단백질 가위, TRIM-AWAY

“CRISPER”.

과학에 관심이 조금이라도 갖고 있는 사람이라면 누구나 한번쯤 들어 보았을 것이라고 생각합니다.


이는 다양한 병을 막는 데에 사용될 수 있을 것이라고 많이들 예상해 왔지요. 그런데, CRISPER는 과연 만능일까요? CRISPER는 유전자 그 자체를 편집하는 기술입니다. 이제부터 만들어질 단백질은 방지가 가능하지만, 현재까지 이미 만들어져 있는 단백질을 없애진 못하기 때문입니다. 그렇다면 이미 존재하는 단백질을 없앨 방법은 없을까요?


단백질 가위, TRIM-AWAY

위에서 말한 것처럼 우리는 세포 안에서 원하는 단백질만을 싹둑! 하고 잘라낼 수 있을까요? 놀랍게도 2017년, 세포 내에 현존하는 단백질을 없앨 수 있는 물질, 일명 “단백질 가위” 가 발명되었습니다. 그 이름은 “TRIM-AWAY”로, “잘라내다“ 라는 뜻을 가지고 있다는데, 이는 기술의 메인 단백질의 이름인 TRIM21을 이용해 말장난을 한 것이라고 합니다. 여기에서 TRIM21은 세포 중에 존재하며 병원체를 제거하는 일을 하는 단백질입니다..

TRIM21의 원리는?

위에서 말했듯이 TRIM21은 세포 중에 원래 존재하던 단백질입니다. 세포 내에 세균이나 바이러스 같은 병원체가 침투하면 TRIM21이 그 물질에 달라붙어 유비퀴틴이라는 물질을 달아줍니다.

여기서 유비퀴틴은 76개 아미노산으로 구성된 단백질으로, 세포 내에서 이 유비퀴틴이 붙은 단백질은 프로테아솜이라는 또 다른 단백질에 들어가 분해되게 됩니다.

TRIM-AWAY의 작동 기작

프로테아솜은 진핵세포의 최종 쓰레기 처리시스템으로서 작용하는데, 핵과 세포질에 위치하면서 유비퀴틴으로 표지된 단백질들을 분해시키는 역할을 한다고 합니다. 중심이 비어있는 실린더 모양의 단백질 복합체인 핵심 프로테아솜이 가운데 자리를 잡고 있으며, 양 말단 부위에는 거의 20개의 서로 다른 폴리펩타이드로 구성된 다른 거대한 단백질 복합체인 캡(cap)이 결합한 형태를 하고 있지요.

유비퀴틴-프로테아솜 시스템

이렇게 단백질에 달라붙어 프로테아솜이 분해하도록 하는 과정을 유비퀴틴화(ubiquitination) 이라고 하는데요, 불필요한 단백질이나 잘못 접힌 단백질뿐만이 아니라 세균, 바이러스등의 물질들도 유비퀴틴 마크와 함께 프로테아솜에 빨려 들어가 흔적 없이 사라지게 됩니다.


이와 같은 유비퀴틴 매개성 단백질 분해과정은 2004년 아론 시에차노버( Aaron Ciechanover), 아브람 허쉬코(Avram Hershko)와 어윈 로즈(Irwin Rose)가 연구해 노벨화학상을 수상했다고 합니다. 참 오래 전 일이네요!

핵심, TRIM-AWAY의 아이디어

하지만 우리는 세포에서 필요없다고 인식한 단백질 말고, 원하는 단백질만을 제거하고 싶습니다. 그렇다면 어떻게 해야 할까요? 답은 간단합니다!


우리 모두 항원-항체 반응을 알고 있지요? 항체는 그와 상응하는 항원에만 결합합니다. 그러면 이 원리를 이용해서, 원하는 단백질에 결합하는 항체를 이용하면 아주 손쉽게 표적 단백질을 골라낼 수 있습니다. 그러면 다음 그림에서 볼 수 있듯이, 이 TRIM-AWAY는 항체가 골라낸 단백질에 유비퀴틴을 부착시켜, 프로테아솜으로 보내 분해시켜버릴 것입니다.

antibody(항체)와 결합시킨 TRIM21 - TRIM-AWAY의 형태

실제로 작용할까?

그러면 이 TRIM-AWAY가 실제로 단백질에 작용해서 표적 단백질만을 편집할 수 있을까요?

과학자들은 이를 확인하기 위해 GFP라는 형광 단백질을 이용했습니다.GFP를 세포 내에 투여하고 그에 반응하는 항체를 달아 실험해본 것이지요. 다음 그림에서, 가장 윗줄이 GFP 단백질이 발하는 빛입니다. 투여 후 20분까진 상당량 있던 GFP가 40분, 60분이 되니 거의 다 소멸하고, 80분 때는 아무것도 남지 않았습니다. 그리고 가운뎃줄은 TRIM-AWAY의 위치를 보여주고 있는데, 정확히 GFP 단백질이 위치한 곳에 TRIM-AWAY도 있음을 보여주면서 TRIM-AWAY가 정말 GFP를 잘 찾아갔음을 증명하고 있습니다. 오른쪽의 그래프로 확인해 보아도 이 단백질 가위가 가진 위력을 쉽게 볼 수 있습니다.

GFP 단백질 투여 실험 결과

이 가위가 세포 안의 모든 곳에서 잘 작용하는지를 보기 위해 그들은 난모 세포를 이용해서 세포막에 있는 막성 단백질, 세포핵에 존재하는 단백질 등을 없애 보았습니다. 결과적으로 모두 성공시킬 수 있었습니다.

이제 과학자들은 이 TRIM-AWAY가 인공적으로 만들어진 GFP같은 인공 단백질이 아닌 실제 세포 안에 존재하던 단백질을 분해할 수 있는지 궁금해졌습니다. 과연 가능할까요?

Rec8 단백질 제거 실험 모식도

이를 확인해 보기 위해 난모 세포 내에 존재하는 Rec8이라는 단백질을 공격해 보기로 했습니다. Rec8은 난모 세포의 자매 염색체를 묶고 있는 단백질으로, 폐경기가 와서 난모 세포가 사라질 때까지 계속 존재합니다. 만약 단백질 가위가 정말 Rec8을 파괴한다면 자매 염색체가 분리돼 흩어짐이 관찰될 것입니다.

Rec8 단백질 제거 실험 결과. 위쪽이 대조군이고 아래쪽이 실험군입니다.

위 사진에서 윗줄이 대조군, 아랫줄이 TRIM-AWAY를 투여한 세포입니다. 하얀색으로 보이는 게 전부 염색체이지요. 보면 TRIM-AWAY 투여 후 잘 뭉쳐있던 염색체가 작은 조각으로 떨어지면서 흩어지는 현상이 나타납니다. 이는 단백질 가위의 효과를 증명할 뿐만이 아니라, Rec8이 정말 이들을 붙들고 있었다는 직접적인 증거가 되어 줍니다.


불치병의 치료에는?

이 작은 가위는 생각보다 많은 것을 해낼 수 있으리라고 판단됩니다. 가장 먼저 생각이 드는 건 문제가 있는 단백질들로 인해 일어나는 질병을 치료하는 것인데요.


예를 들면, 알츠하이머 병은 베타 아밀로이드(beta-amyloid)라는 작은 단백질이 과도하게 만들어져 뇌에 침착되면서 뇌 세포에 유해한 영향을 주는 것이 발병의 핵심 원인으로 알려져 있습니다. (주 원인이 타우 단백질이라는 의견과 끊임없이 충돌하고 있긴 하지만 두 이론 모두 단백질의 영향이므로 넘어가도록 하겠습니다.)


그런데 여기서 TRIM-AWAY를 사용하면 어떻게 될까요? 위에서 말했다시피 TRIM-AWAY는 원하는 단백질을 ”분해해“ 주는 역할을 합니다. 그러면 베타 아밀로이드가 과다하게 존재하는 일을 완화시킬 수 있지 않을까요? 거기에 현재 활발히 개발되고 있는 유전자 가위를 병행하여 사용한다면 언젠가 이러한 병을 완벽하게 치료할 수 있는 날이 올 것이라고 생각합니다.


참고자료

[1] 생물학 논문-BioPress

https://biopress.weebly.com/

[2]네이버 지식백과

https://terms.naver.com/

[3] TRIM21—From Intracellular Immunity to Therapy

https://www.frontiersin.org/articles/

[4] Degradation of endogenous proteins and generation of a null-like phenotype in zebrafish using Trim-Away technology

https://genomebiology.biomedcentral.com/

[5]Trim-Away: powerful new tool for studying protein function

https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/trim-away-powerful-new-tool-studying-protein-function/


첨부 이미지 출처

[1]https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/

[2] http://biz.heraldcorp.com/

[3] https://biopress.weebly.com/

KOSMOS BIOLOGY 지식더하기

작성자 | 김규리

발행호 | 2020년 봄호

키워드 | #유전공학 #단백질



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