하고 있었기 때문에 이들에게 많은 도움이 되지는 못했고, 설령 그러한 내용을 담고 있는 논문이라고 하더라도 그 수가 매우 적어서 단백질 화학 분야의 전문가가 아니면 이를 쉽게 알아채지 못했다. "아밀로이드나 알츠하이머 섬유를 연구하면서 단백질에 관심이 있던 일반적인 신경학자들이 단백질 폴딩에 관해서 논문을 조사하였다고 하더라도 응집 단계가 없는 전형적이 단백질 폴딩에 대한 관점만을 얻게 되었을 것이다."라고 킹은 말한다.

켈리는 가장 잘 연구된 아밀로이드 형성 단백질 중 하나인 트랜스티레틴(transthyretin)을 가지고 연구하였다. 정상적으로 혈장 내에 존재하는 이 단백질에 대한 50 종의 돌연변이들은 심장, 허파, 장등의 기관에서 침적되어 기관 기능 장애를 일으켜 사람을 죽게하는 familial amydiotic polyneuopathy(FAP)라는 질병을 일으켜 죽게 한다. 영국, 캠브리지 대학교의 콜린 블레이크와 인디아나폴리스, 인디아나 대학교 의과대학의 진 해밀톤이 이끄는 두 팀에서 밝힌 최근의 X-선 결정학 연구에서처럼 이들 돌연변이들은 단백질의 정상적인 폴딩을 바꾸지는 않는다. 그러나, 켈리의 연구는 이들 돌연변이들은 단백질의 구조를 불안정하게 하여 서로 쉽게 서로 응집되는 폴딩 중간 생성물을 형성하는 것을 촉진시킨다는 것을 암시한다.

켈리가 말한 것처럼 원래의 단백질은 4 개의 동일한 단백질로 구성된 4위체(tetramer, 4 개의 단위로 구성된 복합체)이다. 텍사스 A&M 팀은 시험관에서 이들 단량체들은 산성의 조건에서 서로 분리된다는 것을 밝혔다. 이러한 단량체는 부분적으로 구조가 풀리고, 구조상으로 내부에 존재하던 아미노산들이 밖으로 노출되면서 이 단량체들이 서로 결합하여 트랜스티레틴 아밀로이드 침적에서 보이는 응집 반응을 보인다.

트랜스티레틴 돌연변이는 이러한 분리와 구조의 풀림을 유도해서 아밀로이드 형성을 유도한다고 켈리는 말한다. 켈리와 그의 팀은 이러한 돌연변이를 가지고 있는 단백질들은 정상적인 단백질보다 더 쉽게 부분적으로 구조가 풀린 단량체로 분리되어 아밀로이드로 응집 반응이 일어나게 한다는 것을 밝혔다.

이와 유사한 현상이 웨즐이 연구한 2 개의 아밀로이드 질병(light chain-related amyloidosis, light chain deposition disease)에서도 일어난다. 이 두 질병은 항체를 형성하고 있는 2 개의 단백질 중에서 가벼운 단백질(light chain)들을 포함하고 있으며, 웨즐과 그의 동료들은 아미노산 1 개의 변화로 생긴 돌연변이가 구조를 불안정하게 하여 응집 반응이 일어나게 한다는 것을 밝혔다.

항체의 경쇄(輕鎖, light chain) 질병들과 FAP는 상대적으로 희귀한 질병(1만에서 10만명 중에서 1명)인데 반해서 미국 내에서만 4백만명이 고생받고 있는 알츠하이머 병에서도 부분적으로 구조가 풀린 단백질의 응집 반응이 일어나고 있다. 알츠하이머 병에서의 침적은 FAP와는 다소 다른 방법으로 인해 생긴다.

기억 장애를 가진 사람들의 뇌에는 플라크(plaque)라고 불리는 비정상적인 구조가 점점이 박혀있으며, 이것이 아밀로이드 단백질 침적의 중심이다. 몇 년 동안 신경생물학자들은 β 아밀로이드라고 하는 작은 단백질 섬유로 구성된 침적이 알츠하이머 병에서의 신경세포 퇴화를 초래하는 것인지 아니면 신경 세포 분해의 2차적인 산물인지에 대해서 논쟁을 벌여왔다. 그러나, 약 5년전 한종류의 실험 결과에 따르면 β 아밀로이드 침적이 주요한 원인이다.

약 40 개의 아미노산으로 구성된 β 아밀로이드는 더 커다란 단백질인 아밀로이드 전구체 단백질(APP)가 잘려지면서 생기게 된다. 그리고 1991년에 런던, St. Mary 의과 대학의 신경유전학자 존 하디가 이끄는 연구팀은 초기에 발병하는 알츠하이머의 한 유전형은 APP의 돌연변이에 의해서 초래된다는 사실을 발견하였다. 그러나, 알츠하이머 병의 발병에서 이 단백질이 중요하다는 것을 보여주기는 하지만, 뇌의 퇴화를 초래하기 위해서 이 단백질이 어떻게 행동하는지에 대해서는 밝히지 못했다.

그러나, 그 이후로 하버드 의과 대학의 데니스 셀코와 플로리다 주, 잭슨빌에 있는 마요 클리닉의 스테펀 윤킨은 APP가 모든 사람에게서는 β 아밀로이드로 잘려지지만 알츠하이머 환자에게는 일어나지 않는다는 것을 보였다. 더욱이 하디가 동정한 돌연변이 뿐만 아니라, 다른 사람이 최근에 동정한 다른 APP 돌연변이에서도 β 아밀로이드의 생성이 증가한다. 셀코는 과량의 β 아밀로이드 생성은 골드버그의 실험에서처럼 폴딩 중간 생성물의 양이 많아지면서 이 중간 생성물이 응집 반응을 나타내어 침적을 생성할 것이라고 생각하고 있다.

비정상적인 단백질 폴딩은 양에서 발생하는 스크래피, 광우병, 인간에서의 크구츠펠트-야콥 병와 같은 감염성 질병에서도 보고되고 있다. 오랫동안 바이러스학자들은 뇌에서 침적이 일어나서 치매를 초래하는 조건이 느리게 행동하는 바이러스가 초래한다고 생각했었다. 그러나, 그들은 바이러스 감염원을 발견하지 못했으며, 많은 연구가들은 샌프란시스코의 캘리포니아 대학(UCSF)의 스탠리 프루시너가 제안한 설명을 받아들였다. 이 설명은 프루시너가 프리온이라고 명명한 감염 입자는 바이러스가 아니며 핵산이 없는 순수한 단백질이라는 내용을 포함한다.

연구가들이 단백질 응집 가설을 프리온에 적용한 이유는 프리온 단백질은 정상적인 형태와 뇌에서 응집 반응으로 생성되는 침적에서 발견되는 2 가지 형태를 가지고 있기 때문이었다. 연구가들은 프리온 단백질 유전자에 돌연변이를 도입하여 생긴 프리온 돌연변이가 정상적인 프리온가 만났을 경우에 비정상적인 구조가 유도될 것이라고 생각했다. 이것은 뇌에 비정상적인 단백질을 주입하였을 때에 아밀로이드 침적과 뇌의 퇴화가 일어나는 현상을 설명할 수가 있다. "정상적인 구조와 응집 반응을 일으켜서 문제를 초래하는 구조가 있다."고 프루시너와 함께 일하고 있는 UCSF의 생화학자 프레드 코헨은 말한다.

그러나, 지금까지 프리온 가정은 가장 큰 장애물의 주변만을 맴돌고 있었다. 즉, 서로 다른 특징을 가지고 질병을 일으키는 여러 가지 감염원이 있다. 그 예로, 어떤 것들은 다른 것들보다 훨씬 더 긴 배양 시간을 나타낸다. 이러한 종류의 감염원들은 세대간 또는 동물 사이에서 일정하게 유지되는 특성을 가지면서 전해지게 되는데, 이는 핵산 게놈을 포함하지 않고서는 설명이 불가능한 사실이다.

프루시너와 다른 연구가들은 감염원 차이가 프리온 단백질의 구조 차이에서 기인한다고 생각하고 있으며, 지난 여름에 몬타나 주, 해밀톤에 위치한 NIH 목키 산맥 연구소의 란스버리와 바이런 코이는 이러한 생각을 뒷받침하는 증거를 제시하였다. 이들은 2 종류의 다른 프리온에 각각 감염된 햄스터의 뇌에서 프리온 단백질을 얻은 후에 이를 정상적인 햄스터에서 얻은 프리온 단백질과 함께 시험관에서 서로 섞었다. 효소 분석은 정상적인 프리온이 접촉하고 있는 비정상적인 프리온에 따라서 정상적인 프리온이 3차구조를 가진다는 것을 보여준다. "우리는 세포가 없는 조건에서도 감염원에 특이적으로 구조 전환 반응이 일어난다는 사실에 매우 놀랬다."고 코이는 말한다. 이는 감염원의 특징은 단백질에 의해서 결정되며 프리온 가설에서의 중요한 장애물을 제거하는데에 도움을 줄 것이라는 사실을 보여준다.

비정상적인 단백질 폴딩이 아밀로이드 질병을 야기시킨다는 증거가 늘어가면서 연구가들은 단백질의 잘못된 폴딩을 막는 방법을 통해서 치료하는 분야로 그들의 관심을 돌리고 있다. 실제로 β 아밀로이드 첨전이 알츠하미머 병을 초래한다는 것에 대한 최종적인 방법은 이러한 처리뿐이라고 셀코는 말한다.

단백질의 잘못된 폴딩을 막기 위한 가장 분명한 접근은 아밀로이드를 만드는 중간생성물과 결합하여 응집 반응을 억제할 수 있는 작은 분자나 단백질을 만든것이라고 켈리는 말한다. 실제로 생물공학 회사들은 이러한 약을 만들려고 노력하고 있으나 소유권의 이유로 이러한 결과를 공식적으로 발표하지는 않고 있다. "이러한 연구는 특허권과 관련이 있다. 회사들은 이러한 연구를 위해서 노력하고 있으나, 공식적으로 논문으로 발표하지는 않았다."고 켈리는 말한다. 그러나, 이러한 연구가 진행되고 있다고 한다면 단백질 화학자들과 신경학자들은 시험관 밑의 쓰레기가 보물을 가지고 있다는 사실을 발견하게 될 것이다. - 게리 토브 -

참고 문헌

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