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서병창 교수님 연구실_질병 치료에 단초를 제공할 유전자의 활성 원리 규명
Name : 관리자 | Date : 2021.01.08 15:14 | Views : 822

- DGIST 서병창 교수 연구팀, 세포막 인지질에 따른 칼슘 의존성 염소이온 채널인 TMEM16A의 조절 메커니즘 규명
- 다양한 질병 치료 물질 개발에 새로운 단초를 제시해

 

 

DGIST 뇌·인지과학전공 서병창 교수 연구팀은 염소이온이 이동하는 통로인 ‘TMEM16A’의 활성을 조절하는 요인과 관련된 연구를 통해 관련 원리를 전기생리학 기법과 구조 분석을 통해 규명했다. 향후 여러 질병 치료와 관련된 인간의 생리학적 현상을 좀 더 이해하는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

 ‘TMEM16A’은 칼슘의 농도가 높아지면 활성화되는 칼슘의존성 염소이온이 이동하는 통로로, 다양한 세포 속에서 평활근 수축, 위장의 연동운동, 상피세포에서의 수분 분비 등 여러 생리학적 현상과 관련해 중요한 역할을 수행한다고 알려져 있다. 이에 TMEM16A와 관련된 여러 연구가 진행됐지만, 세포의 세포벽을 구성하는 ‘세포막 인지질’이 TMEM16A의 활성화에 어떠한 역할을 수행하고, 이 때 어떠한 경로로 통로가 활성화되는지에 대해서는 명확하게 밝혀지지 않았다.

 따라서 서병창 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 세포막 인지질 중 하나인 PIP2가 TMEM16A 단백질의 인산화 작용에 어떤 영향을 주는지에 대해서 원리를 분자적 수준에서 규명하고자 했다. 먼저, 연구팀은 선택적 스플라이싱(Alternative Splicing)1)을 통해 만든 TMEM16A의 변이 모델 두 종류를 이용, PIP2와의 관련성을 확인 및 비교했다.

 그 결과, 두 변이 모델이 각각 PIP2와의 결합정도에 따라 TMEM16A의 인산화 정도에 차이를 보이고, 더 나아가 활성도에도 영향을 주는 것을 발견했다. 또한, 연구팀은 세포내에 ATP2)의 농도도 TMEM16A가 활성화되는데 큰 영향을 준다는 것을 함께 발견했다.

 이번 연구결과는 여러 생리학적 현상들에서 중요한 역할을 수행하는 TMEM16A 활성화의 원리를 규명한 연구로, 향후 암, 낭포성섬유증 등 신경병증성 통증과 같은 질병 치료에 중요한 단초를 제시할 것으로 기대된다. 또한, TMEM16A이 활성화되는 원리를 이해하는데 중요한 기틀을 제시해, 세포막에서 비슷하게 작용하는 다른 세포막 단백질의 연구에도 큰 도움을 줄 것으로 보인다.

 뇌‧인지과학전공 서병창 교수는 “이번 연구의 차별점은 TMEM16A 변이 모델마다 PIP2 민감도가 다르게 나타난다는 사실을 규명한 것이다”며 “향후 TMEM16A의 활성 조절연구를 더 진행해 관련된 질병 치료 약물 개발에 도움을 진행했으면 한다”고 말했다.

 한편, 이번 연구 결과는 세계적인 학술지 ‘미국 국립과학원 회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences USA)’ 온라인판에 11월 16일(월) 게재됐다. 연구에는 DGIST 뇌·인지과학전공 서병창 교수가 교신저자로 참여했으며, DGIST 뇌·인지과학전공 고우리 석·박사통합과정생과 美 워싱턴대학 소속 정승령 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

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1)  선택적 스플라이싱(Alternative Splicing): 유전자의 전사 후 엑손(exon)이 선택적으로 사용되어 하나의 유전자에 의해 여러 가지의 기능을 하는 단백질이 만들어질 수 있는 방법 중 하나

2) ) ATP(알로스테릭 효소, Allosteric enzyme): 조절인자(modulator)의 결합에 따라 그 모양이나 구조가 바뀌는 효소. 활성부위 이외의 부위에 특이적인 대사물질이 비공유 결합하면서 촉매활성이 조절됨.

 


 연구결과개요     

Allosteric modulation of alternatively spliced Ca2+-activated Cl- channels TMEM16A by PI(4,5)P2 and CaMKII
Woori Ko, Seung-Ryoung Jung, Kwon-Woo Kim, Jun-Hee Yeon, Cheon-Gyu Park, Joo Hyun Nam, Bertil Hille, and Byung-Chang Suh
(PNAS, on-line published on November 16th, 2020) 


 TMEM16A 세포내 칼슘과 막전압에 의해 활성화 되는 칼슘 의존성 염소이온 채널이다. TMEM16A의 스플라이싱 변이체는  a, b, c, d 4개의 액손 단편의 다양한 조합으로 인해 생겨나며, 만들어진 변이체들은 조직 내에서 고유한 전기생리학적 특징을 보여준다. 액손 단편의 선택적 조합뿐만 아니라, 칼모듈린, 인산화, 인지질 등 여러 요소들이 TMEM16A 채널 개폐에 영향을 준다. 
 본 연구에서는 TMEM16A의 두 가지 스플라이싱 변이체인 TMEM16A(ac)와 TMEM16A(a)가 세포내 고유 PI(4,5)2 대한 민감도가 다르다는 것을 밝혀냈다. 즉, TMEM16A(ac)가 채널 활성도와 PI(4,5)P2 감수에 의한 전류억제가 TMEM16A(a)보다 더 크다는 것을 관찰할 수 있었다. 두 채널의 전류 크기와 PI(4,5)P2 민감도는 세포 내 ATP와 칼슘/칼모듈린 제2인산화 효소에 의한 인산화가 감소되었을 때 더 크게 증가한다. 이러한 조건에서 전류 크기가 증가하는 이유는 단일채널의 전류가 증가하기 때문임을 확인하였다. 또한 아미노산 치환 실험을 통해 첫번째 세포 내 루프에 위치하고 있는 486번 아르기닌 (R486)이 PI(4,5)P2결합 부위 중 하나의 위치로 추정되는 것과 세 번째 세포 내 루프에 존재하는 673번 세린 (S673) 잔기가 PI(4,5)P2민감도를 조절하는 데 있어 채널 인산화에 중요한 위치라는 것을 밝혀냈다.
 더 나아가 TMEM16A 채널의 S673 인산화가 TMEM16A(ac)와 TMEM16A(a) 두 채널의 PI(4,5)P2 결합 부위의 구조를 어떻게 변화시키는지 컴퓨터 시뮬레이션으로 확인했고, 이러한 구조적 변화가 TMEM16A 채널의 PI(4,5)P2 민감도에 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 채널의 인산화/탈인산화를 통해 PI(4,5)P2 결합 부위의 입체구조적 변화가 일어나 단백질 기능이 조절 되는 알로스테릭 모델의 새로운 분자적 메커니즘을 제시한다.
 연구 결과를 종합해보면, TMEM16A의 두 가지 스플라이싱 변이체에 대한 PI(4,5)P2 민감도, 세포 내 ATP, 단백질 인산화효소의 효과를 비교하는 것과 채널 구조를 모델링함으로써, TMEM16A 채널의 활성을 조절하는데 있어 인산화, 세포막 인지질 결합, 스플라이싱 변이체의 상관관계의 새로운 메커니즘을 제시한다. 
DOI : 10.1073/pnas.2014520117

 

 

 연구결과문답     

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
세포막 인지질 PIP2에 의해 TMEM16A 채널 활성이 조절된다는 사실은 최근 많은 연구를 통해 밝혀졌다. 하지만 이번 성과에서는 더 나아가 선택적 스플라이싱에 의한 TMEM16A 변이체에 따라 PIP2 민감도가 다르게 나타난다는 사실을 규명하였다. 또한 채널 단백질에 인산화가 일어나면서 채널의 PIP2 결합부위가 구조적으로 변하고, 그에 따른 채널 활성도와 PIP2 민감도가 조절되는 것을 구조분석을 통해 밝혀냈다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?

암, 낭포성섬유증, 신경병증성 통증, 위장장애, 고혈압 등 TMEM16A 채널과 관련 있는 질병 치료에 있어서 TMEM16A 채널 활성의 원리를 이해할 수 있고, 이를 바탕으로 약물 개발을 위한 기초연구에 이바지 한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

이번 연구는 세포 수준에서 분자적 메커니즘을 확인 한 경우이기 때문에 추후에 더 상위 개념인 동물 모델에서도 세포막 인지질인 PIP2가 TMEM16A 채널에 직접적인 영향을 끼치는지에 대한 연구가 앞으로 추가적으로 수행되어야 한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

인지질 PIP2는 세포막 안쪽에 존재하여 수용체, 이온채널과 같은 다양한 막단백질에 결합하여 단백질 활성을 조절하는 것으로 알려져 있다. 따라서 TMEM16A 채널에 대한 PIP2의 조절 기능에 대한 메커니즘을 실험적으로 증명하고자 하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

TMEM16A 채널 연구에 새로운 방향성을 제시하며, 채널 단백질의 세포막 인지질에 의한 조절 메커니즘을 구조 분석을 통해 명확하게 증명한 것에 큰 의미가 있다. 또한, TMEM16A 채널과 비슷하게 작용하는 다른 종류의 채널 단백질 활성 기전을 이해하는데 큰 도움을 줄 것으로 예상된다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

이번 연구결과를 바탕으로 더 명확한 칼슘 의존성 음이온 채널(TMEM16A)의 활성 조절연구를 진행하여서 학계뿐만 아니라 TMEM16A 채널과 관련된 다양한 질병의 치료 약물 개발에 도움을 제공하고 싶다.

 

 

 그림설명     
[그림 1] TMEM16A 채널의 PIP2 결합

질병 치료에 단초를 제공할 유전자의 활성 원리 규명 이미지2

(그림설명) 
 세포막 인지질 PIP2의 민감도를 보이는 TMEM16A의 구조분석을 통해 PIP2의 4번, 5번 인산기가 TMEM16A의 486번 위치의 아르기닌(Arginine)과 수소결합하고 있음을 확인했다.

 

[그림 2] 인산화/탈인산화에 따른 TMEM16A 구조 비교

질병 치료에 단초를 제공할 유전자의 활성 원리 규명 이미지3

(그림설명) 
673번의 세린(Serine)잔기의 염기 치환으로 인산화(TMEM16A S673D)-탈인산화(TMEM16A S67A) 상태를 미믹(mimic)하여 그에 따른 인산화/탈인산화 활성 부위의 구조와 PIP2 결합 부위가 존재하는 RDR 구조 변화를 관찰 했다.

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