내몸속 유비쿼터스 '유비퀴틴'

▒ 단백질의 사멸 과정, 품질관리 기능의 몸 안의 유비쿼터스인 유비퀴틴 발견

인간의 세포는 수백 천 개의 서로 다른 단백질들로 구성된다. 이 수백 천 개의 단백질들의 기능은 아주 중요한데, 화학반응(chemical reactions)을 가속화하여 효소들(enzymes)을 만드는 기능도 하고, 호르몬(hormones)들을 만들 때에는 신호물질(signal substances) 역할도 하며, 면역방어시스템에서는 중요한 활동자(actors) 역할도 한다. 또한 세포들을 만들고(form) 구조화(structure)하는 역할도 한다.

2004년도의 노벨 화학상은 Aaron Ciechanover, Avram Hershko 및 Irwin Rose 등 3사람에게 수여 된다고 2004년 10월 6일에 발표되었는데¹⁾, 이들은 어떻게 세포들이 어느 특정 단백질의 출현(presence)을 조절(regulate)하는지 획기적인 화학 지식(ground-breaking chemical knowledge)을 세운 공로를 인정 받은 것이다. 즉, 원하지 않는 단백질(unwanted proteins)에 아미노산 76개의 다중 결합물인 폴리펩타이드(polypeptide)라는 분자물질인 유비퀴틴(ubiquitin)으로 구성된 하나의 라벨(label)이 표시(mark)를 하면, 유비퀴틴 분자라벨이 그 표시된 단백질들을 단백질분해효소인 프로테아좀(proteasome)이라 불리는 폐기물 분쇄기(waste disposer)로 신속하게 옮겨, 어떻게 파괴하고(broken down)? 분해하는지(degraded)? 등의 과정을 화학적으로 제시한 것이다. 이는 향후 인간 인체의 면역 및 단백질 사멸과정에 따른 각종 종양 및 질병들을 사전에 예방할 수 있는 길을 제시하고 있는 것이다.²⁾

▒간단한 단백질 분해 과정 메커니즘의 이해

이를 알기 쉽게 그림으로 그려 설명하면 다음 그림과 같다. 자세한 애니메이션 내용은 직접 노벨상 선정위원회가 제공하는 사이트 [Animation(Plug in requirement: Flash Player 6)]³⁾ 를 방문하여 확인하라. 이 과정을 단백질들의 "죽음의 키스(Kiss of Death)" 과정이라 한다.이와 같은 단백질-조절-시스템(Protein-regulating system) 발견을 통해 Aaron Ciechanover, Avram Hershko 및 Irwin Rose 등은 분자 수준(molecular level)에서 어떻게 세포들이 매우 중요한 생화학적 프로세스들(biochemical processes)인, 예를 들어 세포 주기(cell cycle), DNA 치료(repair), 유전자 전사(gene transcription) 및 새롭게 생산된 단백질 품질 콘트롤(quality control of newly-produced proteins) 등의 프로세스들을 콘트롤 하는지를 이해하는 것을 가능토록 한 것이다. 단백질 사멸(protein death)을 콘트롤 하는 이와 같은 시스템의 새로운 지식은 또한 어떻게 면역 방어 기능(immune defence functions)들이 작용하는지를 설명해준다.

면역 시스템에서의 결함(defects)들은 결국 암 종류(types of cancer)를 포함한 여러 가지 질병(diseases)을 유발하게 하기 때문이다. 즉 쉽게 말하면 단백질들이 콘트롤 되지 않아 사멸 전에 비실 비실하여 자기 역할을 다하지 못하면 수많은 질병에 걸리는 것이요, 유전자가 사멸하라고 명령을 하였는데도 불구하고 살아 남으면 암이 되는 것이다. 2002년에 노벨 생리 의학상에서 밝혀진 세포 분열과 세포 사멸이라는 기능과 거의 같은 것이다. 단백질도 생산에서 역할 그리고 사멸까지 유전자의 명령대로 콘트롤 되어야 하는데, 이번에 밝힌 시스템은 바로 단백질 사멸과정의 메커니즘이다.

▒ 단백질 분해과정에는 에너지가 필요한가 아닌가? (Degradation needs no energy - or does it?)

많은 연구들이 어떻게 세포가 단백질의 합성(synthesis of a certain protein)을 콘트롤 하는지에 집중되어 온 반면, 예를 들어 그간 적어도 5번의 노벨 수상이 이 분야에 수여 되었지만, 그 반대로 단백질의 분해(degradation)에 대한 연구는 그간 별로 과학자들이 신경을 쓰지 않은 것이 사실이다. 하지만 몇몇 단백질 분해 효소들(protein-degrading enzymes)이 발견되었다. 한가지 예가 바로 트립신(trypsin)인데, 이 것은 소장(small intestine)에서 우리 음식 속에 있는 단백질을 파괴 분해하여(breaks down) 아미노산(amino acids)을 만든다. 마찬가지로 세포 기관(cell organelle) 종류인 리소좀(라이서솜, lysosome)은 외부에서 세포 내로 흡수된 단백질들(proteins absorbed from outside)을 파괴 분해하는데 오랫동안 연구대상이 되어 왔다. 이러한 일련의 파괴 분해 과정들은 기능화 하기 위해 에너지가 전혀 필요 없다는 사실이다.

그런데 1950년대부터 연구한 실험 결과 세포 안의 자체 단백질 파괴(breakdown of the cell's own proteins)에는 에너지가 필요하다는 사실이다. 이 퍼즐 같은 문제를 푸는 연구원들에게 2004년의 노벨 화학상은 이와 같은 패러독스를 받쳐주는 기초가 되고 있다. 즉, 세포 안의 단백질 분해(breakdown of proteins within the cell)에는 에너지가 필요하지만, 다른 곳에서의 단백질 분해과정(degradation)에는 추가 에너지(added energy) 없이 일어난다는 것이다. 이 에너지-의존적 단백질 분해(energy-dependent protein degradation) 과정을 최초로 설명한 사람이 바로 1977년에 미숙한 붉은 혈액 세포들(immature red blood cells)에서 추출한 세포 없는 물질(a cell-free)인 레티큘로사이트(reticulocytes)를 발견한 Goldberg와 그의 동료들이었는데, 이 물질은 생명의 에너지원이 되는(세포의 에너지 전류) 하나의 ATP(ATP = adenosine triphosphate - the cell's energy currency) 의존적인 방법으로(ATP-dependent manner) 비정상적인 단백질들을 분해하는 촉매 작용을 한다(catalyse).

같은 방법의 추출과정을 통해 Aaron Ciechanover, Avram Hershko 및 Irwin Rose는, 그렇지만 획기적인 진보된 생화학(biochemical) 연구방법을 통해, 1970년 대 후기와 1980년 초기에, 세포 내의 단백질 분해 과정에는 아미노산 76개의 다중 결합물인 폴리펩타이드(polypeptide)라는 분자물질인 유비퀴틴(ubiquitin)에 의해 분해되어야 하는 단백질에 라벨(labeled)로 표시되는 일련의 현명한 단계 반응 과정(step-wise reactions)을 거친다는 사실을 밝혀낸 것이다. 이 같은 현명한 과정들은 세포들로 하여금 매우 고난도의 특성(with high specificity)으로 불필요한 단백질들을 분해하도록 하고 있는 것이며, 이 때 에너지가 필요하다는 것을 규명한 것이다.

이들이 밝혀낸 이 시스템은, 지난 1992년 노벨 생리 의학상(Rudolph A. Marcus) ⁴⁾을 수상한 단백질 수정(protein modifications)과는 차별화되는데, 단백질 수정은 되돌릴 수 있지만(reversible), 이번 폴리유비퀴틴작용(polyubiquitination)의 단백질 분해 시스템은 일단 표적된 단백질(target protein)은 반드시 파괴되기 때문에 되돌릴 수 없다는(irreversible) 것이다. 이와 같은 연구들은 이스라엘의 Haifa University 소속 Avram Hershko 교수 및 Aaron Ciechanover가 안식년(sabbatical leaves)을 이용해 미국 UC Irvine 소속 Irwin Rose 교수와 함께 필라델피아의 Fox Chase Cancer Center에서 연구한 결과이다.

라벨의 기능을 하는, 어디에서나 존재하는 유비퀴틴(The label is ubiquitin)

차후에 라벨(Label)로 증명된, 분해 대상의 단백질(a protein for degradation)을 표시하는(mark) 분자는 이미 1975년에 발견되었다. 아미노산 76개의 다중 결합물인
폴리펩타이드(76-amino-acid-long polypeptide)는 송아지 췌장(calf sweetbread)에서 추출되었는데 백혈구(white blood cells)들의 성숙(maturation)에 참여하는 것으로 생각되었다. 그러다가 이 폴리펩타이드가 여러 가지 다른 조직(tissues)이나 기관(organisms)에서 발견되었으며, 단, 박테리아에서는 발견되지 않았지만, 이와 같이 어디에서나 발견되므로 라틴어의 "어디-everywhere"라는 의미를 가진 유비퀴틴(ubiquitin)이라는 이름을 붙이게 되었다.

[그림 1 : 유비퀴틴(ubiquitin) - "죽음의 키스"를 나타내는 일반적인 폴리펩타이드(자료 : 노벨상 선정 위원회)] ⁵⁾

▒ 유비퀴틴 - 조절에 의한 단백질 분해과정 발견(The discovery of ubiquitin-mediated protein degradation)

박사학위를 받은 후 Avram Hershko는 간장 세포(liver cells) 내의 에너지-의존적 단백질 분해과정(energy-dependent protein degradation)을 연구했었으나, 1977년 위에서 설명한 미숙한 붉은 혈액 세포들(immature red blood cells)에서 추출한 세포 없는 물질(a cell-free)인 레티큘로사이트(reticulocytes)를 연구하기로 결심했다. 이 추출은 많은 양의 산소를 공급하는 헤모글로빈(haemoglobin)을 포함하고 있어 실험에 실패했다. 색층분석기인 크로마토그래피(chromatography)를 사용하여 헤모글로빈을 제거하는 실험을 통해, Aaron Ciechanover와 Avram Hershko 박사는 이들 추출물질들은 각각 그 자체가 비활성(inactive)의 두 가지로 분리 될 수 있음을 발견했다. 그런데 여기서 발견한 사실은 이들 두 가지의 분리물질들을(fractions) 다시 재조합하는 순간, ATP-의존적인 단백질 분해가 시작된다는 것이었다.

1978년에 이들 연구원들은 재조합할 때 한쪽의 물질이 활성적 요소로 작용하고 이는 오로지 9,000의 무게를 갖는 하나의 분자로 구성된 열에 강한 폴리펩타이드(a heat-stable polypeptide) 임을 알고 이름을 AFP-1(active principle in fraction 1)이라 붙였는데, 이 단백질이 바로 나중에 알려진 유비퀴틴(ubiquitin)이었던 것이다. 이 획기적인 연구 결과는 1980년에 Ciechanover, Hershko와 Rose에 의해 두 번이나 보고되었다. 그 당시까지만 해도 AFP-1의 기능은 전혀 알려져 있지 않았다. 첫번째 연구 보고서에서 AFP-1은 가장 안정적인 화학 공유법칙인 공유결합(covalence bond)으로 추출물의 다양한 단백질에 결합하고 있음이 보고되었다.

두번째 보고에서는, 많은 AFP-1 분자들은 똑 같은 표적 단백질(same target protein)에 공유결합하고 있음이 밝혀졌다. 차후에 이러한 현상은 폴리유비퀴틴작용(polyubituitination)으로 정의 되었다. 우리는 따라서 지금 이 기질성 단백질(substrate protein)의 폴리유비퀴틴작용(polyubituitination)은 프로테아좀(proteasome)에서 단백질의 분해를 리드하는 신호(signal)를 보내는 과정이라는 것을 알게 된 것이다. 그러므로 이 신호를 받아 유비퀴틴은 분해될 표적 단백질에 소위 "죽음의 키스"라 불리는 실제적인 라벨링(labeling)을 표시하는 반응을 하게 되는 것이다.

이 일격의(at a stroke) 기대하지 않았던 전반적인 발견은 미래 연구의 조건을 크게 변화시켰다. 그러므로 이들 유비퀴틴을 표적 단백질에 들러 붙게 하는 효소 시스템(enzyme system)을 발견하고 밝혀내는 연구가 가능하게 된 것이다. 유비퀴틴은 다양한 조직과 기관에서 항상 존재하기 때문에, 유비퀴틴-조절 단백질 분해는 세포 내의 일반적인 중요 기능임이 밝혀졌기 때문이다. 더군다나 연구원들은 ATP 형태의 에너지 필요성이 세포들로 하여금 이와 같은 중요한 작용을 콘트롤 할 것이라고 추측하게 되었다. 즉 세포 내의 단백질 분해 과정에는 에너지가 필요한 것이다.

이들 연구 분야는 현재 오픈 되어 있으며, 1981년과 1983년 사이에 Ciechanover, Hershko, Rose 및 그들의 석박사 학생들은 E1, E2, E3라는 3개의 새롭게 발견된 효소 활동베이스의 "멀티스텝 유비퀴틴-태그 가설(multistep ubiquitin-tagging hypothesis)"을 개발했다. 이 발견으로 우리는 지금 하나의 전형적인 포유동물 세포(a typical mammalian cell)들은 하나 또는 몇 개의 E1 효소, 수십 개의 E2 효소, 그리고 수백개의 다른 E3 효소들을 포함하고 있음을 알게 되었다. 이 중 프로테아좀(proteasome)에서 분해될 세포 내의 어떤 단백질이 표시될 것인가를 결정하는 것은 E3 효소들의 특정 기능임이 밝혀진 것이다.

[그림2 : 유비퀴틴-조절 단백질 분해(자료 : 노벨상 선정위원회)] ⁶⁾

① E1 효소가 유비퀴틴 분자를 활성화한다. 이 반응은 ATP 형태의 에너지가 필요하다(The E1 enzyme activates the ubiquitin molecule. This reaction requires energy in the form of ATP)
② 유비퀴틴 분자는 하나의 다른 E2 효소로 전이된다(The ubiquitin molecule is transferred to a different enzyme, E2)
③ E3 효소는 어떤 단백질이 파괴 분해되어야 하는지 단백질 표적을 인식한다. E2-유비퀴틴 컴플렉스는 단백질 표적에 가까이 결합되어 실제적인 유비퀴틴 라벨이 E2 효소로부터 표적으로 전이되도록 한다(The E3 enzyme can recognise the protein target which is to be destroyed. The E2-ubiquitin complex binds so near to the protein target that the actual ubiquitin label can be transferred from E2 to the target)
④ E3 효소는 유비퀴틴-라벨이 붙은 단백질을 방출한다(The E3 enzyme now releases the ubiquitin-labelled protein)
⑤ 마지막 유비퀴틴이 들러붙어 일련의 유비퀴틴 분자 체인이 될 때까지 마지막 단계는 반복된다(This last step is repeated until the protein has a short chain of ubiquitin molecules attached to itself)
⑥ 유비퀴틴 체인은 프로테아좀의 입구에서 인식된다. 유비퀴틴 라벨이 분리되고 단백질은 수용하여 조각조각으로 분해된다(This ubiquitin chain is recognised in the opening of the proteasome. The ubiquitin label is disconnected and the protein is admitted and chopped into small pieces)

이와 같은 모든 연구는 세포 없는 시스템에서는 거의 연구가 끝났다. 유비퀴틴-조절 단백질 분해의 생리학적 기능(physicological function)을 연구하기 위해, Avram Hershko와 그의 동료들은 하나의 면역화학 방법론(immunochemical method)을 개발해냈다. 항체(면역 혈청 속에 있으며, 항독 및 살균 작용을 한다)를 유비퀴틴에 사용함으로써 유비퀴틴-단백질 결합(ubiquitin-protein-conjugate)이 세포로부터 분리되도록 했는데, 그 세포에는 유비퀴틴에 없는 하나의 방사성 아미노산으로 라벨된 세포 단백질이 있었던 곳이었다. 그 결과 세포들은 정말로 유비퀴틴 시스템을 이용하여 잘못된 단백질들(faulty proteins)을 파괴하는 것이다. 실험을 통해 새로 조합된 단백질들(newly-sysnthesised proteins) 중 30%가 프로테아좀을 통해 파괴 분해되고 있다는 사실을 밝혀냈는데, 이 들 30%는 세포의 엄격한 품질 콘트롤(cell's rigorous quality control)에 불합격했기 때문이다.

▒ 세포의 폐기물 분쇄기(waste disposer)인 프로테아좀(proteasome)

프로테아좀이란 무엇인가? 인간의 세포는 대략 30,000 여의 프로테아좀을 포함하고 있다. 오일 저장통인 배럴과 같이 생긴 이 구조(barrel-formed structures)는 실제적으로 모든 단백질들을 7-9개의 다중 아미노산 펩타이드(7-9-amino-acid-long peptides)로 분해한다. 프로테아좀의 활동적인 표면(active surface)은 배럴 내에 있는데, 이 곳에서 이들은 세포의 다른 부분으로부터 보호되고 있다. 이 활동적인 표면으로 들어가는 유일한 길은 바로 자물쇠(lock)인데, 이 곳은 폴리유비퀴틴작용된 단백질(polyubiquitinated proteins)을 인식하고, ATP 에너지를 이용하여 이들의 특성을 잃게 하고(denature), 유비퀴틴 라벨이 분리되는 순간 바로 분해를 위해 배럴 안으로의 진입을 허용하는 것이다.

분해된 펩타이드들은 프로테아좀의 반대편 끝에서 방출된다. 그러므로 프로테아좀은 그 자체가 단백질을 선택할 수 없다. 어떤 단백질을 분해야하는지의 선택은 주로 E3 효소인데 이들은 유비퀴틴-라벨이 붙은 단백질들만 선택하는 것이다.

[그림 3 : 세포의 폐기물 분쇄기인 프로테아좀. 검은 점 부분이 바로 활성화된 단백질 분해 표면이다(자료 : 노벨상 선정위원회)] ⁷⁾

▒ 최근의 연구(More recent research)

바이오화학 메커니즘은 유비퀴틴-라벨 단백질의 분해작용을 강조하고 그 비밀이 1983년 경에 밝혀졌지만, 이의 생리학적 중요성(physiological significance)은 아직 완벽하게 이해된 수준은 아니었다. 불량 내부 분자 단백질의 파괴에 대한 중요성은 이미 알려졌지만, 그 과정을 진행하려면, 하나의 돌연변이 세포(mutated cell)가 유비퀴틴 시스템 내에 필요했다. 어떻게 돌연변이 세포가 하나의 정상적 세포와 다른지를 자세히 연구하기 위해, 유비퀴틴 시스템에 의존하는 세포 내의 반응을 연구할 필요가 있었다.

돌연변이된 쥐의 세포가 동경의 한 연구 그룹에 의해 1980년에 분리되었다. 이들이 분리한 돌연변이 쥐 세포는 하나의 단백질을 포함하고 있었는데 온도에 매우 민감했다. 저온에서 단백질은 기능을 하지만 고온에서는 하지 않았다. 고온에 누출된 세포들은 결국 성장이 멈추었다. 더불어, 이 실험은 불량 DNA 조합이나 다른 에러적인 기능들이 고온에서 많다는 것을 보여주었다. 이어 미국 보스톤의 연구원들은 돌연변이 쥐 세포 내의 이 고온에 민감한 단백질이 유비퀴틴을 활성화는 E1 효소임을 밝혀냈다. 분명 유비퀴틴 활성화는 세포로 하여금 기능이나 그 자체를 생산하는데 필요한 것이었다. 그러므로 분명 이와 같은 단백질 분해의 조절은 세포 내의 부정확한(잘못된) 단백질을 분해하는데에도 중요한 것일 뿐만 아니라 이 과정은 세포 주기(cell cycle), DNA 복제(DNA replication) 및 염색체 구조(chromosome structure)에도 중요한 역할을 하는 것으로 알려졌다.

1980년 후반부터 유비퀴틴-조절 단백질 분해를 위한 중요한 생리학적 물질들이 발견되기 시작했다. 그 중 몇 가지만 소개한다. 식물에서의 자기-수분(授粉)작용의 예방(Prevention of self-pollination in plants) 대부분의 식물들은 양성(bisexual)이고 자웅동체(hermaphroditic)이다. 그래서 자기-수분(授粉) 작용(self-pollination)을 한다. 자기-수분작용(self-pollination)은 대부분의 유전적 다양성에서 점진적인 퇴보(gradual decline)로 이끌어 결국 멸종하게 된다. 이를 방지 예방하기 위해 식물들은 스스로의 수분(授粉, pollen) 또는 화분(花粉)을 거절하기 위해 유비퀴틴-조절 분해작용을 이용한다. 이에 대한 정확한 메커니즘이 아직 밝혀지지 않았지만, E3 효소가 나타나고, 그 때 안에 있던 프로테아좀이 소개되고, 그러면 자기-수분작용이 예방되는 것이다.

▒ 세포 주기의 규명(Regulation of the cell cycle)

세포가 자기복제(self-copy)를 할 때, 많은 화학반응이 관여된다. 인간에는 32억 개의 염기쌍이 DNA에 복제된다. 이들은 23쌍의 염색체에 모여 복제된다(단, 생식세포인 정자와 난자는 23개의 염색체가 복제된다). 정상적인 세포분열(cell division), 세포의 유사분열(mitosis), 그리고 생식세포(sex cells)의 형성과 감수분열(meiosis) 들은 이번 노벨 화학상 주제와 많은 관련성(subjects)이 있다.

E3 효소는, APC(anaphase-promoting complex)라 불리는 하나의 단백질 컴플렉스로 세포가 유사분열로부터 나오는 것을 확인하는 책임을 진다. 이 효소 컴플렉스는
유사분열과 감수분열시에 염색체의 분리에 중요한 역할을 한다. 또 다른 단백질 컴플렉스는 염색체 쌍 주위에서 하나의 로프(rope)작용을 하여 이들을 붙잡고 있다. 주어진 시그널(signal)에서 APC는 특정 단백질 분해 효소의 억제제(inhibitor)에 라벨을 붙이고, 그 억제제는 프로테아좀으로 옮겨져 파괴된다. 이 효소가 방출되고 활성화되며 염색체 쌍 주위의 로프를 자른다. 로프가 일단 잘려 나가면, 염색체 쌍은 분리된다. 감

수분열시의 부정확한 염색체 분열은 종종있는 것으로 임신(pregnancy)시의 즉각적인 유산(spontaneous miscarriage)을 유발시킨다. 그리고 인간의 특별한 21번 염색체가 Down의 신도롬으로 유도한다. 대부분의 악성 종양들(malignant tumours)은 변화된 염색체를 갖고 있는 세포들을 갖고 있는대 그 것은 유사분열시의 잘못된 염색체의 결과 때문인 것이다. 이러한 종양들을 이번 메커니즘으로 파괴 분해하는 응용기술이 조만간 등장할 것이다.

▒ 의의

알츠하이머병(기억상실증)은 뇌 조직에 베타아밀로이드라는 단백질이 쌓여 치매를 일으키는 것이다. 이처럼 특정 단백질이 분해되지 않고 몸 안에 쌓이면 각종 질병의 원인이 된다. 올해 노벨 화학상을 받은 위 3 사람들은 바로 베타아밀로이드 같은 특정 단백질이 어떻게 분해돼 파괴되는지를 처음 밝혀낸 것이다. 방사성 동위원소로 꼬리표(라벨)를 붙인 유비퀴틴이라는 단백질을 이용해서다. 이 방법으로 세포 안에서 어떤 일이 일어나는지 손금 보듯 하게 됐다.

단백질의 분해과정을 통해 세포의 사멸과 생성이 이뤄진다는 것은 이미 알려진 사실이지만 이번 노벨화학상 수상자들은 유비퀴틴이라는 단백질에 꼬리표(라벨)를 붙임으로써 단백질이 분해되는 과정을 분자수준에서 구체적으로 규명한 것이다. 만약 이러한 유비퀴틴-조절 단백질 분해과정이 잘못되면 자궁암, 낭포성 섬유종과 같은 난치병에 걸리는데, 이번 수상자들의 연구는 이 질병들에 대한 치료제 개발에 주요한 단서를 제공하고 있다는 점이다. 다만, 이번 수상에서 프로테아좀 발견자인 일본의 케이지 다나카와 유비퀴틴 공동발견자인 미국 캘리포니아공대 알렉스 바르 사브스키가 제외된 것은 의외로 받아 들여지고 있다.

아스팩국제경영교육컨설팅 소장, U-Korea Forum 한국형 유비즈 추진분과위 위원장, U-Biz 개발 자문단 사업부단장, 유비쿼터스국제협회(IUA) 부회장으로 활동중이다. 저서로는 디지털 비즈니스 게임, 솔루션 비즈니스 마케팅 등이 있다. 02-387-9141 eMail : wycha@StudyBusiness.com