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세포에겐 단백질 합성만큼 단백질 분해도 중요합니다. 제 기능을 못하는 단백질은 세포에게 해가 되기 때문이죠. 그래서 유비퀴틴 프로테아좀 시스템(UPS톃biquitin Proteasome System)의 단백질 분해는 세포 생존에 필수적인 후성유전학 조절 과정입니다. 이 시스템은 성장 조절 인자의 분포를 조절해, 세포 분화나 배아 단계의 발달도 제어합니다. 암 등 여러 질병에도 영향을 주죠. 

 

 

기능을 다했거나 문제가 생긴 단백질이 쌓이면, 세포 내에 독성을 유발하는 소포체 스트레스가 발생합니다. 이 스트레스를 막고 단백질의 일정한 상태, 즉 항상성을 유지하기 위해 세포는 단백질 분해과정을 이용하죠. 대표적으로 유비퀴틴 프로테아좀 시스템이 있습니다. 유비퀴틴은 단백질의 일종이고, 프로테아좀은 단백질을 분해, 재활용하는 단백질 분해효소 복합체입니다. 

 

유비퀴틴 프로테아좀 시스템은 세포막 내 단백질의 항상성을 위해 불필요하거나 변성된 단백질을 없앱니다. 이 시스템은 유비퀴틴 연결효소, 프로테아좀, 유비퀴틴 제거효소로 구성됩니다. 

 

유비퀴틴은 일종의 표지 역할을 합니다. DNA의 염기 서열이 바뀌지 않은 상태에서 유전자 발현을 조절하는 후성유전학의 역할이죠. 이 유비퀴틴이 결합하면 단백질의 기능이 바뀔 수 있습니다. 다수의 유비퀴틴은 유비퀴틴 연결효소를 이용해 분해 대상 단백질로 이동해서 사슬을 만듭니다. 프로테아좀은 이 유비퀴틴 사슬을 인식해, 단백질을 작은 펩타이드 단위로 분해합니다. 세포는 이 펩타이드를 재활용해 단백질을 합성합니다.  

 

유비퀴틴이 프로테아좀의 단백질 분해를 막는 방식도 있습니다. 프로테아좀은 유비퀴틴을 이루는 라이신이 결합한 유비퀴틴 사슬을 인식합니다. 단백질과 결합한 이 유비퀴틴 사슬을 프로테아좀이 인식하기 전에, 유비퀴틴 제거효소가 사슬을 없애죠.

 

유비퀴틴 프로테아좀 시스템은 세포의 상태나 외부 환경에 따라 작동 방식이 변합니다. 만약 이 작동 방식이 바뀌어 시스템이 정상 기능을 못하면, 암과 신경질환 등 많은 질병이 발생합니다. 제거하지 못한 단백질이 독성을 일으키는 것을 넘어, 생명체의 발생과 성장에 필요한 단백질을 조절할 수 없게 됩니다.

 

 

 

E3 연결효소는 유비퀴틴 연결효소 중 하나입니다. 다수의 유비퀴틴이 특정 단백질에 사슬을 만들어 분해 대상임을 표시하려면, 유비퀴틴 연결효소로 해당 단백질까지 가야합니다. E3 연결효소에서 분해 대상 단백질을 인식하는 역할은 기질 인식 단백질인 CRBN이 합니다. CRBN이 분해할 단백질을 인식하면 E3 연결효소가 그 단백질의 특정 서열에 유비퀴틴 사슬을 형성하죠.

 

CRBN이 인식하는 단백질은 순수 인식과 네오 기질의 두 유형입니다. 네오 기질 단백질은 탈리도마이드 계열의 항암제인 이미드와 결합한 CRBN이 인식합니다. 대표적인 네오 기질 단백질은 혈관 형성에 관련된 전사인자(Ikaros, Aiolos) 등이 있습니다. CRBN의 순수 인식 단백질은 알러지, 지방간, 당뇨와 연관성이 있는 AMPKα가 대표적이죠. 연구에 따르면 CRBN 발현이 낮은 쥐일수록 간에서 대사증후군이 발생할 확률이 낮았습니다.

 

서로 다른 두 약을 연결한 약물인 프로탁(PROTAC)이 유비퀴틴 프로테아좀 시스템을 이용합니다. 유비퀴틴 연결효소의 기질 인식 단백질과 결합하는 약물 A와 특정 단백질과 결합해 분해시키는 약물 B가 있다면, 프로탁은 이 둘을 연결한 약물이죠.

 

기존 단백질 치료제의 주 원리는 단백질의 활성 부위에 결합해 그 기능을 억제하는 것이지만, 이렇게 억제되는 단백질은 소수입니다. 프로탁은 서로 다른 단백질을 인위적으로 결합시켜서, 제거 대상 단백질에 접근해 그 기능을 억제하거나 제거할 수 있습니다. 현재는 E3 연결효소와 결합하는 약물과 특정 단백질을 제거하는 약물이 결합된 프로탁을 연구 중입니다. 

 

 

 

심장의 흥분-수축 과정에서 심근세포의 L타입 전압개폐 칼슘이온 통로(LTCC)는 전기적 자극으로 열려, 칼슘이온을 세포 내로 옮깁니다. 칼슘이온 농도가 오르면 최종적으로 심장이 수축하므로 심장에서 아주 중요하죠. 네 종류의 LTCC 중 Cav1.2가 형성되지 않으면 심장 장애와 돌연사 등의 가능성이 있습니다.

 

이번 주제 논문을 쓴 연구진은 E3 연결효소의 기질 인식 단백질인 CRBN과 심장 기능 장애의 연관성을 확인했습니다. 이 논문에서 심장 장애 환자들은 CRBN 발현이 정상인보다 높았습니다. 과거 연구에선, CRBN이 인식하는 단백질이며 항암제인 탈리도마이드를 투여한 심장 장애 환자가 CRBN의 발현이 줄고 좌심실 박출률, 즉 수축 기능이 증가하는 긍정적 효과를 보였죠. 두 연구는 CRBN이 심장 기능에 영향을 준다는 점을 보여줍니다.

 

이 논문은 CRBN이 심장 기능에 영향을 주는 과정을 쥐 실험체와 인간 유래 세포에서 실험했습니다. 유전자 가위(CRISPR-Cas9)로 CRBN을 없앤 쥐와 정상 실험체를 비교해보니, CRBN을 없앤 쥐의 전반적인 심장 기능이 정상 쥐보다 좋았습니다.  

 

CRBN이 없는 쥐의 심근세포를 분리해, CRBN이 칼슘 이온의 흐름에 영향을 주는지도 확인했습니다. 이 실험에서 CRBN이 없는 쥐의 심근세포는 CRBN이 있는 쥐의 심근세포보다 Cav1.2α만 많았습니다. Cav1.2α는 네 종류의 칼슘이온 통로 중 Cav1.2를 형성하는 단위체로, 이 실험은 Cav1.2α가 CRBN이 인식하는 순수 기질 단백질일 가능성을 보입니다. 쥐 심장 조직과 인간 유래 세포는 CRBN이 없을 때, Cav1.2의 기능이 향상됐습니다.

 

 

연구진은 다음 실험으로 Cav1.2α의 항상성을 조절하는 CRBN의 역할도 밝혔습니다. 단백질들의 상호작용을 세포 밖에서 보는 공동 면역침강법, 세포에 항체를 넣어 단백질 위치를 보는 면역 형광 실험입니다. 이 실험에서 세포 안의 CRBN은 Cav1.2α를 인식해 유비퀴틴 사슬을 붙였습니다.

 

또한 CRBN 단백질의 발현이 낮아 E3 연결효소가 약화되면 심장 질환을 막는 능력은 강화됐습니다. 안트라사이클린으로도 불리는 항암제 독소루비신의 부작용 중 심장병이 있는데, 독소루비신을 투여했을 때 CRBN이 없는 실험체는 정상 실험체보다 심장병 비율이 낮았습니다. 백혈병, 유방암, 위암, 폐암, 난소암, 갑상선암 등에 쓰이는 이 항암제의 효과를 높일 단서입니다.  

 

CRBN의 발현이 낮으면 심장 질환도 감소하는 이유가 더 있습니다. CRBN은 AMPKα를 인식하므로, CRBN이 늘면 심장 보호의 에너지 대사를 조절하는 AMPK 복합체가 감소해 심장 질환 가능성이 커지죠. AMPK 복합체는 AMPKα로 구성됩니다.

 

CRBN의 단백질 발현이 높으면 AMPKα의 인식, 분해가 활발해지므로 AMPK 복합체도 감소하죠. 이 복합체는 세포 내 에너지가 낮으면 물질 대사로 에너지를 생산합니다. CRBN의 발현이 줄면 AMPK 복합체가 증가해서 세포 내 에너지도 증가합니다.

 

이 논문의 연구진은 현재 개발 중인 프로탁을 심장 질환의 예방 수단으로 제시했습니다. 한국생명공학연구원(KRIBB)이 개발한 TD-165는 E3 연결효소와 CRBN 기반의 프로탁 신약입니다. TD-165는 인간 유래 세포에서 CRBN을 선택적으로 제거하며, Cav1.2α의 단백질 안정성이 크게 증가했습니다. 향후 연구가 진전돼 이 프로탁의 안정성과 기능이 입증된다면, TD-165가 새로운 심장병 치료제가 될 것으로 기대됩니다.