- 바이오신약 개발분야 희소식 기초과학분야 상위학술지 Nature Communications 게재
국내 연구진이 초저온전자현미경으로 생체 세포 간 신호 및 물질 이동의 작용기작을 밝혀냈다. 심혈관계 및 중추 신경계 질환 예방은 물론, 해당 단백질 기전을 활용한 저해제, 치료제 개발에 새로운 길이 열렸다.
고려대학교 생명과학과 우재성 교수팀은 서울대 화학과 이형호 교수 연구팀, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 전자현미경·분광분석팀 정형섭 박사 연구팀과 공동으로 세포 간 직접 연결 통로인 ‘커넥신43’과 ‘커넥신36’ 간극연접채널 단백질의 구조와 개폐 기전을 최초로 규명했다.
간극연접채널은 세포막에 위치하며, 커넥신 단백질로 이뤄진 세포 간 통로를 통해 정보 이동을 촉진시키는 역할을 한다. 커넥신 N-말단에 존재하는 나선 구조 도메인(N-terminal helix, 이하 NTH)이 열고 닫히면서, 인접 세포에 신호나 물질을 전달·조절한다. 이를 통해 이온, 당, 아미노산, 핵산 등 작은 분자들이 통과하며 시냅스 신호 전달, 심장 수축, 세포의 성장·분화 등 다양한 기능을 수행한다. 커넥신의 결함은 다양한 질병의 원인이 되므로, 이의 구조와 기전에 대한 연구는 매우 중요하다.
인간에게는 총 21종의 커넥신 단백질이 존재한다. 이 중 ‘커넥신26’, ‘커넥신46/50’ 간극연접채널의 3차원 구조는 선행연구를 통해 규명됐지만, 이들은 주로 열려있는 상태로 예상되는 정적인 구조로 밝혀져, 채널의 개폐 기전을 이해하는 데 한계가 있었다.
지난 2020년, 고려대 우재성 교수 연구팀과 KBSI 연구팀이 공동으로 커넥신31.3 단백질 구조를 분석해, 채널이 닫힌 상태에서의 기전을 규명한 바 있었다. 하지만, ‘커넥신31.3’ 단백질 역시 21종의 커넥신 중 유일하게 세포-세포외기질 채널로써의 기능만 담당하기 때문에, 세포-세포 간 신호 및 물질 이동의 정확한 기전은 파악하기 어려웠다.
공동연구팀은 심장의 규칙적인 운동에 중요 역할을 하는 ‘커넥신43’과 뇌의 전기적 신호 전달에 직접 관여하는 ‘커넥신36’ 간극연접채널의 개폐 기전을 분자 수준에서 알아보고자 했다. KBSI의 첨단연구장비인 초저온전자현미경으로 고분해능 3차원 구조를 재현해, 채널 기공이 막힌 상태와 열린 상태를 포함한 다양한 형태의 구조를 획득했다. 이를 통해 채널의 개폐 활동에 핵심 역할을 하는 주요 물질과 NTH의 구조적 변화에 대해 확인할 수 있었다.
‘커넥신43’에서는 채널 개폐에 있어 콜레스테롤이 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있었는데, 이번 연구에서도 콜레스테롤은 농도가 높을 경우 채널 내벽에 달라 붙어, NTH가 채널 안으로 들어가지 못해 기공의 크기가 가장 작은 구조로 관찰됐다.
‘커넥신36’에서는 지질이 채널 개폐에 직접 관여하는 것으로 나타났다. NTH가 흔들거리는 채널 구조에서는 다량의 지질 분자들이 채널 입구와 내부를 막아, 이온의 흐름을 차단할 수 있는 구조로 관찰됐다. 반면, NTH가 채널 내벽으로 들어가 붙어있는 상태에서는 지질이 기공 내부로 들어올 수 없는 상태가 되지만, NTH 사이에 개방된 좁은 틈으로 이온의 이동은 이뤄질 수 있는 구조로 확인됐다.
이번에 규명된 간극연접채널의 구조와 기전은 심부전, 부정맥, 눈-코-치아 골격이형성증, 뇌전증, 당뇨, 암 등의 발병 원인과 과정을 분자 수준에서 이해를 가능하게 한다.
연구진은 이번 연구를 통해 초저온전자현미경이 세포막 단백질 구조 규명에 매우 유용한 분석 도구임을 재차 확인할 수 있었다. 또한 간극연접채널의 구조와 기전에 대한 이해는 관련 질환의 원인을 분자 수준에서 보다 명확히 파악하고, 치료와 관련된 신약 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대했다.
이번 연구결과는 서경배연구재단의 신진과학자 연구지원프로그램, 한국연구재단의 개인기초연구, 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐으며, 기초과학분야 상위 학술지인 Nature Communications지(IF 17.694)에 두 편의 논문으로 게재됐다.
* 논문명: Conformational changes in the human Cx43/GJA1 gap junction channel visualized using cryo-EM / KBSI 정형섭(공동제1저자), 고려대 이혁준(공동제1저자), 차형진(공동제1저자), 우재성(교신저자) / 2023년 2월 18일 게재
* 논문명: Cryo-EM structures of human Cx36/GJD2 neuronal gap junction channel / 고려대 이스나(공동제1저자), 서울대 조화진(공동제1저자), KBSI 정형섭(공저자), 고려대 우재성(공동교신저자), 서울대 이형호(공동교신저자) / 2023년 3월 11일 게재
