차선신 교수 연구팀, AlaRS 효소의 ‘세린 오인 결합’과 ‘단백질 락틸화’ 억제 원리 규명
단일 아미노산 변이로 단백질 합성 오류와 락틸화 활성 동시 제어
고정밀 단백질 합성·대사질환 연구에 새 길 열어
화학·나노과학과 차선신 교수팀이 단 하나의 아미노산 변이만으로 단백질 합성 정확성을 크게 높이고, 효소의 후성유전학적 기능인 락틸화(lactylation) 활성까지 동시에 억제하는 데 성공했다. 본교 차선신 교수(교신저자)와 손세영 석박사통합과정생(제1저자), 서울대학교 한지숙 교수(교신저자), 박우영 석박사통합과정생(제1저자)이 공동으로 참여한 본 연구 결과는 S급 국제학술지 <Nucleic Acids Research(IF=13.1, 상위 3.9%)>에 게재됐다.
차선신 교수, 손세영 석박사통합과정생
알라닌-tRNA 합성효소(Alanyl-tRNA synthetase, 이하 AlaRS)는 세포 내에서 알라닌을 tRNA에 결합시켜 단백질 합성의 정확성을 유지하는 핵심 효소다. 그러나 구조적 특성상 알라닌과 비슷한 세린(Ser)이나 이나 글라이신(Gly)을 잘못 인식하여 결합하는 단백질 오합성 문제를 유발한다. 이로 인해 세균에서는 단백질 오접힘(misfolding)으로 인한 기능 저하, 사람에서는 소두증(microcephaly)과 뇌전증 등 중추신경계 질환이 유발될 수 있다. 특히 세린의 경우 구조적 특성상 활성부위에 잘 결합해, 합성 오류가 빈번히 발생하는데, 세포는 이를 막기 위해 AlaRS의 편집 도메인이나 별도의 편집 효소(AlaXp)를 활용하는 복잡하고 에너지 소모가 큰 시스템을 진화시켜 왔다.
A. AlaRS429L219M 변이체의 ATP 및 알라닌 결합 구조
B. V204의 유연성 변화에 따른 기질 접근성 비교: 야생형과 L219M 변이체
그러나 이번 연구에서는 복잡한 오삽입 방지 시스템 없이도 단 하나의 아미노산 변이만으로 AlaRS의 세린 오삽입을 원천적으로 차단할 수 있음을 밝혀냈다. 연구팀은 메탄자화균(Methylomonas sp. DH-1)을 젖산 환경에 적응시키는 실험 과정에서, AlaRS의 L219M 변이가 세린-AMP 형성을 억제하고 알라닌에 대한 선택성을 향상시킴을 확인했다. X-선 결정학 구조 분석에 따르면, L219M 변이는 효소 활성 부위에서 떨어진 곳에 위치하지만, Val204라는 또 다른 아미노산 잔기의 움직임을 늘려 세린이 들어갈 공간을 막아버린다. 그 결과 부피가 큰 세린은 입체적 충돌(steric hindrance)로 인해 배제되고, 알라닌만 선택적으로 결합할 수 있게 된다.
더욱 주목할 점은 이 변이가 AlaRS의 또 다른 기능인 락틸전이효소(lactyltransferase) 활성을 없앤다는 사실이다. 락틸전이효소는 젖산을 이용해 단백질의 라이신 잔기를 락틸화하는 후성유전 조절 기능을 수행하는데, 이는 암세포의 유전자 발현 조절 등 다양한 생리 현상과 관련이 있다. 단일 아미노산 변이만으로도 세린 오삽입 오류를 차단할 수 있음에도 세포가 여전히 에너지 소모적인 세린 오삽입 방지 시스템을 진화적으로 유지해 온 것은, 락틸전이효소 활성을 유지하여 AlaRS의 후성유전학적 기능을 보존하는 데 선택적 이점을 두었을 가능성을 시사한다.
이번 연구 결과는 AlaRS의 아미노아실화 기능은 유지하면서 락틸전이효소 활성을 제거할 수 있음을 입증한 최초의 사례로서, 향후 락틸화 의존적 암종에서의 선택적 저해 전략 개발과 락틸화의 생리적·후성유전학적 기능 규명에 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구책임자인 차선신 교수는 “이번 연구는 단백질 합성 정확성 향상과 대사 스트레스 대응이라는 두 가지 난제를 단일 변이로 동시에 해결한 성과”라며 “생명과학·대사공학·질병 연구에서 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기초연구사업 선도연구센터, 원천기술개발사업(바이오·의료기술개발사업)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과를 담은 논문 「Unlocking the serine mischarging paradox and inhibiting lactyltransferase activity of AlaRS by a single-point mutation」은 6월 24일(화) <Nucleic Acids Research>에 게재되었다.