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단백질은 기본적으로 20가지의 아미노산이 사슬처럼 연결돼 형성된다. 이때 어떤 아미노산이 어떻게 연결되는냐에 따라 다른 단백질 분자가 생긴다. 그렇다면 사람의 몸 속에는 몇 종류의 단백질이 있을까. 인체를 구성하는 수조개의 세포 구성은 물론 생명현상을 주관하는 각종 화학반응이 단백질로 인해 이뤄진다. 따라서 인체 내 단백질의 수는 무궁무진할 것으로 예상된다.

하지만 단백질의 정확한 개수는 지금까지 밝혀지지 않고 있다. 과학자에 따라 10만개니, 15만개니 말들이 많지만 ‘최소 3만개 이상’이라는 표현이 가장 정확할 것이다. 지난 2001년 2월 인간게놈지도 초안이 발표된 결과, 사람의 유전자(단백질 합성의 정보를 간직한 DNA 부위)는 약 3만여개라고 밝혀졌다. 유전자에서 최소 1개 이상의 단백질이 만들어지므로 인체 내 단백질은 최소 3만개는 될 것이라는 추측이다.

수만개의 단백질이 생명체를 어떻게 조립하는지를 밝혀내는 일이 프로테오믹스 연구의 핵심 중 하나다. 수만개의 분자가 무작위로 조합되는 경우의 수는 헤아릴 수 없을 만큼 많다. 하지만 단백질은 생명체 안에서 무계획적으로 존재하지는 않는다. 일정한 질서에 따라 서로 조립되기도 하고, 기능적으로 연관돼 네트워크를 이루고 있다. 이 네트워크는 생명체의 상황에 따라 분자의 조합과 연관 관계를 달리하며 독특한 생명체를 구성한다.

인천공항이나 야후와 비슷한 개념

단백질 네트워크의 기본은 분자 간의 인지와 상호작용이다. 단백질 분자는 각각 서로 다른 분자를 인지할 수 있고, 적절한 상황에서 서로 결합해 공동작업을 펼친다. 따라서 단백질 같은 부품이 어떻게 조립돼 있어 이들이 생명체의 역동적인 기능을 하게 되는지, 이들이 질병과는 어떻게 관련돼 있는지를 밝히려면 단백질 사이의 네트워크를 규명하는 일부터 시작해야 할 것이다.

단백질이 이루는 네트워크의 실제 모습은 어떨까. 현재로서는 극히 일부의 연관성에 대한 정보만 밝혀져 있을 뿐, 정확한 모습을 이야기하기 어렵다. 그렇지만 현재까지의 결과를 정리해보면, 단백질 사이의 분자 네트워크는 불균일한 모습을 보인다. 즉 어떤 단백질은 다른 단백질에 비해 매우 많은 단백질과 연관돼 있음을 알 수 있다.

세포 내에서 다양한 기능을 하는 ‘포스포리파제D2’(PLD2)라는 단백질이 대표적 예다. 필자의 연구팀은 최근 PLD2가 세포 내에서 다른 단백질과 어떤 네트워크를 이루고 있는지를 밝혔다. PLD2는 세포막에 붙어 있는 작은 단백질로, 세포막(인지질)의 특정 부위를 분해하는 일을 주로 담당한다. 그런데 이 단백질과 직·간접적으로 연관돼 있는 세포 내 단백질은 수백가지가 넘는다.

세포가 건강하려면 끊임없이 세포 외부와 물질을 교환해야 한다. 하지만 세포는 지질과 인산 등으로 구성된 2겹의 세포막으로 둘러싸여 있다. 일종의 성벽으로 자신의 내부를 보호하는 것이다.

하지만 성안에 고립돼서는 오래가지 못하는 법. 세포도 외부와 소통할 수 있는 특별한 장치를 마련해놓고 있다. 바로 이것이 PLD2다. 즉 PLD2는 세포 외부에서 오는 세포 성장신호를 내부로 증폭하는 역할을 한다. 또한 신호물질을 만드는 세포에서는 호르몬같은 신호전달 물질이 세포 밖으로 나가기 위해 PLD2가 활성화되기도 한다. 이때 PLD2는 굳게 닫힌 세포막을 신호전달 물질이 저장된 막주머니와 융합시켜 배출 통로를 만드는 것이다. 또한 세포 자체가 커지기 위해서는 세포막의 확장이 필요하며, 최근에는 세포 외부의 스트레스에 적극적으로 대처하기 위해서도 세포막이 유동성 있게 움직인다는 보고도 있다.

이 같은 이유에서 세포 내 수백가지의 단백질은 세포막의 역동적 변화를 제어하는 PLD2와 어떻게든 연관을 맺고 있다. PLD2처럼 여러 단백질과 공통으로 네트워크를 이루고 있는 물질을 ‘허브 분자’(hurb molecule)라 한다. 인천공항과 같이 여러 항공편이 집중되거나, 인터넷 사이트 야후(Yahoo)가 여러 인터넷 사이트와 연결되는 경우와 비슷하다 해서 붙여진 이름이다. 허브 분자의 존재는 생명체도 어떤 단백질에게 더 많은 책임과 권한을 줘 세포 내 화학반응의 효율성을 높이려는 전략으로 해석되기도 한다.

신약 개발의 새로운 패러다임

이런 네트워크의 연구와 발견은 어떤 의미가 있을까. 생명체는 분자간 네트워크로 이뤄져 있으며 네트워크에서 가장 중요한 분자는 단백질이다. 어떤 단백질도 다른 분자와의 연관관계 없이 기능을 나타낼 수 없다. 어떤 세포가 어떤 네트워크를 만들 것인지는 어떤 단백질을 발현시키느냐에 따라서 결정된다. 신경세포가 근육세포와 다른 이유는 두 세포에서 발현되는 단백질의 종류가 다르기 때문이며, 이들 간에 이뤄지는 네트워크의 모습이 다르기 때문이다. 또한 식물이 동물과 다른 것도 같은 이유로 해석할 수 있다. 따라서 생명체 내에서 분자 간 네트워크의 발견은 생명체의 특성과 핵심 원리를 이해하는데 중요한 접근 방법이다.

세포의 성장에 중요한 단백질은 무엇이며 이들 간의 네트워크가 어떤지를 파악하면 사람의 성장뿐 아니라 암과 같은 질병의 원인을 아는데도 도움이 된다. 글리벡이라는 항암제는 백혈병 암세포에서 ‘BCR-ABL’이라는 단백질의 기능을 억제해 세포의 성장과 분열을 촉진하는 분자 사이의 네트워크를 방해한다. 또한 혈당량을 낮추는 인슐린이 근육이나 지방세포로 당을 흡수할 때 어떤 네트워크를 거치는지 알아내면, 당뇨병이나 비만과 같은 질병을 치료할 수 있는 결정적 아이디어도 얻을 수도 있다.

전통적인 신약의 개발 과정은 경험적으로 사용되는 물질을 이용하는 것이었다. 하지만 단백질을 총체적으로 파악하려는 프로테오믹스 연구가 활발한 현재는 좀더 체계적으로 신약을 개발하려는 추세다. 병의 원인이 되는 단백질을 발굴하고 이들이 연관된 네트워크의 원리를 파악해 질병 진단에 대한 아이디어와 미래의 신약 개발의 핵심 대상을 찾겠다는 전략이다.

효모가 전해준 결정적 힌트

단백질 사이의 네트워크는 어떻게 알아낼까. 이를 밝히기 위해서는 단백질 사이의 결합을 실험적으로 확인해야 한다. 이미 30여년 전부터 어떤 분자에 결합하는 다른 분자를 알아내는 기본 기술들이 사용돼 왔다. 하지만 이 기술은 시간이 너무 많이 걸렸고, 한번의 실험에 한 단백질만 확인할 수 있었다. 최근에는 빠른 시간 내에 대량의 단백질을 대상으로 단백질 사이의 네트워크를 알아내는 첨단 기술이 개발됐다. 이 방법은 단백질 연구에 혁명적 계기를 가져다줬고, 이 덕분에 프로테오믹스 연구가 폭발적으로 증가할 수 있었다. 크게 유전적 테크닉을 이용한 기술과 생화학적 방법을 이용한 기술이 있다. 먼저 유전적 방법을 알아보자.

유전적 방법의 기본 원리는 효모에서 유전자 발현을 통한 단백질이 만들어지는 과정을 이용하는 것이다. DNA의 특정 부위는 단백질 합성의 정보를 담고 있는데, 외부로부터 특정 신호가 오면 이 부위에서 단백질 합성의 메시지를 담은 전령RNA(mRNA)가 합성되기 시작한다. mRNA는 DNA로부터 단백질 합성 정보를 전달받은 뒤, 세포질로 나와 세포 내 단백질 합성기구와 결합해 단백질을 만든다(좀더 자세한 내용은 과학동아 2001년 4월호 브로마이드 참조).

효모의 단백질 합성 과정에는 2가지 단백질이 중요한 역할을 한다. 유전자 발현 조절 단백질과 RNA중합효소(RNA polymerase)가 그것이다. 유전자 발현 조절 단백질은 DNA의 특정 부위에 결합해 단백질 합성 시작 신호를 RNA중합효소에 전달하고, 이 신호를 받은 RNA중합효소는 DNA를 주형으로 mRNA를 만들기 시작한다. 그런데 ‘GAL4’라 불리는 효모의 유전자 발현 조절 단백질은 특이한 구조를 갖고 있다. 지난 1989년 송옥규 박사(현재 포항공대 연구원)는 미국 유학시절 지도교수인 필드 박사와 함께 GAL4 단백질에 주목하기 시작했다.

GAL4 단백질은 크게 두부분으로 나뉘는데, 하나는 DNA의 특정부위에 결합하는 부위(DBD, DNA-bindong Domain)고, 나머지는 RNA중합효소에 결합하는 부위(AD, Activation Domain)다. 이 두 부위는 원래 하나의 단백질(GAL4)에 있는데, 이를 유전자 조작으로 두부분으로 분리해 각각을 별도로 발현시킬 수 있다.

송 박사는 이 점에 착안해 ‘효모 2-하이브리드’(yeast 2-hybrid)라는 획기적 기술을 개발했다. DBD와 AD를 따로 발현시켜 여기에 각각 X, Y(임의의 단백질)라는 또다른 단백질을 붙이면 이 X, Y가 결합하느냐에 따라 효모에서 단백질의 발현 여부가 결정된다는 생각이다.

만약 X와 Y가 결합한다면 GAL4의 DBD와 AD는 정상적으로 결합하게 되고 결국 그 기능을 제대로 발휘해 효모에서는 ‘갈락토시다제’라는 단백질이 발현될 것이다. 이 단백질은 효모의 배지(효모를 키우는 겔 상태의 영양물질)에 포함된 X-gal이라는 기질을 푸른색으로 변화시킬 것이다. 그러나 X와 Y가 결합하지 않는다면 GAL4는 그 기능을 수행하지 못하고 결국 배지는 푸른색을 나타내지 않을 것이다.

이 방법의 장점은 대량의 단백질을 대상으로 그 결합 여부(X와 Y가 결합하는지)를 한눈에 알아볼 수 있다는 점이다. X와 Y에 해당하는 단백질은 종류와 숫자를 얼마든지 다양하게 조절할 수 있고, 이를 각각 DBD와 AD에 붙여 한번에 반응시키면 단백질의 종류에 따른 결합 여부를 배지의 색깔변화로 파악할 수 있다.

정확성 높인 미끼 속 2개의 낚시 바늘

한편 생화학적인 방법은 주로 구조를 이미 알고 있는 하나의 단백질을 고형 지지체에 붙여 여기에 결합하는 다른 단백질을 골라내는 원리를 이용한다. 쉽게 플라이 낚시를 생각하면 된다. 플라이 낚시는 파리처럼 생긴 모형 미끼 속에 숨겨진 낚시 바늘을 이용해 물 속의 물고기를 낚아 올린다. 이와 마찬가지로 특정 구조를 갖는 단백질(낚시 바늘)을 세포 속에 던져 낚시 바늘과 결합하는 단백질만 골라내는 원리다.

하지만 이 방법에는 단점이 있다. 단백질 결합은 공간적으로 서로 들어맞는 특이적 결합에 의해 이뤄지지만, 미끼가 없는 낚시줄, 낚시대와도 비특이적인 결합을 이룬다. 특정 단백질( )을 세포 속에 던졌을 때 이와 결합하는 단백질( )만 걸리면 좋을 텐데, 그렇지가 않다. 세포 속에는 수많은 단백질이 있으므로 낚시 바늘과 강력한 결합을 하는 단백질 이외에도 다른 단백질이 비특이적으로 낚시대나 낚시줄에 붙는다. 이렇게 되면 많은 단백질 중 어떤 단백질이 미끼 단백질과 결합하는지 파악하기 어렵다.

최근 독일의 세라핀 박사팀은 기존의 이같은 단점을 개선해 ‘TAP-태그’(Tandem Affinity Purification-tag)라는 방법을 개발했다. 모형 미끼로 쓰는 단백질의 유전자를 조작해 낚시바늘을 이중으로 만들었다. 모형 미끼 속에 1차 바늘과 2차 바늘, 두개의 낚시바늘을 숨긴 것이다. 먼저 첫번째 바늘을 이용해 세포 속의 단백질들을 낚아올린다. 이때 건져지는 물질에는 첫번째 바늘과 결합하는 특정 단백질 이외에도 낚시줄와 비특이적으로 결합하는 단백질들이 포함돼 있다. 다음은 낚시줄과 모형 미끼 사이에 미리 장치한 단백질 절단 부위를 이용해 건져올린 단백질 복합체(1차, 2차 바늘과 특정 단백질)를 낚시대로부터 분리한다. 분리된 단백질 복합체는 다시 2차 바늘을 이용해 추려낼 수 있다.

TAP-태그 방법을 여러 단백질에 대해 차례로 적용하면 세포 내에 존재하는 단백질 복합체를 효율적으로 알아낼 수 있다. 이런 결과들을 축적해 단백질 사이의 네트워크를 파악하는 것이다.

물리학자도 연구하는 단백질 네크워크

단백질 분자 간의 연결은 실제 실험을 통한 구체적 증명이 필요하므로, 전통적으로는 하나 하나를 오랜 시간 연구해 밝혀내는 연구들이 진행돼 왔다. 사람과 같은 고등생명체는 3만 종류가 넘는 단백질이 있으므로 이들 간의 네트워크 모두를 한꺼번에 밝히는 일은 매우 어렵다. 프로테오믹스의 중요성이 인식된 것도 최근의 일이라, 아직까지는 기본 개념과 기술들을 정립하는 단계다. 이런 의미에서 고효율로 단백질 사이의 관계를 밝히는 효모 2-하이브리드 방법과 TAP-태그 방법은 프로테오믹스 연구에 획기적 전환점을 마련했다고 볼 수 있다.

국내에서도 이 방법을 이용한 단백질 네트워크 연구가 활발히 진행되고 있다. 필자의 연구팀에서는 세포막의 유동성을 관장하는 포스포리파제D2와 연결된 단백질 분자 네크워크를 최근 완성했다. 특히 세포 성장신호를 증폭하는 효소인 포스포리파제들을 허브 분자로 하는 복합체 단백질을 알아내고, 이들이 성장신호를 어떻게 조절하는지 이해하려고 하고 있다. 또한 서울대의 김성훈 교수 연구팀도 단백질 합성에 중요한 장치인 운반RNA(tRNA) 합성효소들의 네트워크를 밝혔다.

한편 단백질 네트워크는 질병을 이해하는데도 큰 도움을 주고 있다. 서울대의 김규원 교수와 포항공대의 장승기 교수 연구팀은 암과 동맥경화 같은 질병과 바이러스가 유발하는 질병을 단백질 네크워크의 관점에서 연구하고 있다. 김 교수는 주로 암세포가 많이 자라서 산소가 결핍됐을 때 어떻게 새로운 혈관이 생성되는지를 단백질 네트워크로 밝히고 있다. 또한 장 교수는 바이러스가 세포 내로 칩입해 만든 단백질이 세포 자체의 단백질 네트워크와 어떻게 결합하는지를 밝혀 바이러스의 질병 유발 원인을 이해하고 치료방법과 약물개발에 대한 정보를 얻고자 연구중이다.

단백질 사이의 네트워크에 대한 연구는 물리학자도 관심을 보이며 생물학과는 다른 방법으로 접근하고 있다. 특히 서울대의 강병남 교수와 KAIST의 정하웅 교수 연구팀은 현재까지 알려진 단백질 네트워크를 통계역학적인 관점에서 분석하고 있다. 네트워크의 모양을 보고 어떤 성질을 가질 수 있는지 예측하는 것이다. 연구팀의 결과에 의하면, 인터넷이나 항공망처럼 단백질 네트워크도 비슷한 원리로 이해될 수 있다고 한다. 즉 야후나 인천공항과 같이 중심이 되는 허브 단백질이 존재하므로, 이 단백질에 문제가 생기면 생명에 영향이 있거나 질병으로 진행될 확률이 아주 크다는 것이다. 이처럼 네트워크 문제는 매우 복잡해 여러가지 아이디어와 첨단 기법을 동원한 연구가 중요하며, 결과들이 계속 축적돼야 지극히 일부의 모습이라도 알 수 있다.

생명과학은 생명체들이 에너지나 물질을 어떻게 변환하고 이용하는지(생리 수준)를 주목하던 시대에서 유전자의 정보를 밝히고 각 유전자들이 어떤 단백질을 만드는지를 밝히는 (분자 수준) 시대로 발전돼 왔다. 이제는 생명체의 구성요소인 단백질과 이들 사이의 입체적이고 역동적인 커뮤니케이션 모습(네트워크)을 발견해 뇌의 신비와 암, 당뇨와 같은 난치성 질병들의 원인을 알아내고자 하는 매우 도전적 시도가 이뤄지고 있다. 프로테오믹스는 이런 새로운 시대에 생명과학을 이끌 중요한 견인차 역할을 할 것이다.




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