Laboratory of Structural Biology
[연구실소개]
본 연구실에서는 x-ray crystallography 기법을 통한 단백질 구조 연구를 중심으로 세포의 여러 기능의 메커니즘을 분자적 수준에서 자세히 규명하고자 한다. 많은 경우 세포의 신호 전달 체계는 몹시 복잡하게 얽혀있으며 이를 조절하는 방식 또한 대게 뚜렷하기보다 미묘한 차이로 세밀하게 조절되는 편이 많다. 간접적인 방법으로 특정 단백질의 기능, 상호작용하는 대상을 알아내는 방법도 널리 쓰이고 있지만 ‘보는 것이 믿는 것’이라는 오래된 속담처럼 특정 단백질의 기능과 미묘한 조절 기작을 설명하는데 있어서 단백질 구조는 가장 분명하고 가시적인 결과일 것이다.
현재 연구실에서 집중하고 있는 부분은 최근 몇년간 XFEL, lipid cubic phase (LCP) crystallization 그리고 계면활성제 등 시료와 기법의 개발과 발전을 통해 여러 돌파구를 뚫었던 막단백질 구조 결정이다. 이중 특히 drug target으로 애용되고 있는 GPCR family에 관심을 갖고 있으며 생명과학에 기반을 두고 있는 연구실인 만큼 단순히 구조결정에서 멈추지 않고 타겟 단백질의 세포내에서의 역할에 대해 생화학적, 생물물리학적 다방면의 접근을 통해 구조와 기능 사이의 연결고리를 최대한 규명하고자 한다. 실험실에 주 연구 주제는 크게 두 가지로 나뉘며 하나는 Class F GPCR인 Frizzled receptor (Fz)가 주수용체로 작용하는 Wnt signaling pathway이고 다른 하나는 현재 가장 많이 구조가 밝혀진 Class A에 속하는 GPCR의 구조와 기능에 대한 연구이다. 이외에도 추가로 다른 협업 실험실과 협업을 하여 관심 있는 단백질 구조 결정하는 연구도 하고 있다.
[연구내용]
1. Wnt Signaling Pathway
Wnt 신호는 발달에 몹시 중요하며 성인이 된 후에도 이 신호전달체계에 문제가 생겼을 시, 암 등 여러 질병을 야기하는 중요한 신호전달체계다. 그러나 그런 중요성과는 별개로 너무나 광범위하며 또한 redundant한 신호 네트워크의 특성과 또 Wnt와 막단백질인 Fz의 정제의 높은 난이도 때문에 연구에 많은 어려움이 있는 주제이며 신호전달기작의 명확한 규명을 위하여 구조 결정이 제공할 수 있는 분자적 수준의 분석을 필요로 하고 있다. Wnt신호체계에서Fz는 리간드와 특이적이나 동시에 promiscuous한 상호작용을 하며 여기에 추가로 다른 여러 보조수용체와 협력하여 크게 세 가지의 하위신호전달경로로 신호를 전달하는 것으로 알려져 있다 (Fig. 1). 우리는Fz주수용체에 집중하여 세포막 수준에서 이뤄지는 어떤 상호작용, 구조적 특성이 어떤 하위신호전달과 연관되어 있는지 찾는 것에 집중하고 Fz와 리간드, 보조수용체의 복합체의 결정을 하기 위해 노력 중에 있다.
Fig. 1 Overall view of Wnt Signaling pathway and its three best characterized downstream signaling pathways
(Marinou, K. and et al., Trends Endocrinol. Metab. 2012)
Fig. 2 A) BiFc assay using fragmented Venus YFP B) BRET assay using Rluc and YFP
X-ray 결정 외에도 다양한 측면에서 Fz의 구조와 활성 기작을 알아내기 위해 연구하고 있다. Fz는 GPCR임에도 불구하고 G protein과 상호작용을 하는지 controversial하게 남아 있으며 가장 많이 연구된 Class A GPCR과는 또 다른 특이적인 활성 조절 기작을 갖고 있을 것으로 생각되어 더 기대된다. BiFc, BRET과 같은 cell-based assay를 통해서 Fz와 다른 단백질간의 상호작용, oligomerization을 조사하고 있는 중이다 (Fig. 2).
2. Class A GPCR 구조 연구
구조에 대해 연구하는 방법으로 가장 대중적으로 많이 쓰이는 방법은 x-ray 결정이지만 이 방법에도 분명한 한계점이 존재한다. Crystal packing에 잘 맞고 에너지적으로 안정한 구조만 이 방법으로 관찰가능하며 또한 정적이고 고정된 구조 밖에 볼 수 없는데 이는 단백질 구조의 dynamic한 특성을 잘 반영하지 못한다. β2 Adrenergic Receptor (β2AR)는 현재까지 agonist-, G protein-, antagonist-bound form 등 여러 형태의 confirmation에서 구조가 결정을 통해 관측되었다. 우리는 여기에 추가로 agonist/antagonist의 상호작용에 따라 β2AR의 helix간의 packing interaction이 어떻게 변화하는지 에너지를 계산하고자 협업 프로젝트를 진행 중이다. 이런 물리화학적 정보는 우리가 GPCR의 활성을 이해하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
Class A GPCR 연구가 다른 class에 비해 많이 진행되어 있다고 하나 이는 class A 내의 일부분의 이야기이다. 비만, 우울증과 같이 현대인의 질병과 관련 있다고 알려져 있는 Neuropeptide Y receptor (NPYR)에 대한 정보는 알려진 바가 거의 없다 (Fig. 3). 우린 이 단백질에 대한 구조적 연구 또한 진행하여 다양한 Class A GPCR 구조와 활성 기작에 대한 이해를 한층 더 높히고자 한다.
Fig. 3 Downstream signaling pathway of NPYR (Brothers, S. P. and Wahlestedt, C., EMBO Molecular Medicine, 2010)