Korean Biophysical Society Newsletter · 2016-11-23 · Biophysical Society Newsletter Page 3 (2) 7th Asian Biophysics Association (ABA) 심포지움안내 7th Asian Biophysics Association

한국생물물리학회 Korean Biophysical Society

Newsletter제 15 권 제 1 호 2010 년 6 월

한국생물물리학회 Newsletter 제15권 제1호 2010년 6월 발행 136-791 서울시 성북구 월송길 5 (하월곡동 39-1번지) KIST (한국과학기술연구원) 발행인: 유명희 (Tel: 02-958-6917 Fax: 02-958-6919 e-mail: [email protected])

편집기획: 이진원 (Tel: 02-2220-0952 Fax: 02-2299-3491 e-mail: [email protected])

이멀젼 방법에 의한 약물봉입

one-to-many 신호전달의 특이성

회 장 단

회 장 유명희 (KIST)

부 회 장 이원태 (연세대)

총무간사 최한석 (울산의대)

학술간사 신동해 (이화여대)

조은성 (고려대 조치원)

회원간사 이은희 (가톨릭의대)

편집간사 이진원 (한양대)

재무간사 이철주 (KIST)

운 영 위 원

강린우 (건국대)

강사욱 (서울대)

강영기 (충북대)

김경태 (포항공대)

김도한 (광주과학기술원)

김성준 (서울대)

김양미 (건국대)

김영기 (충북대)

김혜원 (울산대)

박철승 (광주과학기술원)

석차옥 (서울대)

엄대용 (성균관대)

엄융의 (서울대)

유연규 (국민대)

감 사

채수완 (전북대)

학회소식

(1) 2009년도 한국생물물리학회 정기총회

(2) 2009년도 한국생물물리학회 학술발표회

(3) 2009년도 한국생물물리학회 우수포스터상

총설

생체 분해성 화학 결합과 생체 재료에의 응용

이 연 (서울대학교)

본질적으로 무질서한 단백질들

(Intrinsically Disordered Proteins)

신동해 (이화여자대학교)

Page 2 Biophysical Society Newsletter

(1) 2010년도 한국생물물리학회 정기총회 및 학술대회

2010년도 한국생물물리학회 정기총회 및 학술대회가 6

월 25일 (금요일) 연세대학교 학술정보관 장기원 국제회의실에서 개최된다. 정기총회에서는 학회의 2009년도 결산

및 2010년도 예산에 대한 보고가 있을 예정이다. 또한 학술대회에서는 서울대학교 서세원 교수의 Plenary lecture를 포함한 9개의 강연과 생물물리학의 다양한 분야에 대한 포스터 발표가 예정되어 있다. 2010년 한국생물물리학회 학술대회 일정은 다음과 같다.

등록 및 포스터 부착 09:30 – 10:00

개회사 (한국생물물리학회장 유명희 박사) 10:10 – 10:15

축사 (연세대학교 대학원장 이태영 교수) 10:15 – 10:20

Part I Chair: 강사욱 (서울대학교)

이민구 (연세대학교) 10:20 – 10:45

Molecular model of transepithelial bicarbonate transport in

pancreatic duct cells

윤태영 (KAIST) 10:45 – 11:10

Dynamic Ca2+-Dependent Stimulation of Vesicle Fusion by

Membrane-Anchored Synaptotagmin 1

장익수 (부산대학교) 11:10 – 11:35

Dynamic heterogeneity, cooperativity, and free energy

landscape of protein folding-unfolding

Plenary Lecture Chair: 이원태(연세대학교)

서세원 (서울대학교) 11:35 – 12:15

A Helicobacter pylori proinflammatory protein up-regulates

NF-κB as a cell-translocating Ser/Thr kinase

Lunch 12:15 – 13:30

Part II Chair: 황광연 (고려대학교)

하남출 (부산대학교) 14:30 – 14:55

The hexameric AcrA structure suggests molecular assembly of

a bacterial multidrug efflux pump

이남기 (포항공대) 14:55 – 15:20

Diffusion-Based Single Vesicle Fusion Studied by Alternating-

Laser Excitation-FRET

신동해 (이화여자대학교) 15:20 – 15:45

A structural study of transient inactivation of peroxiredoxin I

by phosphorylation which is an essential step to localize H2O2

accumulation for cell signaling

Break 15:45 – 16:10

Part III Chair: 강영기 (충북대학교)

지승욱 (한국생명공학연구원) 16:10 – 16:35

Structural Basis for Novel Apoptosis Regulation Mechanism

of Bcl-2 Protein Family

조광현 (KAIST) 16:35 – 17:00

A System-Level Study of Synchronized Oscillations in

Biological Networks

예병일 (연세대학교) 17:00 – 17:25

Functional regulation of transient receptor potential vanilloid

type (TRPV) 6 channel by extracellular pH

우수포스터 시상식 17:30 – 17:40

Photo Shoot 17:40 – 17:50

총회 17:50 – 18:20

Banquet 18:20 –

학 회 소 식

Biophysical Society Newsletter Page 3

(2) 7th Asian Biophysics Association (ABA) 심포지움안내

7th Asian Biophysics Association (ABA) 심포지움이

2011년 1월 30일부터 2월 3일까지 인도 뉴델리의 India

Habitat Center에서 개최될 예정이다. 2010년 10월 15일까지

사전등록 기간이며 사전등록비는 일반은 USD350이며

학생은 USD175이다. 심포지움 Circular는 아래와 같으며,

보다 자세한 사항은 7th Asian Biophysics Association (ABA)

Symposium 홈페이지 (www.abaibs2011.com)에서 확인할

수 있다.



생체 분해성 화학 결합과 생체 재료에의 응용

서울대학교 화학부

이 연

1. 서론

의학의 발달과 더불어 생체 재료의 수요는 급속히

증가하고 있다. 특히 약물 전달 (drug delivery) 기술과 조직

공학 (tissue engineering) 기술에 기반을 둔 새로운 개념의

치료법이 속속 개발되면서, 기능성과 안전성을 동시에

지닌 다양한 생체 재료의 필요성이 더욱 강조되고 있다.

약물 전달 기술이란 각종 약물을 체내에서의 비활성화

혹은 부작용을 피하여 목표하는 조직 및 세포까지 효율성,

선택성, 안전성 있게 전달하는 데 필요한 모든 기술들을

총칭한다. 현재 시장에서 시판되는 약물 중 절반 이상에

약물 전달 기술이 적용되어 있으며, 2011년에는 약물 전달

기술과 연관된 시장 규모가 미국에서만도 1,500억 달러

이상에 이르게 될 것으로 예측된다. 약물 전달 기술의

핵심은 약물을 전달체 (carrier) 내에 봉입하는 기술,

목표까지 전달하는 기술, 그리고 약물을 조절 방출

(controlled release) 하는 기술이다. 이러한 핵심 개념을

실현하려면 생체 내에서 분해되는 화학 결합을 지닌 생체

재료가 필수적이다.

생체 내 결손 혹은 손상 부위를 보완하기 위하여 세포를

배양/조직화하여 생체 내에 삽입하거나 혹은 손상 조직

대체 물질을 개발하는 것을 목적으로 하는 조직 공학

분야에서도 생분해성 (biodegradability) 을 지닌 화학

결합의 존재는 필수적이다. 세포를 2차원 혹은 3차원적

형태로 조직화하는 데에는 세포를 원하는 모양으로 일정

기간 동안 성장시킬 생체 적합성 (biocompatibility)

지지체가 필요하다. 일반적으로 생분해성 소재는 생체

적합성 역시 높다고 할 수 있으므로, 생분해성 화학 결합은

보다 안전한 지지체 및 조직 대체 물질을 개발하는 중심에

있다. 또한 이러한 배양 조직 혹은 조직 대체 물질을 생체

내에 이식한 후에는, 조직이 안정화되는 일정 시간이

경과한 후 지지체가 서서히 분해되어 체내에서 제거될 수

있는 것이 바람직하다. 이러한 목적에서도 생분해성 화학

결합은 필수적인 요소라고 할 수 있다.

현재 에스터 (ester), 오르토에스터 (orthoester),

포스포에스터 (phosphoester), 다이설파이드 (disulfide),

아세탈 (acetal), 이민 (imine), 아미드 (amide) 등 다양한

생분해성 화학 결합이 개발되어 생체 재료에 이용되고

있다. 생분해성 화학 결합에 대한 연구 초기에는, 생체

내에서 시간이 경과에 따라서 서서히 분해되는 지연

분해성 (sustained degradability) 결합에 대한 연구가 중심이

되었지만, 현재는 보통 생체 환경에서는 안정하지만

‘특정한 조건’이 만족되었을 경우에만 빠르게 분해되는

조절 분해성 (controlled degradability) 에 대한 연구가 더욱

활발히 진행되는 추세이다. pH의 변화, 특정 화학 물질

농도의 변화, 광조사 (光照射) (light irradiation) 등과 같은

다양한 생체 신호 요소들이 화학 결합의 안정성을 조절할

수 있는 가능성을 보여 주고 있다.

본 총설에서는 생체 재료에 필수적인 다양한 생체

분해성 결합에 대해 설명하고자 한다. 지연 분해성 화학

결합 (에스터, 포스포에스터) 으로부터 시작하여 pH

변화에 응답하여 분해성이 조절되는 결합 (오르토에스터,

아세탈, 이민, 아미드), 특정 화학 물질 (혹은 환원 전위

(reduction potential)) 에 의해 분해성이 조절되는 결합

(다이설파이드) 을 거쳐 광응답 분해성을 보이는 특수

결합에 이르기까지 생체 분해성 조절의 원리와 응용

범위에 대해 설명하려 한다.

2. 지연 분해성 결합

2.1. 에스터 결합

카르복시기 (carboxyl group) 과 히드록시기 (hydroxyl

총 설


group) 의 축합 (condensation) 에 의해 형성되는 에스터

결합은 생분해성 화학 결합 중에서도 가장 오랫동안

연구되어 왔다. 에스터 결합은 중성 수용액 내에서 본래의

카르복시기와 히드록시기로 서서히 가수분해 (hydrolysis)

되며, 분해 속도는 분자 구조에 따라서 변화한다. 생체

재료에 가장 많이 사용되고 있는 생체 분해성 고분자 중

하나인 PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) (그림 1) 의 경우,

친수성 성분인 글리콜산 (glycolic acid) 의 분율이

늘어날수록 분해 속도가 증가하고, 소수성 성분인 젖산

(lactic acid) 의 분율이 늘어날수록 분해 속도가 감소한다

[1]. 가수 분해되는 과정에 있어서 물 분자의 에스터

결합으로의 접근이 필수적인데, 친수성 글리콜산 및

소수성 젖산의 분율에 따라 물 분자의 접근성이 달라지게

되며, 이는 곧 분해 속도의 차이를 유발하게 된다. PLGA에

비해 더욱 소수성이 강한 분자 구조를 지닌 PCL

(poly(caprolactone)) 의 분해 속도는 더욱 느리다.

에스터 결합은 수용액 내에서 주로 수 시간 ~ 수십 시간

대의 반감기를 보이며 분해되지만, 수십 분 정도의 짧은

반감기를 지니는 에스터 결합도 존재한다. 주로 아민

(amine) 기가 측쇄 (side group) 에 자리잡고 있는 에스터

결합이 빠른 분해 속도를 보이는데, 이는 에스터에 대한

친핵성 공격 (nucleophilic attack) 능력이 있는 아민 기가

에스터 결합을 공격하기 때문이다. 측쇄에 1차 아민

(primary amine) 이 존재하는 PAGA (poly-　-aminobutyl-L-

glycolic acid) 고분자는 수용액 상에서 약 30분 정도의

반감기를 보이면서 분해된다 [2]. 물론 아민 기의 구조

역시 분해 속도에 영향을 미친다. 1차 아민 대신, 에스터

결합에 대한 공격 능력이 떨어지는 3차 아민 (tertiary amine)

을 지닌 고분자는 약 10시간 정도에 이르는 반감기를

가진다 [3].

이처럼 수용액상에서 가수 분해되는 에스터 결합은

약물을 생체 내에서 천천히 방출하려 하거나, 혹은 생체 내

분해성을 지닌 조직 공학 지지체로서 많이 사용된다.

전체적으로 소수성 고분자로 분류되는 PLGA, PCL

고분자는 주로 소수성 약물을 봉입하는 데 이용된다.

소수성 약물은 이멀젼 (emulsion) 방법에 의해 PLGA 혹은

PCL로 이루어진 전달체 내에 봉입할 수 있으며 (그림 2),

에스터 결합이 수용액 상에서 서서히 분해되면서 생성된

전달체의 구멍을 통해 점진적으로 방출된다. PLGA 혹은

PCL의 단량체 분율을 조절하면 분해 속도가 조절되므로,

약물의 방출 속도 역시 조절이 가능하다.

반면 측쇄에 아민기가 있는 친수성 에스터 고분자는

주로 핵산 (nucleic acid) 전달체에 사용된다. DNA 또는

RNA와 같은 핵산은 인산 기 (phosphate group) 을 지니고

있으므로 음전하를 띠고 있다. pKa가 높은 아민 기는 중성

pH 조건에서 양전하를 띠게 되므로, 아민 기가 있는

고분자를 핵산 수용액에 첨가하면, 인산 기와 아민 기

사이의 정전기적 인력에 의해 고분자 복합체를 형성하게

된다. 인산 기와 아민 기 사이의 정전기적 인력에 의한

엔탈피 (enthalpy) 감소, 인산 기에 결합하고 있었던 소듐

(Na+) 이나 포타슘 (K+) 등의 이온들이 양전하성 고분자에

그림 1. 생체 재료에 주로 사용되는 에스터 결합 고분자


의해 대체됨으로써 나타나는 엔트로피(entropy) 증가가 이

고분자 복합체 형성의 원동력이라고 할 수 있다. 이렇게

형성된 고분자 복합체는 치료용 혹은 연구용 목적으로

핵산을 세포 내로 전달하는 데 있어 중요한 역할을

담당한다. 이러한 고분자 복합체는 최종적으로 에스터

결합의 분해에 불안정화하고, 핵산은 서서히

복합체로부터 방출된다.

이처럼 수용액상에서 분해되는 에스터 결합은

생분해성 고분자의 생체 재료 응용에 있어서 가장

기본적인 아이디어를 제공했다. 에스터 결합 이후에

수많은 생분해성 결합이 개발되었지만, 에스터 결합은

아직까지도 생체 재료에서 가장 중요하게 사용되는 화학

결합 중 하나라고 할 수 있다.

2.2. 포스포에스터 결합

인산 기에 두 개의 히드록시 기가 축합된 형태인

포스포다이에스터 (phosphodiester) 결합은 유전 정보를

저장하는 핵산의 주쇄 (main backbone) 를 구성하는 화학

결합이다. 포스포다이에스터는 매우 강인한 화학

결합으로서 일반적인 생체 조건에서는 반감기가 무려

300억년에 이른다고 알려져 있다. 따라서 생체 분해성의

목적으로 합성 포스포다이에스터 결합을 생체 재료에

이용하는 것은 상당한 무리가 따른다. 하지만, 인산 기에

세 개의 히드록시 기가 결합되어 형성되는

포스포트라이에스터 (phosphotriester) 결합의 경우는

포스포다이에스터 결합에 비해서 안정성이 크게 감소한다.

포스포트라이에스터 결합에는 모두 세 개의 포스포에스터

결합이 존재하는데, 이 중 하나의 결합은 생리 조건에서 약

100시간 정도의 반감기를 보이면서 가수 분해되어

포스포다이에스터와 알코올을 형성하게 된다 (그림 3).

포스포트라이에스터 결합은 에스터 결합에 비해 현저히

느린 분해 속도를 지니고 있으므로, 좀 더 느린 분해 혹은

약물 방출을 필요로 하는 생체 재료에 이용할 수 있다.

예를 들어, PPE-EA (poly(2-aminoethyl propylene phosphate)

와 같은 포스포트라이에스터 기반 고분자는 측쇄에 일차

아민을 가지고 있으므로 핵산 약물과 정전기적 복합체를

형성하며, 이렇게 형성된 복합체는 생체 내에서 약 10일에

걸쳐 핵산 약물을 서서히 방출할 수 있다 [4]. 그림 2. (A) 이멀젼 방법에 의한 약물 봉입. (B) 양전하성

고분자/음전하성 핵산 정전기적 복합체 형성.

그림 3. 포스포트라이에스터 결합.


3. 조절 분해성 결합

3.1. 오르토에스터, 아세탈, 이민 결합

조절 분해성을 유발할 수 있는 다양한 생체 조건 중에서,

가장 활발하게 연구되고 있는 조건 요소를 꼽자면 바로

pH라고 할 수 있다. 일반적인 생체 내 pH는 7.3~7.5

정도이지만, 소화 기관 내에서는 위 (stomach) 의 pH 2

근방으로부터 십이지장의 pH 9 근방에 이르기까지 상당한

변화를 보이고 있으며, 세포 내 소기관인 엔도좀

(endosome) 의 pH는 약 4~6 정도의 약산성을 띠고 있다.

정상 세포에 비해 활발하게 대사 활동을 하는 암세포

주변의 pH 역시 약 5~6 정도를 유지한다. 따라서 이러한

pH 변화에 반응하여 분해될 수 있는 화학 결합을 생체

재료에 이용한다면, 암세포를 포함한 다양한 생체 내

목표에서만 약물을 특이적으로 방출할 수 있는 시스템을

확보할 수 있다.

오르토에스터 결합과 아세탈 결합, 이민 결합은

대표적인 pH 응답성 결합이다. 오르토에스터 결합은

하나의 카르복시 기와 하나의 히드록시 기에 의해 형성된

에스터 결합과는 달리, 하나의 카르복시 기와 세 개의

히드록시 기의 축합에 의해 형성된다 (그림 4).

오르토에스터 결합은 에스터 결합에 비하여 상당히

안정하여, 중성 pH 환경에서는 수십 일 (day) ~ 수백 일

정도에 이르는 긴 반감기를 보인다. 하지만 오르토에스터

결합이 산성 조건과 접촉하게 되면 그 분해 속도는

가속화된다. 오스토에스터 결합은 pH 4~6 정도의 약산성

조건에서 수 시간~수십 시간 정도의 반감기를 보이며 빠른

속도로 가수분해 된다 [5]. 오르토에스터 결합은 네 개의

작용기 (1 carboxyl group + 3 hydroxyl group) 의 축합에

의한 복잡한 합성 과정을 거치므로, 최근에는 이를

단순화하여 다이케틴 아세탈 (diketne acetal) 형태의

중간체에 기반한 쉽고 간편한 합성 과정이 개발되었고,

이는 오르토에스터 결합의 생체 내 이용에 큰 발전을

가져왔다. 장기 분해성과 pH 응답성이라는 두 특징에 의해,

오르토에스터는 생체 내에서 크게 두 분야에 응용될 수

있다. 중성 pH에서는 수 개월~수 년 에 걸치는 장기

분해성에 기반하여 에스터/포스포에스터 이상 (以上) 의

장기 약물 방출을 필요로 하는 생체 재료에 이용되며, 낮은

pH 조건에서 빠르게 분해되는 성질에 기반하여 암세포

주변에서 약물을 방출할 수 있는 암세포 표적성 약물

전달에 이용되기도 한다.

아세탈 결합은 하나의 알데하이드 기 (aldehyde group) 와

두 개의 히드록시 기 사이에 형성되는 화학 결합이다.

아세탈 결합은 일찍부터 히드록시 기 혹은 알데하이드

기의 선택적 보호기 (selective protecting group) 로서 화학

합성에 이용되어 왔다. 대부분의 아세탈 결합은 약산성

조건인 pH 3~6 정도에서 본래의 알데하이드와 히드록시

기로 분해되는 성질을 지니고 있으므로, 약물 전달체를

비롯한 생체 재료로서의 응용 가능성이 크다. 특히 아세탈

결합의 pH 응답성 분해 속도는 오르토에스터 결합에 비해

훨씬 빠르다. 아세탈 결합은 수 분~수십 분의 반감기를

보이면서 가수 분해되므로, 빠른 pH 반응성을 필요로 하는

약물을 방출하는 데 매우 효과적이다. 히드록시 기 혹은

알데하이드 기를 지닌 다양한 약물, 혹은 생체 반응성

분자를 아세탈 결합을 통해 약물 전달체에 연결, pH

그림 4. pH 응답성 생분해성 결합. 오르토에스터, 아세탈, 이민.


응답성 방출을 수행할 수 있다 [6].

이민 결합도 아세탈 결합과 유사한 특징을 지닌다.

알데하이드 혹은 케톤 (ketone) 기와 아민 기 사이의 이중

결합으로 구성되는 이민은 중성 이상의 pH에서는

안정하지만 pH 4~6 근처의 약산성에서는 불안정화하여

분해된다 [7]. 결합 구성 요소에 히드록시 기가 아닌 아민

기를 필요로 하므로, 아세탈 결합과는 상호 보완적인

관계에 있다고 할 수 있다. 아민/히드록시 기 혹은

알데하이드/케톤 기를 지니고 있는 수많은 약물들이

존재하므로, pH 응답성이 필요한 암세포 혹은 엔도좀 내

약물 방출에 있어서 아세탈 결합과 이민 결합은 그 응용

가능성이 매우 높다.

3.2. 전하 전환성 아미드 결합

아미드 (amide) 결합은 생체 내에서는 흔히 펩타이드

(peptide) 결합으로도 알려져 있으며, 아민 기와 카르복시

기의 축합에 의해 형성된다. 단백질의 주쇄를 구성하고

있는 아미드 결합은 유기물을 구성하는 결합 중에서는

상당히 안정성이 높은 결합에 속하며, 매우 격한

조건에서만 분해된다. 예를 들어 단백질 내 아미드 결합을

분해하기 위해서는 pH 14 이상의 강한 염기성 또는 pH 1

미만의 강한 산성의 조건을 필요로 한다. 하지만 매우

안정한 결합으로만 여겨져 왔던 아미드 결합 중 일부가

특징적인 pH 응답성을 지니고 있다는 것이 알려지면서,

조절 분해성이 필요한 생체 재료에 있어서도 아미드

결합의 응용 범위가 넓어져 가기 시작했다.

숙신산 아미드 (succinic acid amide) 는 여타 일반적인

아미드와 마찬가지의 분해 거동을 보이지만, 그 구조에

시스-이중 결합 (cis-double bond) 을 추가한 말레산 아미드

(maleic acid amide) 는 pH 3 정도의 약산성 조건에서도

분해된다 (그림 5). 숙신산 아미드에서는 탄소-탄소 단일

결합의 자유로운 회전에 의해 카르복시 기가 아미드

결합에 대한 친핵성 공격이 용이한 위치에 놓이는 것이

확률상 어렵다고 할 수 있다. 하지만 말레산 아미드에서는

시스-이중 결합에 의해 카르복시 기의 회전이 제한되므로,

카르복시기는 항상 아미드 결합을 공격할 수 있는 위치에

놓이게 된다. 이러한 입체 구조의 차이에 의해 말레산

아미드 결합은 훨씬 더 민감한 pH 응답성을 가질 수 있다.

말레산에 메틸 (methyl) 기를 첨가한 시트라콘산 아미드

(citraconic acid amide) 는 pH 응답성이 더욱 확실하다.

시트라콘산 아미드는 pH 5-6 정도의 약산성에도 분해되며,

유사한 유도체인 시스-아콘니틴산 아미드 (cis-aconitic acid

amide) 역시 그러하다 [8].

이러한 pH 응답성 아미드 결합은 여타 pH 응답성

결합과 마찬가지로 약산성 조건에서의 약물 방출에 쉽게

응용될 수 있지만, 그 구조적 특징에 의해 또 다른

응용성을 가질 수도 있다. 말레산 아미드 유도체의 구조를

잘 살펴보면, 낮은 pKa 값을 가지는 카르복시 기의 존재에

의해 중성 pH에서는 음전하를 띠고 있다는 것을 알 수

있다. 하지만 산성 pH에서 아미드의 분해로 인해 높은 pKa

값을 가지는 아민기가 노출되게 되면 양전하를 띠게 된다.

즉, 말레산 아미드 유도체는 pH 변화에 응답하여 전하의

그림 5. 전하 전환성 아미드 결합


종류와 밀도를 동시에 변화시키는 결합인 것이다. 예를

들어 단백질의 라이신 (lysine) 잔기를 말레산 아미드

유도체로 변형시킨다면, 단백질 전체의 음전하량이

늘어나게 되어 pI (isoelectric point) 가 낮아지게 된다.

이렇게 음전하량이 증가된 변형 단백질은 양전하성

물질과의 정전기적 상호작용이 더욱 강화되어 보다

안정한 복합체를 형성할 수 있지만, pH 강하에 따라

말레산 아미드 유도체가 분해되어 본래의 라이신 잔기가

노출된다면, 단백질의 전하 밀도는 본래대로 회귀하고

양전하성은 상대적으로 증가하면서 복합체는 해리되게

된다 [9].

이러한 전하 전환 (charge-conversion) 은 각종 생체막을

선택적으로 불안정화하는 응용 성도 가질 수 있다 (그림 6).

세포막 (plasma membrane), 엔도좀 막 (endosomal membrane)

등 각종 생체막은 양전하성 고분자 물질과의 접촉에 의해

불안정화된다. 양전하성 고분자는 말레산 아미드 결합에

의해 음전하성 고분자로 전하 전환이 가능하고, 이렇게

전하 전환된 고분자는 산성 pH에서 말레산 아미드가

분해되면서 본래의 양전하로 전하가 환원된다. 따라서

이러한 전하 전환성 고분자는 후기 엔도좀 (late endosome)

막 불안정화, 암세포의 세포막 불안정화 등 산성 pH에서

특징적으로 생체막을 불안정화하는 목적으로 응용이

가능하다 [10].

3.3. 다이설파이드 결합

다이설파이드 결합은 두 개의 싸이올 (thiol) 기 사이의

단일 결합으로 구성된다. 단백질을 구성하고 있는

폴리펩타이드 (polypeptide) 는 다이설파이드 결합을 통해

삼차원적 구조 안정성을 획득한다. 다양한 생분해성 결합

중에서도 다이설파이드 결합은 독특한 성질을 지닌

결합으로서 매우 높은 유용성을 지니고 있다.

세포를 내부와 외부로 구분하고 있는 세포막은 단순한

물리적 장벽이 아니다. 세포 내부와 외부는 화학적으로도

매우 다른 조성을 지니고 있는데, 그 중 대표적인 것이

글루타싸이온 (glutathione) 의 농도이다. 글루타싸이온은

싸이올 기를 지니고 있는 아미노산 유도체인데, 세포

내에는 약 5 mM에 이르는 고농도의 환원형

글루타싸이온이 존재한다. 고농도의 환원형

글루타싸이온은 세포막을 기준으로 강력한 환원 전위

(reduction potential) 를 발생시키며, 따라서 세포 내부로

유입된 다이설파이드 결합은 환원형 글루타싸이온과의

다이설파이드 교환 반응 (disulfide exchange reaction) 을

통해 빠른 속도로 환원되어 분해된다 (그림 7) [11]. 따라서

다이설파이드 결합으로 구성된 약물 전달체는 세포

외부에서는 안정하게 유지되지만 세포 내부에서는

분해되어 약물을 방출할 수 있게 된다.

그림 6. 전하 전환 고분자에 의한 선택적 생체막 불안정화.

그림 7. 세포 내 환원 전위에 의한 다이설파이드 결합의 분해.


세포 내부에서만 분해되는 생체 재료를 구성하는 데

매우 유용하게 쓰이는 다이설파이드 결합은, 암세포

주변에서의 선택적 분해 시스템에도 응용 가능성이 있다.

일반적으로 세포 외부는 산화 환경으로 구성되어 있다고

할 수 있지만, 암세포 주변에서는 정상 세포에 비해

글루타싸이온 농도가 약 7~10배 정도 높다. 이로 인해

암세포 주변은 상당히 강한 환원 전위가 구축되며,

다이설파이드 결합은 암세포 주변에서도 선택적 분해가

이루어질 수 있다. 암세포의 높은 대사율에 의한 pH

강하에 반응하는 각종 생체 분해성 결합과 함께, 환원

전위에 반응하는 다이설파이드 결합은 암을 정복하는 데

있어 또 하나의 중요한 자원이 될 것으로 기대되고 있다.

3.4. 광분해성 결합

지금까지 pH 혹은 글루타싸이온 농도 변화 등 내부 신호

(internal signal) 에 반응하는 생분해성 결합에 대하여

살펴보았다. 내부 신호 응답성 화학 결합은 각종 생체 신호

변화에 수동적으로 반응하여 분해되는 것이라고 할 수

있다. 최근의 연구 동향에 따르면, 내부 신호에 대한

수동적인 반응을 넘어서서 능동적으로 가해 준 외부 신호

(external signal) 에 반응하여 분해되는 화학 결합에 대한

연구도 활발히 진행되고 있다. 온도, 초음파, 빛 등 다양한

외부 신호에 대한 반응성 연구가 진행되고 있지만, 그 중

가장 대표적인 것은 빛 신호 반응성이라고 할 수 있다.

빛 신호에 반응하여 분해되는 결합을 생체 재료에

이용하려 한 선도적인 연구는 파이레닐메틸 에스터

(pyrenylmethlyl ester) 결합에서 시도되었다. 파이레닐메틸

에스터 결합 은 내부에 있는 파이렌 링 구조에서 300~400

nm 영역의 자외선을 흡수하여 빠르게 분해된다 (그림 8)

[12]. 파이레닐메틸 에스터는 강한 소수성을 띠고 있는

유도체이지만 분해된 후에는 강한 친수성으로 변화하게

되므로, 광흡수에 의해 소수성 약물의 방출을 유도하는

시스템에 유용하게 사용될 수 있다. 파이레닐메틸 에스터

이외에도 스파이로파이란 (spyriopyran) 은 자외선을 받게

되었을 때 내부의 탄소-산소 결합이 분해되고 입체 구조

역시 변화하여 메로시아닌 (merocyanine) 구조로 이성질화

(isomerization) 된다 [13]. 스파이로파이란에서의 이성질화

현상은 가역적으로, 메로시아닌 구조에 가시 광선을

조사하게 되면 본래의 스파이로파이란 구조가 회복된다.

스파이로파이란 구조는 소수성인데 반하여 전하가 분리된

형태의 메로시아닌은 친수성이라고 할 수 있으므로,

이러한 극성 차이 역시 소수성 약물의 방출에 이용될 수

있다.

광분해성 결합은 그 공간적/시간적 분해 속도를

외부로부터의 빛 조사에 의해 조절할 수 있는 특징이

있으므로 뛰어난 선택성을 보일 수 있지만, 광분해성

결합에 주로 사용되는 자외선은 인체에 큰 독성을

유발하며, 가시 광선 혹은 원적외선 (far infrared) 을 사용할

경우에는 체내로의 깊은 침투가 힘들다는 단점이

명확하다. 따라서 최근에는 750~1,000 nm 정도의 근적외선

(near infrared) 을 이용하여 화학 결합을 분해하는 연구가

활발히 진행되고 있다 [14].

4. 전망

새로운 치료법이 개발되고 노령화와 선진화에 따른

생체 대체 물질에 대한 수요가 급격히 늘어나면서 생체

그림 8. 생체 재료에 사용되는 광분해성 결합의 예.


재료에 대한 연구는 더욱 가속화되고 있다. 본 총설에서는

생체 분해성 결합을 중심으로 생체 재료에의 응용

가능성에 대하여 기술하였다. 시간에 따라, 혹은 외부

신호에 의해 분해되는 생체 분해성 결합은 현재 생체 재료

개발에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나로 자리잡고 있다.

본문에서는 가장 대표적인 생체 신호인 pH와

글루타싸이온 농도, 그리고 빛에 의한 분해를 주로

기술하였으나, 이 외에도 이온 농도 (ionic strength), 온도,

초음파, 생체 효소 (enzyme) 등 다양한 생체 신호에 의해

분해/해리되는 결합/복합체에 대한 활발한 연구가

진행되고 있다. 앞으로도 유기화학에서 개발되는 다양한

반응성의 화학 결합, 고분자/초분자 화학에서 연구되는

각종 생체 복합체 형성 메커니즘, 생화학, 분자 생물학,

생물리학에서 축적되는 여러 생체 신호에 대한 지식,

그리고 최종적으로 생체 재료의 임상 실험에서 얻은

결과를 종합적으로 고려함으로써, 더욱 효과적이고

안전한 생분해성 결합과 생체 재료의 개발이 가능하게 될

것이다.

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본질적으로 무질서한 단백질들

(Intrinsically Disordered Proteins)

이화여자대학교 약학과

신동해

서론

오랜 기간동안 상당수의 중요한 실험결과들이

본질적으로 무질서한 단백질들 (IDP: Intrinsically

Disordered Proteins)에 대해 기술하고 있지만 이들

단백질들이 중요한 새로운 구조-기능 계층을 형성한다는

개념은 상당기간 쉽게 받아들여지지 않았다. 가변적

형태이면서 기능을 갖는 단백질에 대한 정보들이 여러

문헌에 나타났지만 이들을 통합할 생물정보학의 부재와

형태적 가변성에서 기인하는 생물학적 기능에 대한

개념이 수 많은 다른 이름으로 보고된 것이 IDP에 대한

중요성의 인식을 지연시켰다. 결과적으로 매우 오랜 기간

동안 매우 특이한 구조적 특성 또는 특이한 형태적 속성을

갖는 각각의 “전통적이지 않은” 단백질들은 “기능을

하려면 견고한 3차원 구조가 필요하다”는 일반적인 규칙에

어긋나는 드문 예외로 간주되었다. 더불어 이들 IDP들은

널리 받아들여진 단백질 구조-기능의 패러다임을

부정했다. 아마도 특별히 이 이유 때문에 수많은 이런

단백질들이 근거도 없이 의미 없는 소수로 추정되었을

것이다. 따라서 개념 변화의 전환은 일어나지 않았고

IDP들의 생물학적 기능에 대한 일반적인 문제제기도

없었다. 이런 상황은 1990년대 중, 후반부터 Keith Dunker,

Peter Wright, Valdmir Uversky, Peter Tompa등 네

연구집단의 생물정보학, NMR분광학, 단백질

folding/misfolding 그리고 단백질 구조규명과 같이 조금씩

다른 접근법에 의해서 독립적으로 유사한 시점에

얻어졌다1. 결과적으로 IDP들의 개념이 변화하기

시작해서 이들이 단순히 드문 예외가 아니라 자연적으로

가변적 구조의 단백질이 매우 포괄적인 단백질 부류를

형성한다는 중요한 결론에 이르렀다. 이들 네 그룹의

업적은 물론 앞선 연구자들에 의해 밝혀진 많은 특정

사례들에 의존한 것으로, 그것들에 의해 지대한 영향을

받았지만, 특별한 노력을 가지고 정형화된 것과 그렇지

않은 단백질간의 기능과 기전적 차별성을 이해하려는

방향으로 연구를 진행하여 구조가 없는 그 자체를 관심의

초점으로 만들었다는 점에서 이전 노력들과 차별화된다.

“본질적인 무질서 (intrinsic disorder)”라고 함은 단백질이

2차원적 또는 3차원적인 수준에서 구조적 앙상블

(ensemble)로서 존재함을 의미한다. 다른 말로 하면,

정형화되거나 질서정연한 단백질들은 3차원 구조가

평형상태 부근에서 약간 벗어난 정도의 다양한

Ramachandran angle을 갖고, 경우에 따라 상호협력적인

구조적 전환이 가능하면서 상대적으로 안정한 상태로

질서정연해지는 반면 본질적으로 무질서한 단백질이나

단백질부분들은 원자위치와 골격의 Ramanchandran

angles이 특정 평형값이 없이 시간에 따라 매우 다양한

역동적 앙상블로서 존재하고, 이들 앙상블은 통상적으로

비협력적 형태변화를 나타내며 무질서하게 존재하게

된다. 어떤 2차 구조를 가진 뻗어나간 부분 (random coil-

like)이나 molten globule과 pre-molten globule과 같이

치환기가 잘 포개지지 않은 상태의 붕괴된 (collapse) 부분

역시 본질적인 무질서 단백질에 포함 될 수 있다. 이런

새로운 개념을 서술하고 있는 핵심 연구나 논평이

출간됨에 따라 이들 단백질들에 대한 논문은 수직으로

폭발적으로 증가하고 있다. 생물정보학적 연구는

진핵생물의 단백질 중 대략 25~30%가 대부분 무질서한

상태이며, 진핵생물 단백질의 절반이상이 일부분에서

총 설


무질서한 특성을 갖고 있고, 신호를 전달하는 단백질의

70%에서 무질서한 구조의 긴 부분이 관찰됨을 보여주고

있다. 이제는 본질적인 무질서는 매우 흔한 현상으로

인식되고 있다2.

IDP의 태동

단백질은 살아있는 세포를 이루는 주요한 성분으로

생명을 유지하는데 중요한 역할을 하고 이들이 제 구실을

못 하면 다른 병태생리학적 변화가 유도될 수 있다.

단백질이 매우 다양한 생물학적 기능을 갖는다 하더라도,

단백질과학 태동기에 가장 관심을 받은 분야 중의 하나는

생물학적 촉매인 효소에 대한 분야였다. 촉매는 화학적

또는 생화학적 반응의 속도를 증가시키는 재료나 물질로

촉매가 없으면 매우 느린 속도로 반응이 일어난다. 1894년

Emil Fischer가 배당체를 가수분해하는 반응을 하는

유사효소들이 갖는 놀라운 반응 특이성을 설명하기

위하여 “자물쇠와 열쇠” 가설을 세운다3. 효소는 고유한

3차원 구조로 인해서 특정한 기능성을 갖는데 이러한

구조-기능모델에서 자물쇠는 효소이고 열쇠구멍은 효소의

활성부위이며, 열쇠는 기질이다. 적합한 모양을 갖는 단

하나의 열쇠가 특정 자물쇠를 열 수 있는 상황과 유사하게,

적합한 모양과 크기의 기질(열쇠)이 특정 자물쇠(효소)의

열쇠구멍 (활성부위)에 맞아 떨어질 수 있다. 상당기간

“자물쇠와 열쇠” 모델과 이와 관련된 단백질의 아미노산

서열-구조-기능의 인식체계의 타당성은 의심할 여지가

없었으며, 특히 단백질의 결정구조가 X-선 회절에 의해

풀리고 나서는 더욱 견고해졌다. 최초의 라이소자임 3차원

구조는 저해제와 결합된 구조로 “자물쇠와 열쇠” 가설에

적합한 촉매작용을 매개할 것으로 보여지는 아미노산

잔기의 세밀한 위치를 제시했다. X-선 결정구조들은 특히

제한적이고 견고한 자물쇠일 것으로 여겨지는 효소의

활성부위에는 오직 한가지 기질(열쇠)만 정확하게

부합한다는 기능성 단백질 구조의 관점을 지속적으로

지지해왔다. 하지만 실제로 모든 단백질이 전체 길이에

걸쳐 정형화된 구조를 이루는 것은 아니다. 그대신 많은

단백질이 매우 유동적이거나 구조적으로 무질서하며,

기능을 갖고 있으나 정형화된 구조를 갖지 않는 부분에

대한 다수의 사례가 X-선 구조규명 연구나 다른 생물

물리학적 기술을 통한 단백질 구조 특성에 대한 연구를

근거로 보고되어 왔다. 예를 들면 단백질 데이터은행

(Protein Data Bank)에 있는 많은 단백질은 규명된 구조에서

누락된 아미노산 서열 부분이 있는데 이는 전자밀도가

없는 부분을 의미한다. 전자밀도가 없는 이유는 관찰되지

않는 원자, 치환기나 혹은 일부가 한 단백질내에서의

위치가 다양해서 X-선을 일관되게 회절시키지 못하기

때문이다. X-선과 NMR 구조 비교는 단백질들이 용액에서

훨씬 더 유동적인 상태여서 용액과 결정구조가 매우

다르다는 것을 보여준다. 분명히 결정격자에서의

상호작용이 단백질의 유동성을 떨어뜨리며, 경우에

따라서는 기능적으로 중요한 단백질의 무질서 부분을

질서있게 만들어 주기도 한다. 반면 NMR 분광학은

결정실험에서 놓치는 단백질 부분의 유동성을 직접적으로

확인할 수 있게 해주며, 때로는 결정내의 접촉으로

움직임이 감소하게 되는 부분의 유동적인 모습을 보여

준다. IDP들과 단백질내의 ID부분들은 저각 X-선 산란

(small angle X-ray scattering), Raman 광학 활성도, 원편광

이색성 분광분석 (circular dichroism), 그리고

단백질분해효소에 대해 민감한 성질등과 같은 추가적인

생물물리화학적인 방법들로 확인될 수 있다.


다양한 IDPs

어떤 단백질이 가변적 구조를 갖는 것의 중요성은

단백질 folding을 연구하면서 부각되었다. 사실 molten

globule4과 유사한 중간체들과 pre-molten globule5

유사체들은 어떤 단백질의 기능에는 이상적인 것으로

제시되어 왔는데 이들은 본질적인 이차구조의 몇 가지

기본 요소와 3차원상에서의 대략적 상대적 위치가 유지된

상태이지만 견고한 globule상태와는 다르게 치환기가

느슨하게 뭉쳐있고 loop과 치환기 말단의 움직임이 증가된

상태로 부분적으로 구조를 이루고 있다. Pre-molten

globule은 random coil보다는 훨씬 더 조밀하지만 molten

globule과 비교해서는 덜 조밀하고 2차구조가 덜 갖춰져

있다. 용액 조성을 최적화함으로써 많은 단백질들이

안정화되어서 인공적으로 molten globule이나 안정한 pre-

molten globule을 형성하도록 유도할 수 있는데 이는

이러한 형태가 일시적으로 형성되는 folding 중간체만을

의미하는 것은 아니라는 것을 보여준다. Molten globule의

형성은 소수성 붕괴를 통해 유도되며 조밀하지 못하게

치환기가 쌓여져 있어서 안정한 구조를 이루지 못한다.

반면, pre-molten globule은 물이 polypeptides의 좋은 용매가

되지 못 하기 때문에 생긴다6. 균일중합체 (homopolymer)

아미노산 모델에 대한 최근 연구가 물이 단백질의 좋은

용매가 아니기 때문에 붕괴가 야기된다는 개념을 명백히

해 주었다7. 소수성 잔기가 없지만 polyglycine과

polyglutamine 모두 알려진 2차 구조를 형성하지 않고

붕괴된 형태를 이루는데, 이는 물이 이들 중합체 모두에

있어 좋은 용매가 아니기 때문이다. Polyglutamine은

친수성 성향을 가지므로, 이들 결과는 좋은 용매가 아닌

물로부터 붕괴되는 현상이 전하를 띄지 않는 단백질에

일반적으로 적용되는 현상일 가능성을 제시한다. 이들 두

종의 균일중합체는 빠르게 수소결합을 교환하면서

역동적으로 변하는 구조를 가지고 있다. 이들

균일중합체와 pre-molten globule는 모두 좋은 용매가 아닌

물로부터 야기되는 성질이지만, 후자는 전자보다 2차

구조를 많이 포함하고 있는데 이는 소수성 부분이 있다는

것이 부분적인 원인이 된 것으로 보인다.

1980년대 이후로 많은 연구자들이 단백질의 삼차구조가

없거나 가변성이 있는 것이 생물학적 기능에 중요하다는

것을 밝혀냈다. Huber와 Bennett는 몇 가지 단백질의

전자밀도에서 나타나지 않는 부분이 중요한 기능을

수행한다고 제시했다. 1980년대 후반 서너 개의 논문에서

몇 가지 중요한 전사인자들이 특정 구조가 없이도 기능을

수행하지만 대신에 상당히 불명확한 “acid blobs 혹은

negative noodles”을 필요로 한다는 사실을 제시했다8.

단백분해효소에 의해 단백질이 작은 펩타이드로 신속하고

광범위하게 분해되는 casein의 열린, 상대적으로 움직이는

형태를 설명하기 위해서 Holt와 Sawyer9는 “rheomorphic

protein (흐르는 형태를 의미함)”이라는 용어를 제시하고,

훗날 casein 인산화단백질이 신속하게 인산화칼슘의 핵과

결합해서 안정한 인산화칼슘 nanocluster를 형성함으로써

수유과정에서 유선에 칼슘침착이 일어나지 않게

막아주는데 rheomorphism이 중요하다는 사실을 제시했다.

또한 Pontius는 자신의 Tau 단백질 연구내용을 확장해서

비정형화된 구조의 단백질이 특정한 분자결합에서 유리할

수 있을 것이라고 제안했다. Tau 단백질은 “negatively

denatured”로 간주되었는데 이는 용액 중에서 tau 단백질이

확인 가능한 2차 구조가 없고 조밀하게 접힌 구조를 갖지

않는 특징의 Gaussian polymer를 닮은 현상과 다음과 같은

네가지 특징들 때문이었다. 첫째, 변성된 단백질과 유사한

높은 구조적 가변성이있고 둘째, microtubule형성을

촉진하는 기능을 유지하면서 열과 산 처리에 대한 높은

저항성이 있으며 셋째, 전자현미경 상에서 막대기


모양이거나 매우 잘 늘어나있는 형태가 보이고 넷째,

Tau와 microtubule의 결합이 특정 잔기들에 의한 것이

아니라, C-말단 절반 정도 범위에서 약한 다수의

결합부위를 통해서 일어난다는 점이다. 1995년 연구에서

Gast10는 prothymosin α라는 드문 아미노산 조합을 가진

산성단백질이 진화적으로 매우 보존되어 있으며, 다양한

조직에 널리 분포하지만 in vitro에서 구현한 생리적

조건에서는 무작위적 coil과 같은 형태를 갖는 특성을

나타낸다고 밝혀냈다. 이 저자들은 또한 “이것이 드문

현상일까 아니면 지금까지 간과되어왔지만 거대

polypeptides에서는 흔한 현상일까?”라는 중요한 질문을

제기했다. 일년 후, 유사한 형태적 속성이 또 다른

생물학적으로 중요한 단백질인 α-synuclein11 (non-Aβ

component of Alzheimer’s disease amyloid precursor protein,

NACP라고도 알려짐)에서 밝혀졌는데, 열 변성에서도

매우 안정하고 전하를 띄는 아미노산이 많고 원평광

이색성 분광분석으로 동정한 결과 “random coil” 형태이며,

비정상적으로 높은 Stokes 반경과 SDS-PAGE에서 특이한

이동성을 나타내는 비정상적인 SDS결합 특성을 갖고

있었다. 저자들은 유사한 특성들이 몇몇 다른 단백질을

대상으로 이전에 보고된 바 있기 때문에, 그 모든 것들이

“negatively folded proteins”이라는 새 분류로 묶여야 한다고

지적했다.

ID protein은 상호 전환되는 동력적 구조를 가지며, native

(ordered), molten globule, pre-molten globule 그리고 coil-

like등 최소 4개의 다른 conformation을 갖고 있을 수 있는

normal globular protein의 non-native state와 비슷하다. 이

같은 유사성을 이용하여, in vitro 생체 환경 아래에서 ID

단백질과 ID부분을 포함한 단백질은 collapsed disorder

(ID가 molten globule의 형태로서 존재) 그리고 extended

disorder (ID가 random coil 또는 pre-molten globule의

형태로서 존재)로 나누어질 수 있다. 이것을 100개 잔기를

가지는 폴리펩타이드 모델을 이용해 위에서 언급한 세

가지 disorder type인 molten globule, pre- molten globule,

coil과 native한 형태를 그림 1에서 도식적으로 나타냈다.

그림은 폴리펩타이드에 의해 차지되는 hydrodynamic

volume이 4가지 conformation에 대해 인상적으로 다르다는

것을 분명히 보여준다. 이들의 차이는 더 긴

폴리펩타이드에서 더 증가된다.

그림 2. ID 단백질들. 위: Collapsed (molten globule-like, MG)

disorder; extended (pre-molten globule-like, PMG) disorder; 그리고

(coil-like, coil) disorder. 같은 길이의 ordered globule 역시 비교를 위

해 표시하였다. 그림은 100개 잔기를 가지는 폴리펩티드를 모델 한 것

이다. 중간: 4개 conformation에 대해 100개 잔기를 가지는 폴리펩티드

에 의해 차지되는 상대적인 hydrodynamic volume. 아래: 4개

conformation에 대해 500개 잔기를 가지는 폴리펩티드에 의해 차지되

는 상대적인 hydrodynamic volume. 중간과 아래는 해당하는 ordered

protein에 비하여 상대적으로 hydrodynamic volume이 증가하는 것을

보여준다.


Collapsed disorder

Globular protein folding의 보편적인 중간물질로 알려진

molten globule의 구조적 특성은 잘 알려져 있으며, 많은

review에서 체계화 되었다. 이 중간물질 구조를 가진

단백질 분자는 단단한 협력적 3차 구조를 가지지 않으며,

가지더라도 아주 약간만 존재한다. 하지만 이것은 잘

발달된 2차 구조를 가지며 상대적으로 정열된 2차 구조로

이루어진 topology가 몇몇 발견되는 것으로 특징된다.

단백질 분자에 대한 프로테아제에 의 상당히 증가된

접근성은 molten globule protein의 특성으로 언급되었다. 이

중간물질 형태로 전환될 때, 소수성 형광 probe (예를 들어,

8-anilinonaphthalene-1-sulfonate, ANS)에 대해 상당히

증가된 단백질의 친화력이 동반되며, 이 같은 움직임은

molten globule protein의 특징적인 특성으로 고려되어야

한다. 증가된 molten globule state의 hydrodynamic radius

평균 값은 native state일 때의 값보다 15% 이상은 되지

않지만, 이는 부피상으로 약 50%에 해당된다. 이

부분적으로 정렬된 상태에 있는 단백질 분자는 small angle

X-ray scattering analysis에서 전형적인 ordered globular

protein의 globular 구조를 나타낸다.

Extended disorder

상당히 많은 수의 단백질들이 단순한 서열을 특징으로

하는 extendedly disordered protein을 형성한다. 이 같은

단백질은 single thermodynamic entities에서와 같은 획일적

구조 특징을 가지지 않는다. 이들은 intrinsic coil 그리고

intrinsic pre-molten globule이라는 다른 두 가지 구조로

구분될 수 있다. 첫 번째 그룹으로부터 얻은 단백질은

전형적으로 unfold된 폴리펩타이드의 hydrodynamic

dimension을 가지며, 정열된 2차 구조를 전혀 가지지

않거나 거의 가지지 않는다. 두 번째 그룹으로부터 얻은

단백질은 더 compact하고, 약간의 residual 2차 구조를

가진다. 그럼에도 globular 또는 molten globule에 비하여

밀도가 덜하다. Extendedly disordered protein의 다른 특징은

다음에 언급하는 globular protein의 unfolded와 pre-molten

globular conformation으로 부터 얻을 수 있다. 매우 높은

순전하 (net charge)를 가지는 IDP들은 더 확장되고 random

coil과 비슷한 행동을 하는데 이는 변성제 guanidinium

hydrochloride을 처리할 때 단백질이 취하는 conformation과

비슷하다. 이 가설은 phenylalanine과 glycine의 반복된

구간을 함유하는 자연적으로 긴 unfolded domain(FG

domain)을 가지는 nucleporins(Nups) 집단을 연구하면서

최근에 검증되었다.12 Nups은 nuclear pore complex(NPC)의

문을 구성하며, 이곳에서 FG domain은 확산되는

거대분자를 크기로 구분하는 역할을 한다. 이 연구에서

대부분 nucleoporin FG domain은 collapsed molten globular

configuration을 취하는 것으로 보이며, 전하를 띤

아미노산의 낮은 함량을 특징으로 한다. 나머지는 FG

domain은 coil-like conformation의 더 extended 형태를

취하고 구조적으로 더 역동적 이며, 전하를 띤 아미노산의

높은 함량을 특징으로 한다. 많은 nucleoporin은

폴리펩타이드의 구성에 따라 두 종류의 구조를 함께

가진다. 예를 들어 2%의 낮은 전하를 띤 아미노산의

함량을 가지는 Nsp1(AA 1-172; Nsp1n)의 N말단은 molten

globular configuration을 취하는 반면에, 36%의 전하를 띤

아미노산의 함량을 가지는 Nsp FG domain (AA 173-603;

Nsp1m) 부분은 extended coil configuration을 가진다. Pre-

molten globule state의 폴리펩타이드는 또한 다음과 같은

구조적 특징을 갖는다. 이 상태에 있는 단백질 구조는

단단한 3차 구조를 가지지 않고 native와 molten globule

protein에 비하여 덜 확연한 형태지만, 상당한 2차 구조를

지니며 random coil에 비하면 여전히 compact하다. Pre-

molten globule state에 있는 단백질은 약 50%의 native 2차


구조를 가지는데 반하여, molten globule protein은 확인할

수 있는 해당된 높은 값을 가진다. 비록 근본적으로는

molten globule state보다 작지만, pre-molten globule state에

있는 단백질은 효율적으로 소수성 형광 probe인 ANS과

결합한다. 이것은 용매가 접근 가능한 소수성의 뭉침이

pre-molten globule state에서 이미 생성되었음을 의미한다.

ANS와 결합할 수 있는 능력이 있음에도 pre-molten globule

state에 있는 단백질은 globule structure을 나타내지 않는다.

Pre-molten globule은 squeezed 상태로 부분적으로

ordered된 coil의 형태이지만 native-like 위치를 차지 할 수

있다는 것이 기능적으로도 중요하다.

Folding에 영향을 미치는 IDP의 특성

“정상”단백질이 나타내는 상대적으로 고정된

생물학적인 활성구조로의 정확한 folding은 아미노산

서열에 의해 결정되는 것으로 알려져 있는 것과 같이,

종래와는 다른 IDP들에서 고정된 구조가 없는 것 또한

어떤 방법으로든지 그 아미노산 서열의 특별한 특성으로

코딩되어 있을 것으로 예측되었다. 사실 어떤 IDP들은

그들의 특이한 아미노산 서열 조성 때문에 밝혀졌고, 이들

단백질들에서 규칙적인 구조가 없는 것이 다수의

보상되지 않는 전하를 띄는 (종종 음전하) 그룹을 갖는

아미노산 서열의 특별한 특성으로 설명되었다. 즉 어떤

단백질들에서는 극단의 pI 값을 갖고 소수성 아미노산

잔기가 적은 것으로 말미암아 중성 pH에서 높은 전하를

띄게 된다. R.J.P. Williams는 본질적인 무질서에 대한

최초의 예측을 시도하였는데 전하를 띄는 잔기의 수를

소수성 잔기의 수로 나누어서 얻은 예측변수를 사용하여

비정상적으로 높은 값을 나타내는 단백질이라

예상하였다13. 이 예측변수가 단지 어떤 두 IDP들과 소수의

전형적인 단백질들을 분리하기 위해서 사용되었지만, 이

논문은 ID 단백질들이 3차원 구조를 가진 단백질들과는

근본적으로 다른 아미노산 구성을 갖는다는 최초의

암시라는 점에서 그 의의가 있다. 그러나 이어진 연구는

R.J.P. Williams에 의해 개발된 예측변수가 일반적으로는

잘 들어맞지 않는다고 보고했다. 이후에 구조를 갖는

단백질과 ID 단백질을 구분하기 위해서 단백질의 전하와

단백질의 수친화성 (hydropathy)가 재발견되었는데

여기에는 다음의 두 가지 중요한 차이가 있다14. 첫째, 전체

전하를 띄는 잔기가 아니라 보정된 최종 전하가

사용되었다. 둘째, 전체 소수성 잔기의 수가 아닌, Kyte와

Doolittle 등급을 사용해서 보정된 소수성 정도가

사용되었다. 이들 데이터 집합을 비교함으로써 평균

소수성이 낮고 상대적으로 높은 전하를 띄는 성질의

조합이 생리적 조건에서 단백질의 견고한 구조를 없애는

중요한 전제조건이라는 결론에 도달했다. 위의 관찰을

통해서 순전하와 수친화성에 근거해서 무질서하거나

질서정연한 단백질들을 구별하는 전하-수친화성 (CH)

도면 방법이 개발되었다. 그림 2A는 고유 CH-도면을

보여주는데 근본적으로 구조를 이루지 않는 단백질들은

특히 CH 위상공간의 특정 지역 내에 위치한다. 더욱이

ID와 구조를 갖는 단백질이 직선경계에 의해

나뉘어지는데, 정해진 평균 순전하를 갖는 polypeptide가

구조를 갖지 않을 경우 위에 위치한다. 이런 물리적

관점으로부터, 본질적 무질서의 전제조건인 높은

순전하와 소수성이 낮은 성질이 모두 있는 경우라면

완벽하게 이치에 맞는다. 즉 순전하가 높으면 전하간에

척력을 나타내고 소수성이 낮으면 단백질의 견고한

folding을 추진하는 힘이 낮다는 것을 의미한다. 다른 말로,

이런 현상은 coil 유사 구조를 가진 ID 단백질의 특성이다.

이것은 순전하 보다는 측정한 전체 전하를 이용했던 R.J.P.

Williams의 본래 접근법이 왜 위에서 언급한 CH-도면


방법과 같게 작동하지 않았는지를 설명해 준다. 분명한

것은 그런 무질서도가 높은 단백질들은 ID 단백질 영역의

극히 일부에 불과하다. 상세한 분석의 결과 구조를 갖는

단백질과 ID 단백질 사이의 구성의 차이는 그림 2B에서

다음과 같은 특징을 찾을 수 있었다. 정형화된 구조를 갖지

않는 단백질들에서 정상적으로는 folded globular 단백질의

소수성 중심부를 형성했을 덩치가 큰 소수성 아미노산

(Ile, Leu, Val)과 방향족 아미노산 잔기 (Trp, Tyr, Phe)가

유의적으로 감소되어 있고, 또한 Cysteine과

Asparagine잔기도 적게 포함하고 있다는 것을 보여준다.

감소된 잔기인 Trp, Tyr, Phe, Ile, Leu, Val, Cys과 Asp은

질서를 촉진하는(order-promoting) 아미노산이다. 반면, ID

단백질은 전하를 띠고 무질서를 촉진하는 잔기인 Ala, Arg,

Gly, Gln, Ser, Glu, Lys과 소수성이지만 구조를 깨뜨리는

Pro가 상당히 많은 것으로 나타났다. ID 단백질이 갖는

이러한 아미노산 조성의 편향은 전반적으로 소수성이

낮고 순전하가 높은 본질적으로 folding되지 않은

단백질의 성질과 일치한다.

비정형 단백질의 예측: PONDR®

아미노산 구성 이외에도 무질서한 부분은 수친화성,

순전하, 가변성 지수, 나선형/선형을 이루는 성향, 그리고

방향족 아미노산인 Trp+Tyr+Phe과 같은 아미노산 계열의

조성과 같은 다양한 속성에 따라 구조를 갖는 단백질들과

IDP들의 비교 연구를 통해 아미노산 잔기가 질서 또는

무질서를 촉진하는 성향이 있다는 것을 더 자세히 알게

되었다. 질서를 유도하는 것부터 무질서를 유도하는

순으로 W, F, Y< I, M, L, V, N, C, T, A, G, R, D, H, Q, K, S,

E, P 순의 서열이 존재한다. 따라서, ID 단백질은 아미노산

서열에 있어서 정형화된 구조를 갖는 단백질과는 현저한

차이가 있다. 이 차이는 본질적 무질서의 다른 예측변수를

개발하는데 사용되었다. 가장 잘 알려진 ID예측

프로그램으로는 1997년에 최초로 개발된 Predictor Of

Natural Disordered Regions (PONDR®)가 있다15. 최초로

소개된 이후로 PONDR®는 놀라운 발전을 거듭해

정확성과 신뢰성이 재고된 서너 가지 예측변수 버전이

현재 이용 가능하다. 최근에 대규모로 확장된 무질서한

그림 3. ID 단백질들의 아미노산 조성 특이성. A. 275개의 구조화된 단백질들과 (open circle) 91개의 IDP들 (gray circle)에 대한 평균 순전하와 평균

소수성 비교. 막대는 이들의 경계면을 나타낸다. B. 구조화된 단백질들과 IDP들의 구성 프로파일. (% amino acid in disordered dataset - % amino

acid in ordered dataset) /(% amino acid in ordered data


단백질의 데이터베이스와 발전된 컴퓨터 기술을

이용하면서 PONDR family의 무질서 예측의 정확성이

상당히 증가했다. PONDR® VL-XT, VL3, VSL1 predictor가

이에 속하며, Molecular Kinetics사에서 제공되고 있다.

관심있는 개별 단백질이나 단백질 데이터세트에 대한 몇

가지 예측변수를 비교하는 것은 종종 예측된 무질서에

대한 추가적인 통찰력을 제공한다. 이것은 어떤 단백질이

무질서도가 높을지를 예측하기 위해 아미노산 서열을

사용하는 두 개의 다른 방법을 비교한 최근 연구에서

보여주고 있다. 전체 단백질 구조나 무질서에 대한 두

이진법의 예측변수는 누적분포함수 (CDF; cumulative

distribution function) 분석과 전하-수친화성 (CH; charge-

hydropathy) 도면이다. CDF는 한 단백질에서 모든 잔기의

질서-무질서를 예측하는 PONDR® VL-XT에 근간을 둔다.

CDF분석은 그 누적빈도에 대한 PONDR® 지수를 그래프로

나타내 잔기별 결과를 종합하여 예측분포 지수에

근거해서 정형화된 구조를 갖는 단백질과 무질서한

단백질을 구분한다. 전체 단백질의 질서-무질서 분류를

위한 두 번째 이진법 예측변수는 전하-수친화성

그래프인데, 전하-수친화성 공간에 좌표로 표시된

정형화된 구조를 갖거나 무질서한 단백질은 직선경계에

의해 유의적 수준으로 분리될 수 있다. CDF분석은 CH-

도면 식별력과 비교해서 아미노산 서열 데이터베이스에서

훨씬 높은 빈도의 무질서를 예측하며 전하-수친화성

식별에 의해 예측된 무질서한 단백질의 막대한 다수 또한

CDF분석으로 예측된다. CH-도면분석은 평균 순전하와

평균 소수성의 두 가지 속성을 이용해서 단백질을

식별하는데 반해 PONDR® VL-XT (종국에서 CDF로

표현되는)는 비선형 분류법으로 비교적 대규모의 속성

공간 (평균 배위결합 수, 아미노산 조성 (방향족과 전하를

띤 잔기), 순전하)에 근거해서 분류하도록 훈련된

인공신경망으로 이러한 현상은 그리 놀랄만한 일은

아니다. 따라서, CH 속성 공간은 PONDR® VL-XT 속성

공간의 부분집합으로 간주될 수 있다. 중요한 것은 이러한

현상이 무질서, 붕괴 (molten globule-like)와 확장된 (pre-

molten globule-, coil-like) 형태 같은 다른 용어로 물리적

해석이 될 수 있다는 것이다. 이런 관점에서 CH-도면

분류는 일련의 globular 형태 (molten globule-like 또는

견고한 구조를 갖는 단백질) 단백질들과 확장된 무질서를

갖는 단백질을 구분하며, CH-도면 분류에 의해 무질서한

것으로 예측된 단백질은 종종 확장된 무질서 계열에

포함된다. 한편, PONDR®를 근간으로 하는 접근법은 모든

정형화되지 않은 형태 (coil-like, pre-molten globules, molten

globules)를 잘 정형화된 단백질과 구별할 수 있으므로, CH

분류가 무질서 예측과 속성 공간에서는 대략 PONDR® VL-

XT의 부분집합임을 제시하고 있다. 이런 이유로 몇 가지

흥미로운 결론에 이르렀다. 단백질이 CH와 CDF 모두에

의해 무질서한 것으로 예측된다면, 확장된 무질서 계열에

속할 것이다. 그러나 CDF에 의해서는 무질서한 것으로,

CH-도면에 의해서는 구조를 갖는 것으로 예측된 단백질은

역동적이며, 붕괴된 치환기를 갖는 성질, 즉 본질적인

molten globule계열에 속할 것이다. 마지막으로 두

알고리즘에 의해 구조를 갖는 것으로 예측된 단백질은

당연히 정형화된 구조를 갖는 계열에 속할 것이다.

CDF분석이 CH-도면 분류에 비해 아미노산 서열

데이터베이스에서 2배 높은 무질서 빈도를 예측한다는

사실의 중요한 의미는 프로테옴에서 무질서한 단백질의

대략 절반 정도는 확장된 무질서 형태이고, 또 다른 절반은

붕괴된 무질서의 형태라는 것이다. 이러한 원리로 CDF-

CH-도면을 이용하여 단백질의 성질을 분석할 수 있는데

[그림 3C]는 CH-CDF상 공간에서 두 가지 단백질의

분리결과를 보여준다. 여기서, 각각의 점은 단일 단백질을


의미하고 그 좌표가 이 단백질이 대응하는 CH-도면상

경계 (Y 좌표)에서 떨어져 있는 거리와 [그림 3B],

대응하는 CDF 곡선이 경계 (X 좌표)로부터의 떨어져 있는

평균 거리로서 산출된다 [그림 3A]. 양의 값, 음의 값인

Y값은 CH-도면 분석에 따라 각각 본질적으로 folding을

이루거나 치밀한 것으로 예측된 단백질을 의미한다.

반면에 양의 값과 음의 X값은 CDF분석에 의해 각각

정형화된 구조를 이루거나 본질적으로 무질서한 것으로

예측된 단백질에 기인한다. 그러므로, 이 도면은 네 개의

사분면을 가지며: 분홍색 사분면 (-,-)은 CDF로는 무질서한

것으로 예측되었으나, CH-도면으로는 정형화된 것으로

예측된 단백질을 포함한다 (즉 molten globule과 같은

성질); 빨간색 사분면은 (-,+) 두 가지 방법에 의해서

무질서한 것으로 예측된 단백질을 포함한다 (즉, random

coils, pre-molten globules); 파란색 사분면은 (+,-) 정형화된

구조를 갖는 단백질을 포함한다; 자주색 사분면 (+,+)은

CH-도면으로는 무질서한 것으로 예측되었으나,

CDF분석으로는 정형화된 구조를 갖는 것으로 예측된

단백질을 포함한다. 전체 유전체에 이 접근법을

적용함으로써 마우스와 사람의 프로테옴에서 약 30%의

단백질이 잠재적으로 본질적인 molten globules의 성질을

갖고 있다는 사실을 밝혀냈다. (−,−) 영역에 존재하는

단백질을 molten globule로 해석하기 위해서는 연구가 더

필요하다. 예를 들어, 뚜렷한 구조를 가지면서 무질서한

부분이 함께 있는 단백질은 native molten globule은

아니지만, (−,−)영역에 존재할 수 있다. Molten globule

형태의 monomer을 가지는 단백질은 구조화된 복합체를

만들 수 있다. 이 결합은 같은 단백질, 다른 단백질, 그리고

단백질이 아닌 ligand를 통해 만들 수 있다. 실제로 많은

단백질이 monomer일 때는 불안정한 구조를 이루지만,

dimer일 때는 안정된 구조를 갖게 된다. 유사하게 많은

단백질이 apo-form일 때는 불안정한 구조를 이루지만,

특정한 ligand가 붙은 후에는 안정한 구조를 이루게 된다

그림 4. Intrinsic disorder의 binary predictors. A. CDF analysis. 경계선 위에 점선으로 된 곡선은 ordered protein의 CDF 값을 나타내며, 경계선 밑

에 실선으로 된 곡선은 IDP의 CDF 값을 나타낸다. 여기에서 　i와 dj (i와 j의 범위: 1~7)은 각각 ordered protein과 disordered protein을 뜻하며,

CDF 값으로부터 해당되는 경계선 값의 거리를 나타낸다. B. CH-plot analysis. 경계선 위의 검은색 네모상자는 disordered protein을 뜻하며, 경계

선 아래의 빈 동그라미는 ordered protein을 뜻한다. C. CH-CDF analysis. 검은색 네모상자는 disordered protein DP00124을 뜻하며, 빈 동그라미

는 ordered protein 1EXP을 뜻한다. x좌표는 경계선으로부터 해당되는 단백질의 CDF 곡선의 평균 거리를 의미한다. (positive dCDF 값은 CDF

analysis에 의해 ordered protein이라고 예측된다는 뜻이고, negative dCDF 값은 CDF analysis에 의해 disordered protein이라고 예측된다는 뜻이

다, see plot A) y좌표는 해당되는 단백질의 spot으로 부터 경계선까지 해당되는 거리를 뜻한다. Positive와 negative dCH의 값은 CH plot에 의해

각각 disordered protein과 ordered protein이라고 예측된다는 뜻이다, see plot B.


IDP의 기능

Intrinsic disorder은 자연계에서 매우 흔하다. Proteome

단계의 연구는 IDP가 풍부하다는 것과 많은 단백질이

disordered된 긴 부분이 있을 것으로 예측되는 것뿐만

아니라 전체적으로도 무질서 상태로 있다는 것을

보여준다. 자연계에서 IDP가 풍부한 것은 비록 IDP가 생체

환경에서 고정된 3차원 구조를 만들지는 않지만, 몇몇

종합적인 연구에서 확인된 바와 같이 이들이 중요한 생체

기능을 담당한다는 것을 분명히 보여준다 (그림 4). 더

나아가 아세틸화, 수산화, 유비퀴틴화, 메틸화, 인산화

등과 같은 post-translational modification이 일어나는 부분과

regulatory proteolytic attack이 일어나는 부분은 자주

intrinsic disorder region과 관련되었다. disordered region이

다양한 기능을 갖고 있으며, natively unfolded protein에

대한 피상적 분석만으로도 많은 수의 단백질이 특정한

대상이 붙어 안정화 되면서 disorder에서 order 형태로

변한다는 것이 알려졌다. 실제 많은 수의 단백질이 기질에

의해 유도된 folding 현상을 보여준다. 다음과 같은 예가

포함되는데, DNA(또는 RNA)가 붙으면서 구조가

형성되는 protamine, Max protein, 높은 유동성을 가진

HMG-14와 HMG-17의 존재하에서 Cytochrome C의 folding,

양이온에 의해 유도된 osteocalcine의 folding, 막 결합을

통해 유도된 parathyroid hormone related protein의 2차 구조

형성, trimethylamine N-oxide 결합을 통해 유도된

glucocorticoid receptor의 구조 형성, heme에 의해 유도된

histidine-rich protein II의 folding 그리고 zinc에 의해 매개된

prothymosin-α 구조형성 및 compaction이 포함된다. 따라서

unstructured 단백질들 혹은 IDP들의 다양한 주요 기능은

nucleic acid binding, metal ion binding, heme binding 그리고

membrane bilayer와의 결합이다.

언급한 disorder에서 order 형태로의 변이 외에도 목적

단백질에 결합하는 IDP의 pre-structured 또는 pre-organized

motif가 많이 있다. IDP의 몇몇 중요한 활동은 binding과

folding에 직접적 연관 없이 backbone의 flexibility, pliability

그리고 plasticity에 의존한다. 이를 “entropic chain

activities”라고 부르며, 이들이 전적으로 기능을 위해

계속해서 움직임을 유지해야 하는 폴리펩타이드의

extended random coil conformation에 기인한다. 새로운

entropic chain activities을 발견함과 이와 같은 활동에

연관되어 있는 ID region의 부분을 예측하는 것 모두

흥미로운 문제이다. Entropic chain activities의 이 같은 예는

voltage-gated potassium channel이 제공하였다. 이 tetrameric

integramembrane protein은 closed(전압에 민감), open

그리고 inactive (전압에 비민감)의 3개 state을 돌고 있다.

이온채널 불활성화에 대한 ball and chain mechanism에서

매우 유동적인 “chain”은 “ball”이 open channel을 막을

때까지 무작위로 찾는 것을 수행한다고 한다16.

최근의 연구는 많은 구별된 상대와 결합을 하는 α-

synuclein, p53 그리고 다수의 IDP들이 세포에서 단백질-

그림 5. 단백질 기능에서 intrinsic disorder의 역할. 보편적인 structure–

function paradigm을 통해서는 단백질이 수행하는 많은 기능을 설명하

지 못한다


단백질 결합 네트워크에서 hub를 형성한다는 것을 보고

하였다17. 그림 5는 p53의 disordered 부분들이 관여해

구조를 형성하는 복합체들의 예를 명확하게 보여준다18.

이러한 많은 partnership의 흥미로운 점은, 일반적으로

각각의 결합에서 오직 p53의 짧은 부분이 구조화 된다는

것이다. 위쪽 중앙의 하늘색의 특정 복합체를 보면,

무질서한 한 부분이 스스로 dimer를 형성하기 위해

관여하며(dimer 접촉면에 거의 모든 숨겨진 잔기들이

관여), 이 dimer는 나아가 tetramer로 뭉쳐진다. 즉, 이

결합에서는 무질서한 부분이 결합하고, 접히는 과정이

함께 관여한다. 4개 복합체 set의 그림의 다른 예들를 보면,

p53의 C-말단 가까이에 있는 동일한 짧은 부분이 4개의

다른 partner들에 결합한다. 이 조각은 시작과 함께 구조가

사라지기 때문에, 이것이 다른 partner와 결합할 때 다른

conformation을 취할 수 있게 된다. 이 특정한 예에서,

disordered 조각은 4개의 다른 partner들과 결합함에 따라 α-

helix, β-strand, 두 개의 다른 coil로 바뀌어 사용된다. 이와

같이 본질적으로 구조화가 덜 된 것과 기능에 관련된

disorder-to-order의 변화는 세포에서의 기능상 다양한

이점들을 갖는다.

그림 6. p53과 다른 결합 partners와의 결합이 one-to-many 신호전달의 특이성들을 보여준다. p53 아미노산 서열의 구조에 대응하는 disorder

예측은 14개의 다른 partner들이 p53의 다양한 부위에 결합한 구조와 함께 그림의 중앙에 나타나있다 (위쪽 = disorder, 아래쪽 = order).

Disordered 상태일 것으로 보이는 amino terminal과 carbonyl terminal을 갖는 것으로 예상되는 중앙 부분은 p53에 대해 실험적으로 확인되었다.

복합체 내에서 P53의 다양한 부분들은 그들의 구조를 보여주기 위해 색깔로 나뉘어 졌고, 아미노산 서열에 대응하는 결합 조각들이 도식화

되었다. P53-DNA 복합체(위에서 왼쪽, 단백질은 magenta, DNA는 blue)로부터 시작해서 시계 방향으로 옮겨가면서, 14개 복합체에 대한 Protein

Data Bank ID와 partner 이름들은 다음과 같다. (1tsr — DNA), (1gzh — 53BP1), (1q2d — gcn5), (3sak — p53 (tetramerization domain)), (1xqh

— set9), (1h26 — cyclinA), (1ma3 — sirtuin), (1jsp — CBP bromo domain), (1dt7 — s100ββ), (2h1l — sv40 Large T antigen), (1ycs —53BP2),

(2gs0 — PH), (1ycr — MDM2), (2b3g — rpa70).


결론

IDP는 많은 생화학정 과정에서 중요한 역할을 하기

때문에 이들의 많은 수는 인간질병과 관계되어있다. 예를

들어 다수의 질병은 amyloid fibril이라 불리는 안정되고

정열된 섬유같은 단백질 응집의 침착으로부터 기인한다.

각각의 병의 상태에서 특이적인 단백질 또는 단백질

일부는 자연적인 가용성 상태에서 다양한 조직과 기관에

축적하는 비가용성 섬유형태로 변한다. 20개 이상의

단백질들이 이와 같은 질병과 관련이 있다고 알려져

있지만 이 단백질들은 아미노산 서열이나 초기 구조가

서로 연관성은 없다. 몇몇 IDP들은 amyloidogenic 단백질

사이에서 발견되었고 퇴행성신경질환의 발달과 명백히

관련되어있다19. IDP들은 알츠하이머, 다운증후군,

파킨슨병, lewy body를 동반한 치매, lewy body 질병인

알츠하이머의 lewy body 변종, 다양한 시스템의 퇴화,

Hallervorden-spatz병, 광우병, 유전자 생성물에서 poly Q에

GAC trinucleotide 반복 암호화의 확장에 의한

퇴행성신경질환 disorder의 일종인 poly Q병 등에 관계할

것으로 추측되고 있다. 안정하게 정열된 단백질의 변종의

경우 부분적으로 disordered된 형태의 농도 증가가 질병을

가속화 한다. 이들 질병은 모호한 단백질의 구조변화,

misfolding, aggregation의 특징을 지녀 구조적 질병이라

불린다. 그러나 여기에는 단백질기능이상이라는 본질적

문제도 포함된다. 사실 구조적인 disorder와 관련된 많은

단백질은 또한 인식, 조절, 세포신호전달 기능에 관여한다.

예를 들어 많은 퇴행성신경질환 발생에 관계된 α-

synuclein는 지방산과 금속에 결합하거나 특정 효소,

운반체 혹은 신경물질 전달소포체 등의 조절기능이 있다.

이 단백질과 반응하는 50개의 단백질과 리간드들이

알려져 있다. α-synuclein의 이러한 특성은 구조적

plasticity를 가지고 있기 때문이며 다양한 monomeric,

oligomeric 형태 및 비가용성 구조를 취할 수 있어

가능하다20. 이러한 다양한 구조 사이에서 선택성은 α-

synuclein이 주형(template)의존 방식으로 folding하는

특별한 능력을 가진다는 가정하에 단백질의 환경

특이성에 의해 결정될 것이다. 따라서 구조에 기인하는

질병의 발단은 misfolding을 일으키는 오인, 오작동, 잘못된

신호전달로부터 기인하는 것이라는 가설을 세울 수 있다.

다른 말로 주변의 돌연변이 그리고/또는 변화는 적합한

결합 파트너를 인지하는 기능손실을 가져오고 결과적으로

치명적인 단백질기능 혼돈으로 말미암는 구조질병을

야기하게 된다. IDP들은 이러한 인지, 조절,

세포신호절단기능에 관련되어 있고 구조적 특징이 이들

역할을 원활하게 수행 될 수 있게 해준다. 이들은

원핵세포나 고세균과 비교하여 진핵세포에서 더욱 많이

존재하며 따라서 핵이 있는 세포에서 disorder와 관계있는

신호전달 및 조절이 더 많이 관여 한다는 것을 보여준다.

따라서 disorder에 기초한 신호전달 및 조절에 관여하는

IDP들은 신약개발 과정에서 이용될 수 있는 새로운

target이 될 것이다.

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