단백질 모양은 생명의 고대 역사를 풀어내는 데 도움이 될 수 있다

Nature Communications 에 게재된 한 연구에 따르면, 단백질의 3차원 모양을 이용하면 생명 나무의 깊고 오래된 진화적 관계를 밝혀낼 수 있다고 합니다.

연구자들이 단백질 모양에서 얻은 데이터를 유전체 시퀀스에서 얻은 데이터와 결합하여 진화적 나무의 신뢰도를 개선한 것은 이번이 처음입니다. 진화적 나무는 과학계에서 생명의 역사를 이해하고, 병원균의 확산을 모니터링하거나, 질병에 대한 새로운 치료법을 개발하는 데 사용되는 중요한 자원입니다.

결정적으로, 이 접근법은 실험적으로 결정된 적이 없는 단백질의 예측 구조에도 효과가 있습니다. AlphaFold 2와 같은 도구에서 생성되는 엄청난 양의 구조적 데이터에 영향을 미치며 지구상의 생명의 고대 역사에 대한 새로운 창을 여는 데 도움이 됩니다.

실험적으로 결정된 단백질 구조는 21만 개이지만 알려진 단백질 서열은 2억 5천만 개입니다. EarthBioGenome 프로젝트와 같은 이니셔티브는 향후 몇 년 안에 수십억 개의 단백질 서열을 더 생성할 수 있습니다. 풍부한 데이터는 전례 없는 규모로 접근 방식을 적용할 수 있는 문을 열어줍니다.

수십 년 동안 생물학자들은 종과 유전자가 공통 조상에서 어떻게 갈라지는지 추적하여 진화를 재구성해 왔습니다. 이러한 계통발생학적 또는 진화적 나무는 전통적으로 DNA 또는 단백질 서열을 비교하고 유사점과 차이점을 세어 관계를 추론하여 구축됩니다.

그러나 연구자들은 심각한 장애물에 직면합니다. 포화라는 문제입니다. 방대한 시간 척도에서 게놈 시퀀스는 너무 많이 변하여 더 이상 조상 형태와 닮지 않아 공유 유산의 신호가 지워집니다.

"포화 문제는 계통학에서 지배적이며 고대 관계의 재구성에 대한 주요 장애물입니다." 게놈 조절 센터(CRG)의 연구원이자 이 연구의 주 저자인 세드릭 노트르담 박사가 말했습니다. "고대 텍스트의 침식과 같습니다. 글자가 불분명해지고 메시지가 사라집니다."

이 과제를 극복하기 위해 연구팀은 단백질의 물리적 구조에 관심을 돌렸습니다. 단백질은 세포의 기능을 결정하는 복잡한 모양으로 접힙니다. 이러한 모양은 시퀀스 자체보다 진화적 시간 동안 더 보존되어 더 느리게 변화하고 조상의 특징을 더 오래 유지합니다.

단백질의 모양은 아미노산 서열에 의해 결정됩니다. 서열은 돌연변이될 수 있지만, 전체 구조는 종종 기능을 보존하기 위해 유사하게 유지됩니다. 연구자들은 단백질 내 아미노산 쌍 사이의 거리, 즉 분자 내 거리(IMD)를 측정하여 시간이 지남에 따라 구조가 얼마나 달라지는지 측정할 수 있다고 가정했습니다.

이 연구는 광범위한 종을 포괄하는 알려진 구조를 가진 단백질의 방대한 데이터 세트를 수집했습니다. 그들은 각 단백질의 IMD를 계산하고 이러한 측정을 사용하여 계통수를 구성했습니다.

그들은 구조적 데이터로 구축된 트리가 유전적 시퀀스에서 파생된 트리와 매우 일치하지만, 결정적인 이점이 있다는 것을 발견했습니다. 구조적 트리는 포화의 영향을 덜 받았습니다. 즉, 유전적 시퀀스가 ​​상당히 갈라져도 신뢰할 수 있는 신호를 유지했습니다.

연구팀은 시퀀스와 구조가 모두 귀중한 통찰력을 제공한다는 점을 깨닫고, 나무 가지의 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라 올바른 관계와 잘못된 관계를 구분하는 데 도움이 되는 결합된 접근 방식을 개발했습니다.

"두 증인이 서로 다른 각도에서 사건을 설명하는 것과 비슷합니다." 연구의 공동 저자인 레이라 만수리 박사가 설명합니다. "각각 고유한 세부 정보를 제공하지만, 함께라면 더 완전하고 정확한 설명을 제공합니다."

결합된 접근 방식이 상당한 영향을 미칠 수 있는 실제적인 한 가지 예는 인간 게놈의 키나제 간의 관계를 이해하는 것입니다. 키나제는 다양한 중요한 세포 기능에 관여하는 단백질입니다.

"인간을 포함한 대부분 포유류의 유전체에는 우리 생물학의 대부분 측면을 조절하는 약 500개의 단백질 키나제가 들어 있습니다."라고 Notredame 박사는 말합니다. "이러한 키나제는 암 치료의 주요 표적입니다. 예를 들어 인간을 위한 이마티닙이나 개를 위한 토세라닙과 같은 약물입니다."

인간 키나제는 지난 10억 년 동안 일어난 복제를 통해 생겨났습니다. "인간 게놈 내에서 가장 먼 관련 키나제는 약 10억 년 차이가 납니다."라고 Notredame 박사는 말합니다. "그들은 우리 공통 조상의 공통 조상의 공통 조상에서 복제되었습니다."

이 방대한 시간 척도로 인해 이 모든 키나아제가 어떻게 관련되어 있는지 보여주는 정확한 유전자 트리를 만드는 것이 엄청나게 어렵습니다. "그러나 아무리 불완전하더라도 키나아제 진화 트리는 다른 약물과 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 데 널리 사용됩니다. 이 트리를 개선하거나 다른 중요한 단백질 계열의 트리를 개선하는 것은 인간 건강에 중요한 진전이 될 것입니다."라고 Notredame 박사는 덧붙였습니다.

이 연구의 잠재적인 응용 분야는 암을 넘어섭니다. 이 접근 방식을 사용하여 더 정확한 진화적 나무를 만드는 것은 질병이 보다 일반적으로 어떻게 진화하는지에 대한 이해를 높여 백신과 치료법의 개발을 도울 수 있습니다. 또한 복잡한 특성의 기원을 밝히고, 생명공학을 위한 새로운 효소의 발견을 안내하고, 심지어 기후 변화에 대한 반응으로 종의 확산을 추적하는 데 도움이 될 수도 있습니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250115125308.htm

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