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김정목
김정목(Jeong-Mok Kim) 저자 이메일 보기
POSTECH
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Formyl-methionine as an N-degron of a eukaryotic N-end rule pathway

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

세포에서 만들어지는 단백질들은 거의 대부분 '메티오닌'이라는 아미노산부터 합성이 시작됩니다. 더 정확하게는 리보솜이 주형인 mRNA의 AUG 코돈을 합성의 시작점으로 인식하면서 메티오닌-tRNA를 이용해 단백질을 메티오닌부터 만들어 가게 됩니다. 박테리아나 박테리아에서 유래한 세포 소기관인 미토콘드리아, 엽록체의 리보솜은 메티오닌-tRNA가 formyltransferase (FMT)에 의해 변형된 형태인 포밀메티오닌-tRNA를 단백질 합성의 시작에서 사용하는데, 결과적으로 이 때 만들어지는 모든 단백질은 N-말단 포밀화 (N-terminal formylation)된다고 볼 수 있습니다. 하지만, 합성이 계속 진행됨에 따라 N-말단 포밀화 단백질의 포밀기는 리보솜에 부착된 deformylase (PDF)에 의해 대부분 제거됩니다. 반면, 사람이나 효모와 같은 진핵생물은 세포질에서 단백질을 합성할 때, 변형되지 않은 메티오닌-tRNA를 이용해 N-말단이 변형되지 않은 단백질을 만들지만, 많은 단백질들은 N-terminal acetylase들에 의해 합성과 거의 동시에 비가역적으로 N-말단 아세틸화 (N-terminal acetylation)되는 것으로 알려져 있습니다.

저희 연구실 지도교수님이신 황철상 교수님께서는 진핵생물의 단백질들에서 일어나는 N-말단 아세틸화 자체가 세포 내에서 하나의 단백질 분해 신호 (Ac/N-degron)로 작용하고, 이 분해 신호를 인지해 ubiquitin-proteasome system으로 분해를 조절하는 경로인 'Ac/N-end rule pathway'가 존재함을 진핵생물 모델 생명체인 효모에서 처음으로 발견하셨습니다 (Hwang CS, Science, 2010). 교수님께서 포스텍에 부임하신 2011년부터 시작된 저희 연구실에서는 이에 대한 지속적인 연구 중에 '단백질 합성의 시작인 메티오닌도 하나의 분해신호로 작용한다' (Kim HK, Cell, 2014)는 사실을 발견하였고, 이를 바탕으로 혈압 조절에 중요한 G-단백질 조절인자 Rgs2의 분해 조절 연구에 집중해 포유류 세포 (mammalian cell)에도 Ac/N-degron과 Ac/N-end rule pathway가 잘 보존되어 있음을 밝혀낼 수 있었습니다 (Park SE, Science, 2015).

이번 연구는 황철상 교수님께서 2010년 Science지 논문 발표를 통해 함께 제시하셨던 한 가설이 그 시작으로 볼 수 있습니다. 교수님께서는 이 논문에서 'N-말단 아세틸화와 N-말단 포밀화 모두 단백질의 N-말단에 동일하게 일어나는 화학 변형인 동시에 N-말단의 양전하를 중성화하는 화학적 역할을 가진다는 점에서 N-말단 포밀화도 N-말단 단백질 분해 신호 (N-degron)로 작용할 것'이라 처음 지적하셨는데, 실제로 박테리아 E. coli 단백질 분해 연구를 통해 그 가능성을 보여준 논문이 2015년에 발표되기도 하였습니다.

저희 연구실에서는 교수님께서 제시하신 가설을 바탕으로 E. coli의 formyltransferase (FMT)를 진핵생물인 효모에서 과량 발현하면 단백질 합성 개시 tRNA인 메티오닌-tRNAi의 N-말단 포밀화가 증가하고 세포의 성장이 저해된다는 논문 (Ramesh V, Mol Cell Biol, 2002)에 주목하면서, '진핵생물의 세포질에서도 N-말단 포밀화 단백질이 합성될 수 있고, N-말단 포밀화를 단백질 분해 신호로 인지하는 분해 조절 경로가 존재하지 않을까'하는 모험적인 가설을 세워 이번 연구를 시작하게 되었습니다.

먼저 저희는 진핵생물 세포질에서 N-말단 포밀화 단백질들이 합성될 수 있다는 직접적인 증거를 얻고자 하였고, KIST 이철주 박사님의 도움을 받아 N-말단 펩타이드 질량분석법으로 효모의 세포질에서 N-말단 포밀화된 단백질의 존재를 직접 확인할 수 있었습니다. 이 결과로 가설에 더욱 확신을 가지게 된 저희는 N-말단 포밀화 분석에 용이한 리포터 단백질 시스템과 N-말단 포밀화를 인지할 수 있는 특이항체를 제조하였습니다.

포밀화 특이항체를 이용한 리포터 단백질 분석을 통해, 세포질에서 합성되어 미토콘드리아로 대부분 이송되는 것으로 알려진 미토콘드리아 formyltransferase (Fmt1)가 세포질에 일부 남게 되면서 단백질의 N-말단을 포밀화한다는 것과 이 N-말단 포밀화를 분해 신호 (fMet/N-degron)로 인식해 Psh1 E3 유비퀴틴 리가아제가 Ubc3/Cdc34 E2 유비퀴틴 결합효소와 함께 ubiquitin-proteasome system으로 단백질의 분해를 조절하는 경로 (fMet/N-end rule pathway)가 존재한다는 것을 같이 발견할 수 있었습니다.

저희는 또한 효모가 성장정체기 (stationary phase)에 들어가거나 특정 아미노산 영양분이 고갈되면 세포질 단백질의 N-말단 포밀화가 증가함을 밝혀내는 과정에서, 성장정체기 효모 세포의 Fmt1이 미토콘드리아로 이송되는 정도가 현저히 감소하며 세포질에 남아있는 정도가 크게 증가한다는 사실 역시 발견하게 되었습니다. 그리고 이 두 가지 현상 모두 Gcn2 kinase에 의해 조절됨을 확인하는 동시에 phosphorylation으로 인한 Fmt1의 세포 내 위치 조절과 활성 조절이 N-말단 포밀화 증가의 직접적인 원인임을 알아내어, Gcn2, Fmt1, N-말단 포밀화가 연결된 새로운 조절 회로로서의 상관관계도 명확하게 제시할 수 있었습니다.
이번 연구에서 가장 힘들고 어려웠던 부분은 진핵생물인 효모의 세포질에서 N-말단 포밀화 단백질이 만들어지는 것이 생리적으로 어떤 의미가 있는지를 밝히는 과정이었습니다. 효모 Fmt1이나 E. coli FMT의 과량발현 없이는 N-말단 포밀화 단백질이 생성되는 양이 적어 그 미세한 생리 변화를 파악하기가 너무 어려웠던 것입니다. 그리고, 효모 Fmt1은 미토콘드리아에서의 기능 역시 중요하기 때문에, 이 유전자가 제거된 효모를 이용한다 해도 그에 의해 보여지는 변화가 미토콘드리아의 기능 이상에서 비롯되었는지 아니면 세포질 내 N-말단 포밀화 단백질 생성에서 비롯된 것인지 역시 판단하기가 몹시 어려웠습니다.

고민을 거듭한 끝에, 저희는 효모에 N-말단 포밀화 단백질의 포밀기를 선택적으로 제거하는 PDF가 없다는 사실에 착안하여, E. coli PDF를 발현하거나 발현하지 않은 효모를 이용해 상황에 따른 단백질 분해의 변화를 관찰하면 N-말단 포밀화에 의한 생리 변화까지도 볼 수 있지 않을까 하는 역발상을 하게 되었습니다. 그렇게 준비된 효모들을 다양한 조건에서 배양하며 단백질 분해를 추적해 나갔고, 우연히도 고체배지 상태에서 2주간 저온 스트레스를 주었을 때 N-말단 포밀화에 의한 단백질 분해를 확연히 볼 수 있다는 것을 발견하게 되었습니다. 이에 저희는 같은 조건에서 PDF를 발현한 효모가 그렇지 않은 효모에 비해 성장이 현저히 지체되고 아자이드 같은 독성물질에 취약해진다는 사실을 같이 확인해 진핵생물 세포질에서 생성되는 N-말단 포밀화 단백질의 생리적인 역할을 부분적으로나마 밝혀낼 수 있었습니다.

결론적으로 저희는 진핵생물인 효모의 세포질에서 N-말단 포밀화 단백질의 생성이 가능하고, 그 직접적인 원인인 Fmt1이 Gcn2 kinase에 의해 phosphorylation됨에 따라 세포 내 위치와 활성이 조절되며 그 양이 변화하고 있음을 밝혀 내었습니다. 또한 진핵생물의 단백질 N-말단 포밀화는 성장정체기나 영양 고갈 상태에서 그 생성이 증가하면서 세포가 저온 스트레스나 독성물질들에 대해 적응하고 저항성을 확보해 혹독한 환경에서도 살아남을 수 있도록 하는 세포 생존에 중요한 역할을 하고 있음을 밝혔습니다.

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2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

제가 소속된 포스텍 (POSTECH) 생명과학과의 분자세포신호조절 연구실 (Lab. of Molecular and Cellular signaling)은 황철상 교수님의 지도 아래 주로 단백질 N-말단 분해 신호에 대해 연구하고 있습니다. 황철상 교수님께서는 연구에 대해서 상당히 개방적이고 포용적인 입장이셔서, 사실 그 주제나 범위에 대한 뚜렷한 제한은 없지만, 현재는 단백질 N-말단 아세틸화의 분해 신호 작용과 그 조절 경로 Ac/N-end rule pathway에 대한 연구와 이번에 새로 발견한 진핵생물 세포질에서의 N-말단 포밀화 단백질 생성과 분해 신호 작용, 그리고 그 분해 경로인 진핵생물의 fMet/N-end rule pahtway에 대한 연구, 이렇게 두 개의 큰 주제로 나누어 진행되고 있습니다.

2010년 효모에서의 첫 발견과 2015년 포유류 세포에서의 발견 이래로 Ac/N-end rule pathway에 대한 연구는 현재 포유류 세포에서 Ac/N-end rule pathway의 자세한 분자 기전 및 구조 분석과 새로운 기질 탐색 등 심화 연구를 진행 중에 있고, 이를 바탕으로 마우스 모델로도 연구를 확장하려 하고 있습니다. 이번에 발견한 진핵생물의 fMet/N-end rule pathway는 아직까지는 진핵생물들 중에서 효모에서만 그 존재가 밝혀졌기 때문에, 포유류 세포 쪽으로도 연구를 확장하면서 자세한 분자 기전이나 기능과 관련된 연구를 효모에서 같이 진행할 예정입니다.

무엇보다 저를 포함한 저희 연구실 멤버들은 단백질 합성 시작의 신호가 곧 분해 신호가 된다는 하나의 큰 전제 아래, 단백질 N-말단 분해 신호가 특정한 상황에 따라 감춰지거나 노출되면서, 분해 신호 인식 인자들과 어떠한 관계를 형성하며 단백질의 수명을 결정하는지에 초점을 두고, 이로 인해 일어나는 다양한 생명 현상의 변화에 대해 연구하며 그 의미를 찾고 있다고 보시면 되겠습니다. 또한, 저희는 단백질 분해 경로가 그 기본적인 기능을 넘어 하나의 '신호 전달 및 조절 플랫폼'으로 세포 내에서 작동할 가능성 역시 염두에 두고 있어, 이와 관련한 기전 연구도 함께 진행하고 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

이번 연구는 '진핵생물도 세포질에서 N-말단 포밀화 단백질을 합성할 수 있고, 이 N-말단 포밀화를 인식해 분해하는 경로가 존재할 것이다'는 아주 간단하고 당연해 보이는 하나의 가설로부터 시작된 연구입니다. 문제는 이 가설이 생물학 분야에서 굳건히 믿어져 왔으며, 많은 교과서에서도 흔히 찾아볼 수 있을 정도로 상식이라 여겨져 왔던 내용에 상당히 벗어나 있다는 점입니다. 그러다 보니 연구를 진행함에 있어 참고할만한 보고나 자료가 거의 없어 결국에는 저희가 어제 얻은 결과가 오늘의 참고 자료가 되는 일들이 허다했었고, 이런 한정적인 상황에서도 계속 고심해가며 가설을 증명하기 위한 실험을 계획하고 수행할 수 밖에 없었습니다.

계속되는 난관과 부정적인 결과들에 좌절할 때마다 어디선가 나타나셔서 저희를 격려해주시고, 부정적인 결과들에서도 실마리를 찾아 나아갈 방향을 잡아주시며 논의해주셨던 황철상 교수님이 아니었다면 아마 이 연구는 계속되기 힘들었을 것이 분명합니다. 이에 힘을 얻고 가설에 대한 믿음을 가질 수 있었기에, 저희는 셀 수 없는 시행착오 속에서도 조금씩이나마 결과들을 얻을 수 있었고, 점차 쌓여가는 결과들을 통해 저희가 세운 가설이 더 이상 가설이 아닌 사실임을 굳게 확신할 수 있었습니다.

그렇기에 저는 이번 연구를 통해 힘들고 어려운 연구일수록 더욱더 이를 든든히 지원해주며 이끌어주는 멘토의 역할이 얼마나 중요한지를 다른 무엇보다 절실히 느낄 수 있었습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

세포 내에서 실질적인 일을 도맡아 하고 있는 단백질의 수명이 N-말단에 위치한 잔기에 의해 결정되고, 이로 인해 다양한 생명 현상들까지도 조절되고 있다는 점에서 단백질 N-말단 분해 신호와 경로에 대한 연구는 확실히 매력적인 분야입니다. 또한, 단백질의 합성과 분해가 N-말단 하나에서 비롯된다는 점은 이 분야에 대한 연구가 생명 현상의 가장 큰 원리인 균형과 순환의 원리에 대한 철학적 고찰까지도 가능하게 하지 않을까 하고 조심스레 생각해 봅니다. 그래서 저는 만약 N-말단 아세틸화 단백질의 분해에 대한 Ac/N-end rule pathway의 발견과 이에 대한 연구가 없었다면, 진핵생물 세포질에서 N-말단 포밀화 단백질의 생성과 그에 따른 분해를 과연 밝힐 수 있었을까 하는 생각을 아직도 하고 있습니다.

조금 더 나아가 생각해보면, 물론 저의 건방지고도 매우 좁은 생각이긴 하지만, 태초 생명의 시작에 단백질이 있었고 이를 유지하고 후세에 전달하기 위해 생겨난 것이 유전물질이 아닌가 합니다. 그렇다면 단백질의 생성과 분해는 생명 현상의 두 축이라고도 볼 수 있고, 그 중심에 N-말단 분해 신호가 자리잡고 있으면서 균형과 순환의 원리로 조절되고 있는 존재가 바로 생명체가 아닐까 하는 위험한 발상도 감히 해봅니다.

하지만, 매력적인 부분에도 불구하고 이 분야에 대한 연구가 결코 쉽지만은 않습니다. 연구하는 분해 경로가 하나라 해도 수없이 많은 기질 단백질들의 수명이 개별적으로 어떻게 조절되는지, 그러한 조절들이 어떤 상황에서 변화될 수 있는지, 그리고 이로 인해 생명체에 어떠한 일이 생기는지를 종합적으로 판단하면서 그 의미를 찾아내기 위해 실험방법이나 공부할 분야에 대해 딱히 경계를 두지 않고 끝없이 노력해야 하는 연구 분야이기도 하기 때문입니다.

이 분야에 꼭 한정된 이야기는 아니지만, 한 분야를 연구하며 훌륭한 성과를 만들어내는 것은 사실 굉장히 어렵고 힘든 일입니다. 요즘과 같이 다양한 선택이 가능한 시대에서는 힘들고 어려운 일은 하지 않는 것이 정답이라고 생각합니다. 하지만, 본인에게 확고한 목적 의식이나 목표가 있고 또한 그를 지원해줄 멘토가 있다면, 무슨 일을 하든 힘들고 어려운 것은 전혀 고려대상이 되지 않을 것이라 생각합니다. 그렇기에 무슨 분야든 상관없이 관심이 있다면 우선 한 번 부딪히면서 겪어보라고 말하고 싶습니다. 그런 후에 고민하고 다시 결정해도 절대로 늦지 않으니까요.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

진핵생물 세포에 내재된 기전으로서 N-말단 포밀화 단백질이 세포질에서 생성되고, 이 N-말단 포밀화를 분해신호로 인지하는 분해 경로가 존재한다는 새로운 생명 현상을 처음으로 발견하고 증명한 것이 이번 연구의 성과입니다. 이는 곧 저희가 이미 대답했던 질문보다 앞으로 고민하고 밝혀내야 할 질문들이 엄청나게 많이 남아있음을 의미합니다. 하지만, 우선은 진핵생물의 fMet/N-end rule pathway에 대한 자세한 분자 기전이나 구조 연구를 진행하면서 이 분해 경로의 자세한 청사진을 만들고자 합니다. 또한 새로운 분해 기질들을 탐색해 각 분해 조절들 사이의 관계를 파악함으로써 N-말단 포밀화 단백질의 생리적 기능을 분자 단위에서 좀더 구체화하는 연구를 병행하고자 합니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

이제는 순탄하겠지 하면 다시 난관에 부딪히기를 반복하면서 말 그대로 맨땅에 헤딩만 몇 백 번씩 해가며 진행해 왔던 이 연구가 세상에 빛을 볼 수 있도록 해주신 황철상 교수님께 가장 먼저 감사 인사를 드립니다. 좌절하지 않도록 끝없이 격려 해주시면서도, 한편으로는 계속 공부하고 고민하시며 아이디어를 주시고 설사 부정적인 결과라 해도 그에 대한 논의나 조언에 시간을 아끼지 않으시며 연구가 길을 잃지 않도록 해주신 황철상 교수님이 아니었다면, 이 연구는 아마 제게 또 하나의 큰 실패가 되지 않았을까 합니다. 이번 연구를 맡은 것 자체가 제 인생에 다시 없을 행운이 되고, 그 행운이 다시 가장 큰 영광이 될 수 있게 해주셔서 다시 한 번 정말 감사 드립니다.

실험 때문이라지만 불규칙한 생활에 두문불출하고 나타날 때마다 어려운 일들만 주는 세상에 둘도 없는 희한한 박사임에도 불평 하나 없이 끝까지 믿어주고, 난이도가 최악이라 할만한 실험들에 대해 항상 최상의 결과만을 보여주어 이번 논문의 숨은 공로자라 할 수 있는 석옥희 연구원에게 무엇보다 감사하고 싶습니다. 또한, 나이 많은 박사 밑에서 일 배운답시고 온갖 굳은 일 다 해주고 구박은 구박대로 받으면서도 논문을 위해 꿋꿋이 제 몫을 하며 최선을 다해준 허지은 대학원생에게도 감사의 인사를 전합니다. 그리고 방장 업무와 본인 연구로 이미 충분히 바쁨에도 시간을 내어 이번 연구에 큰 도움을 준 김다솜 대학원생에게도 감사하다는 말을 하고 싶습니다. 더불어, 이번 연구를 위해 실험이나 실험 외적으로 본인들이 받는 피해에는 아랑곳 하지도 않고 적극적으로 도움을 아끼지 않은 분자세포신호조절 연구실 멤버 모두에게 '또 하나의 내 인생의 영광들'이라는 말을 꼭 전하고 싶습니다.

끝없는 부탁과 수없이 많은 요청에도 그저 묵묵히 질량분석을 해주고 이를 멋들어진 결과로까지 만들어준 한양대학교 주신영 군과 질량분석에 대해 모든 지원을 아끼시지 않은 KIST 이철주 박사님께도 감사의 인사를 전합니다.

마지막으로 길고 길었던 남편의 여정에 하루하루 노심초사하면서도 티 내지 않고 든든히 지원해준 아내와 아빠가 무얼 하는지는 잘 몰라도 매일 다시 연구실로 들어가야 함은 이해해준 아들에게 많이 사랑하고 고맙고 또 미안하다는 말을 하고 싶습니다.

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 등록일 2018-12-04
Category: Cell_Biology, Biochemistry
  댓글 3
회원작성글 flicarus  (2018-12-05 02:06)
장하다 김박사!
회원작성글 H-JKim  (2018-12-05 18:57)
축하드립니다^^
회원작성글 seojin0221  (2018-12-12 14:51)
축하드려요~^^
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