잃어버린 단백질을 집으로 가져오기

세포는 모든 단백질이 올바른 위치에 있어야 하는 고도로 통제되는 공간입니다. 암과 신경퇴행성 질환을 포함한 많은 질병은 잘못된 위치에 있는 단백질과 관련이 있습니다. 예를 들어, 일부 암에서는 일반적으로 핵에서 복제되는 DNA를 감시하는 단백질이 모니터링해야 할 DNA에서 멀리 떨어져 암이 자랄 수 있도록 합니다.

스탠포드 대학의 인문과학부 화학과 조교수이자 Sarafan ChEM-H 연구소 학자인 Steven Banik과 그의 연구실은 세포 내에서 잘못된 위치에 있는 단백질을 원래 위치로 강제로 되돌리는 데 도움이 되는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 방법은 자연적으로 발생하는 셔틀의 활동을 다시 배선하여 단백질을 세포의 다른 부분으로 옮기는 데 도움이 됩니다. 이 팀은 "표적 재국재화 활성화 분자" 또는 TRAM이라는 새로운 종류의 분자를 고안하여 이러한 자연 셔틀이 일부 암에서 핵에서 수출되는 단백질과 같은 다른 화물을 함께 운반하도록 설득했습니다. 9월 18일 Nature 에 발표된 이 전략은 질병과 관련된 단백질의 잘못된 위치를 교정하고 세포에서 새로운 기능을 만드는 치료법으로 이어질 수 있습니다.

바닉은 "우리는 손실된 단백질을 가져와 다시 집으로 가져오고 있습니다."라고 말했습니다.

셔틀과 승객

우리 세포는 핵, DNA의 안전한 집, 또는 에너지가 생성되는 미토콘드리아와 같은 많은 구획을 포함합니다. 이 모든 구획 사이에는 세포질이 있습니다. 세포의 많은 위치 전체에 단백질이 있습니다. 그들은 분자를 만들고 분해하고, 근육을 수축하고, 신호를 보내는 등 모든 종류의 행동을 담당하지만 제대로 기능하려면 적절한 장소에서 각각의 행동을 해야 합니다.

"세포는 정말 붐비는 곳입니다." 바닉이 말했다. "단백질은 RNA, 지질, 다른 단백질과 같은 모든 종류의 다른 분자를 지나가며 군중 속을 휙휙 지나갑니다. 그래서 단백질의 기능은 할 수 있는 일과 다른 분자와의 근접성에 의해 제한됩니다."

질병은 때때로 이러한 근접성에 대한 필요성을 이용하여, 그렇지 않으면 세포를 손상으로부터 보호할 수 있는 단백질을 돌연변이시킵니다. 이런 종류의 돌연변이는 패키지에 잘못된 주소를 적는 것과 같으며, 단백질을 속여 건강한 세포에서는 절대 가지 않을 곳으로 가게 합니다.

때때로, 이 운동은 단백질이 완전히 작동을 멈추게 합니다. 예를 들어, DNA에 작용하는 단백질은 세포질에서 DNA를 찾지 못하고 아무것도 하지 않고 떠내려갑니다. 다른 때는, 이 운동으로 인해 단백질이 나쁜 행위자가 됩니다. 예를 들어, ALS에서 돌연변이는 FUS라는 특정 단백질을 핵에서 세포질로 보내 독성 덩어리로 응집되어 결국 세포를 죽입니다.

바닉과 그의 팀은 다른 단백질을 셔틀로 사용하여 승객 단백질을 적절한 집으로 운반함으로써 단백질의 의도적인 오배치에 대처할 수 있을지 궁금해했습니다. 하지만 이러한 셔틀은 종종 다른 기능을 가지고 있으므로 팀은 셔틀이 화물을 실어 새로운 장소로 운반하도록 설득해야 했습니다.

이를 위해 Banik과 그의 팀은 TRAM이라는 새로운 종류의 두 개의 머리가 있는 분자를 개발했습니다. 한 머리는 셔틀에 달라붙도록 설계되었고, 다른 머리는 승객에 달라붙도록 설계되었습니다. 셔틀이 충분히 강하다면 승객을 적절한 장소로 데려갈 것입니다.

함께 타다

이 팀은 두 가지 유망한 셔틀 유형에 집중했습니다. 하나는 단백질을 핵으로 끌어들이는 셔틀이고, 다른 하나는 핵에서 단백질을 내보내는 셔틀입니다. 화학 대학원생이자 논문의 첫 번째 저자인 크리스틴 응은 셔틀과 승객을 연결하는 TRAM을 설계하고 구축했습니다. 세포질에 있는 승객이 핵에 도착하면 TRAM이 작동했다는 것을 알게 됩니다.

첫 번째 과제는 즉각적이었습니다. 개별 세포의 특정 위치에 있는 단백질의 양을 측정할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법이 없었습니다. 그래서 Ng는 주어진 시간에 세포 내의 패신저 단백질의 양과 위치를 정량화하는 새로운 방법을 개발했습니다. 훈련을 받은 화학자인 그녀는 이를 위해 현미경과 계산 분석의 새로운 기술을 배워야 했습니다.

"자연은 본질적으로 복잡하고 상호 연결되어 있기 때문에 학제간 접근 방식을 갖는 것이 중요합니다."라고 Ng는 말했습니다. "한 분야의 논리나 도구를 빌려 다른 분야의 문제를 해결하면 종종 매우 흥미로운 '만약' 질문과 발견이 생깁니다."

다음으로, 그녀는 그것을 시험했습니다. 그녀의 TRAM은 그들이 사용한 셔틀에 따라 승객 단백질을 핵으로 성공적으로 이동시켰습니다. 이러한 초기 실험은 그녀가 셔틀이 승객이 다른 방향으로 끌어당기는 경향을 극복하기 위해 얼마나 강해야 하는지와 같은 설계에 대한 몇 가지 기본적인 "규칙"을 생성하는 데 도움이 되었습니다.

다음 과제는 질병을 유발하는 단백질 이동을 역전시키는 약물이 될 수 있는 TRAM을 설계할 수 있을지 여부였습니다. 먼저, 그들은 핵에서 운반되어 ALS 환자에게 위험한 과립을 형성하는 단백질인 FUS를 재배치하는 TRAM을 만들었습니다. 연구팀은 TRAM으로 세포를 치료한 후 FUS가 핵의 자연스러운 집으로 다시 운반되고 독성 덩어리가 감소하고 세포가 죽을 가능성이 낮아지는 것을 확인했습니다.

그런 다음 그들은 신경 퇴화에 더 저항력이 강한 쥐의 잘 알려진 돌연변이에 주목했습니다. 고인이 된 벤 바레스 등이 유명하게 연구한 이 돌연변이는 특정 단백질이 뉴런의 축삭을 따라 핵에서 멀어지게 합니다.

연구팀은 돌연변이의 보호 효과를 모방하여 단백질을 축삭 끝까지 운반하는 TRAM을 만들 수 있을지 궁금해했습니다. 그들의 TRAM은 표적 단백질을 축삭 아래로 이동시켰을 뿐만 아니라 신경 변성을 모방하는 스트레스에 대한 세포의 저항력을 높였습니다.

이 모든 사례에서 팀은 지속적인 과제에 직면했습니다. TRAM의 승객 타겟팅 헤드를 설계하는 것은 과학자들이 아직 표적 승객과 결합할 수 있는 모든 분자를 식별하지 못했기 때문에 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 팀은 유전 도구를 사용하여 이러한 승객에게 끈적끈적한 태그를 설치했습니다. 하지만 미래에는 이러한 승객에게 자연적으로 발생하는 끈적끈적한 조각을 찾아 TRAM을 새로운 종류의 의약품으로 개발할 수 있기를 바랍니다.

이들은 두 개의 셔틀에 초점을 맞추었지만, 이 방법은 다른 셔틀, 예를 들어 다른 세포와 통신이 이루어지는 세포 표면으로 물질을 밀어내는 셔틀에도 일반화할 수 있습니다.

돌연변이된 단백질을 원래 위치로 돌려보내는 것을 넘어, 연구팀은 TRAM을 사용하여 건강한 단백질을 정상적으로 접근할 수 없는 세포 부분으로 보내 아직 가능하다고 알려지지 않은 새로운 기능을 창출할 수 있기를 바라고 있습니다.

"우리가 규칙을 배우기 시작했기 때문에 신나는 일이에요." 바닉이 말했다. "균형을 바꾸면, 단백질이 갑자기 세포의 새로운 부분에서 새로운 시간에 새로운 분자에 접근할 수 있다면, 무엇을 할까요? 어떤 기능을 잠금 해제할 수 있을까요? 어떤 새로운 생물학을 이해할 수 있을까요?"

Banik은 Bio-X와 Wu Tsai Human Performance Alliance의 회원이기도 합니다. 다른 Stanford 공동 저자로는 화학 전공 대학원생이었던 Aofei Liu와 화학과의 Job and Gertrud Tamaki 교수인 Bianxiao Cui가 있습니다. Cui는 Bio-X, Cardiovascular Institute, Wu Tsai Neurosciences Institute의 회원이며 Sarafan ChEM-H의 교수 펠로우입니다. 이 연구는 A*STAR 펠로우십과 NIH/NIGMS의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240922232015.htm