국내연구진이 인체 단백질합성에 필수적인 효소로 알려진 *단백질(EPRS)이 항바이러스 선천성 면역 활성 인자로 작용하는 새로운 기능을 규명하였다. 향후 EPRS 단백질을 활용한 독감 바이러스 등 광범위 항바이러스 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

한국생명공학연구원 미생물면역연구센터 김명희 박사팀 (공동교신저자: 김명희 박사, 공동제1저자: 이은영 박사)이 충남대학교 수의대학 이종수 교수팀(공동교신저자: 이종수 교수, 공동제1저자: 이현철 박사과정 대학원생)과 수행한 이번 연구는 생명연 주요사업 (원장 장규태)과 미래창조과학부 글로벌프론티어사업(단장 김성훈) 등의 지원으로 수행되었고, Nature Immunology誌 (5년 평균 IF 23.96) 9월 5일자(한국시각 9월 6일) 온라인 판에 게재되었다.
(논문명 : Infection-specific phosphorylation of glutamyl-prolyl tRNA synthetase induces antiviral immunity)

인간을 포함한 고등생물에 존재하는 단백질합성에 필수적인 20종류의 합성효소(aminoacyl-tRNA synthetase)는 효소로서의 기능 외에도 세포 항상성 유지를 위해 다양한 기능을 하는 것으로 최근 보고되고 있다. 

흥미롭게도 20종류의 효소 중에서 9종은 세포질 내에서 거대 복합체 형태를 이루어 존재하고 있다. 효소들이 복합체로서 존재하는 이유를 30년 이상 세계의 많은 연구 그룹에서 규명하려고 노력하고 있지만 여전히 미스터리로 남아 있다.

본 연구진은 이러한 거대 효소복합체의 근원적인 세포 기능을 규명하기 위해 입체구조분석 연구를 수행하는 과정에서 아이디어를 얻어, 모든 세포내에 존재하고 있는 효소복합체는 단백질합성효소로서의 기능 이외에도 감염과 같은 긴급한 상황에 대응하여 감시 및 면역 조절시스템으로서  세포 항상성 유지를 위한 역할을 할 것이라는 가설을 세워 연구를 수행하였다.

연구 결과, 인체에 독감 바이러스(influenza A virus)와 같은 알엔에이(RNA) 바이러스가 감염되면 즉각적으로 이를 인지한 효소복합체는 *EPRS 단백질을 방출시켜 항바이러스 면역 반응에 매우 중요하게 기능을 하는 **단백질(MAVS)을 보호하여 바이러스 증식을 억제함을 규명하였다.

이와 관련하여, 연구팀은 EPRS가 결여된 마우스는 항바이러스 싸이토카인 분비가 저해되어 바이러스 억제 능력이 떨어져 생존율이 현격하게 낮아짐을 밝혔고, 이와는 반대로 EPRS가 과발현되면 바이러스 증식 억제 능력이 현저히 증가함을 확인하였다.

특히 연구팀은 바이러스가 감염되면 복합체로부터 감염신호를 받은 효소복합체의 EPRS 단백질에 구조적 변형이 일어나 방출되고, 이후 항바이러스 단백질(MAVS)을 보호하여 바이러스 증식을 억제하는 선천성 면역 활성 인자로 기능을 함을 규명함으로써 면역조절 시스템으로 작용하는 효소복합체의 새로운 기능을 발견하였다.

연구책임자인 생명연 김명희 박사는 “이번 연구성과는 모든 세포내에 존재하는 단백질합성에 필수적인 효소복합체가 효소로서의 기능외에도 감염시 세포항상성을 위한 면역조절시스템으로 기능을 한다는 중요한 사실을 밝힌 것이다. 특히 복합체 구성원 중 EPRS의 항바이러스 면역 활성 기전을 규명한 것을 기반으로 항바이러스 효과를 나타내는 EPRS 유래의 항바이러스 물질을 발굴하였고, 항바이러스 단백질(MAVS)에 특이적으로 작용하여 향후 광범위 항바이러스 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

연   구   결   과   개   요

□ 연구배경
○ 모든 생물의 단백질합성에 필수적인 20종류의 아미노아실-티알엔에이-합성효소(aminoacyl-tRNA synthetase)는 단백질합성과정에서 특정 아미노산을 해당 tRNA에 붙여주는 역할을 하는 효소이다. 미생물과 같은 하등생물과 다르게 인간을 포함한 고등생물에서는 효소로서의 기능 외에도 세포 항상성 유지를 위해 다양한 세포 신호 전달 네트워크에 관여하여 기능을 하는 것으로 최근 많은 논문에서 보고되고 있다. 이러한 세포 기능은 대부분 진화 과정 동안 부수적으로 생긴 효소기능과는 무관한 단백질 부위 때문에 일어난다. 흥미롭게도 20종류의 효소 중에서 9종은 이러한 부가적 부위를 이용해 세포내에서 거대 복합체 형태를 이루어 존재하고 있다. 이러한 효소들의 복합체로서의 존재 이유는 30년 이상 풀리지 않은 난제로 남아 있다.
○ 본 연구진은 근원적인 거대 효소복합체의 기능을 규명하기 위해 입체구조분석 연구를 수행하는 과정에서 모든 세포내에 항상 존재하고 있는 저장고와 같은 단백질합성효소복합체는 세포 항상성과 관련된 다양한 기능 중에서 즉각적인 대응이 필요한 감염과 연관된 기능을 생각하게 되었고 선천성 면역 방어 시스템으로서 역할을 할 것이라는 가설을 세워 연구를 수행하였다.

□ 연구내용
○ 연구팀은, 인체에 독감 바이러스와 같은 RNA바이러스가 감염되면 세포의 즉각적인 인지를 통해 효소복합체 구성원 중에서 신호를 받은 EPRS 단백질이 복합체에서 방출되어 항바이러스 선천성 면역의 핵심 단백질인 MAVS를 보호하여 인터페론과 같은 항바이러스 싸이토카인 면역물질들을 분비하도록 유도함으로써 바이러스 증식을 억제함을 규명하였다.
○ 이 연구에서 연구팀은 바이러스가 감염되면 EPRS의 특정 아미노산 부위(Ser990번)에 신호가 표지(인산화)되어 주변의 구조적 변화를 일으켜 효소복합체로부터 방출됨을 발견하였다.
○ 복합체로부터 방출된 EPRS는, 이후 PCBP2라는 MAVS의 분해를 유도하는 단백질과 결합하여 MAVS를 PCBP2로부터 보호하고 MAVS의 안정성을 유도함으로써 MAVS에 의한 항바이러스 싸이토카인 분비를 촉진시켜 바이러스의 증식을 억제하게 하는 기전을 규명하였다.
○ 즉, 바이러스가 감염되면 발현이 증가되어 MAVS와 결합하는 PCBP2를 EPRS가 가로챔으로서 MAVS의 유비퀴틴화를 저해하여 MAVS의 세포내 안정성을 유지하도록 유도하면서 항바이러스 면역 활성 기능을 나타냄을 알 수 있었다.
○ 연구팀은 이러한 기전을 마우스 모델을 이용하여 확인하였다. 정상인 마우스와 비교하여 EPRS 결여 마우스는 바이러스 감염됐을 때 싸이토카인 생산능이 저하되어 바이러스의 증식을 억제하지 못하고 결과적으로 정상 마우스에 비해 생존력이 월등히 저하됨을 확인하였다.
○ 또한 연구팀은 PCBP2에 결합하는 EPRS의 핵심부위를 분석하여 효소로서의 기능과는 관계가 없는 약 30개의 아미노산으로 이루어진 부위와 결합함을 알 수 있었고 이 펩타이드만으로도 MAVS를 특이적으로 보호하여 항바이러스 활성을 발휘할 수 있음을 확인하였다.
○ 즉, 본 연구의 성과는 수십년 간 미스터리로 남아 있는 효소복합체의 기능 중에서 감염에 대응한 면역 조절시스템으로서의 기능을 최초로 제시한 연구로, 특히 복합체 구성원 중에서 EPRS는 바이러스 특이적 신호를 받아 항바이러스 면역 활성 기능을 발휘한다는 기전 규명을 한 것이다. 이러한 기초 기전 연구 결과로부터 기능의 핵심이 되는 펩타이드를 발굴하였고 이를 활용한 광범위 항바이러스 치료제 개발 가능성을 제시하고 있다.

□ 연구성과의 의미
▶ 단백질합성 효소복합체의 감염 신속 대응 면역 조절 역할 규명
○ 모든 세포내에 항상 존재하고 있는 저장고와 같은 단백질합성 효소복합체의 세포 항상성 유지를 위한 세포 조절 기능 중 즉각적인 대응이 필요한 감염과 연관되어 감염의 감시와 면역 조절 기능을 제시한 연구 결과
▶ 효소복합체 구성원 중 EPRS 단백질의 항바이러스 면역 활성 기능 규명
○ 바이러스가 감염된 세포에서 단백질합성 효소복합체 구성원 중 EPRS 단백질이 신호를 받아 어떻게 항바이러스 면역 활성 인자로 기능을 하는지에 대한 기전 규명. 이러한 결과로부터 EPRS 유래 펩타이드를 활용한 광범위 항바이러스 치료제 개발 가능성을 제시함.

연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가

1. 모든 세포내에 항상 존재하고 있는 저장고와 같은 단백질합성 효소복합체의 감염에 대응한 면역 조절시스템으로서의 기능을 최초로 제시한 연구
2. 바이러스가 감염된 세포에서 단백질합성 효소복합체 구성원 중 EPRS 단백질이 어떻게 항바이러스 면역 활성 인자로 기능을 하는지에 대한 기전 규명

어디에 쓸 수 있나

1. 감염에 대응한 EPRS 이외의 단백질합성 효소복합체 구성원들의 후속 연구를 통해 면역조절시스템으로서의 효소복합체의 역할 정립을 하고자 함.
2. 항바이러스 기능을 나타내는 EPRS 유래 펩타이드를 활용한 광범위 항바이러스 치료제 개발에 활용

실용화까지 필요한 시간은

약 3-5년

실용화를 위한 과제는

1. EPRS 유래 펩타이드와 이의 타겟 단백질인 PCBP2와의 복합체 구조 연구를 통한 펩타이드 안정성 최적화
2. 최적화된 펩타이드의 다양한 RNA 바이러스 감염 치료제로서의 효능 분석

연구를 시작한 계기는

본 연구진은 근원적인 거대 효소복합체의 기능을 규명하기 위해 입체구조분석 연구를 수행하는 과정에서 모든 세포내에 항상 존재하고 있는 저장고와 같은 단백질합성 효소복합체는 세포 항상성과 관련된 다양한 기능 중에서 즉각적인 대응이 필요한 감염과 연관된 기능을 생각하게 되었고 선천성 면역 방어 시스템으로서 역할을 할 것이라는 가설을 세워 연구를 수행함.

에피소드가 있다면

본 연구진에 의해 세운 가설로부터 감염 및 면역 연구 분야에 효소복합체의 중요성을 면역학 분야의 세계적 저널인 Nature Immunology를 통해 알릴 수 있었던 것은 다양한 연구 전문성을 갖춘 국내 연구자들의 적극적인 협력이 만든 결과임. 특히 바이러스 연구 분야에 뛰어난 전문가이신 충남대학교 수의과대학의 이종수 교수님과 프로테오믹스 연구 분야의 뛰어난 전문가이신 KIST의 이철주 박사님의 적극적인 협력 연구로 인해 비교적 짧은 기간에 우수한 연구 결과를 정리할 수 있었음. 무엇보다도 본 연구실이 오래전부터 집중하고 있는 감염과 면역 연구에 단백질합성효소의 기능을 고려하여 연구할 수 있었던 계기는 본 연구진이 2010년부터 시작한 글로벌프론티어 의약바이오컨버젼스연구단에 합류하여 연구단이 집중하고 있는 단백질합성효소들의 세포 기능 연구를 통해 마련한 많은 지식과 기술 그리고 연구 재료들의 축척이 있었기에 가능한 연구였음.

꼭 이루고 싶은 목표는

모든 세포에 존재하는 저장고와 같은 효소복합체의 입체구조분석 규명을 이루어 수십년간 난제로 남아 있는 효소복합체로서의 세포내 존재 이유 및 세포내에서의 역할을 명확히 밝히고 싶음.

신진연구자를 위한 한마디

새로운 생명 현상에 스스로 질문을 던지고 그 질문의 답을 찾고 싶은 도전정신이 있었으면 한다. 답을 찾는 과정에서 항상 겪는 실패에 좌절하지 말고 다양한 분야의 전문가들과 communication을 통해 함께 풀어가는 오픈된 연구자가 되길 바란다.

그림 1. 효소복합체(MSC)로부터 방출된 EPRS 단백질의 항바이러스 면역 활성 기전
(1) 바이러스가 감염된 세포는 RIG-I 센서에 의해 즉각적으로 감염 인지
(2) 감염 신호를 MSC로 전달하여 EPRS 세린 990번(S990) 아미노산 인산화에 의한 구조적 변형을 일으켜 MSC로부터 방출
(3) MSC로부터 방출된 EPRS는 MAVS의 분해를 촉진하는 PCBP2와 결합하여 MAVS를 보호
(4) EPRS에 의해 안정성을 유지한 MAVS는 항바이러스 싸이토카인 분비를 촉진하여 바이러스 증식을 억제

그림 2. 바이러스 감염 특이적인 EPRS 단백질의 인산화 분석
(a) 비감염 세포와 독감 바이러스가 감염된 세포로부터 정제된 EPRS 분석을 통해 바이러스 감염된 세포의 EPRS Ser990 위치에 인산화(pS)가 검출됨.
(b) 바이러스 감염 특이적인 EPRS Ser990의 인산화(pS990) 확인. 바이러스 감염 약 3시간부터 EPRS의 인산화가 일어남.

그림 3. 바이러스가 감염된 정상쥐와 EPRS가 결여된 쥐의 항바이러스 능력
(a) EPRS가 결여된 마우스의 뇌에 염증성 세포의 침윤이 관찰됨.
(b) 정상쥐의 뇌는 바이러스 감염 5일안에 바이러스가 제거된 반면 EPRS 결여된 쥐는 바이러스가 관찰됨.
(c) 정상쥐와 EPRS가 결여된 쥐에 바이러스가 감염될시 EPRS 결여쥐의 생존율이 현격히 감소됨.

그림 4. 바이러스 감염된 세포에서 EPRS는 PCBP2와의 결합을 통해 PCBP2에 의한 MAVS의 분해를 억제
(a) 바이러스 감염 후, 초기 PCPB2와 MAVS 간의 결합에서 시간이 경과함에 따라 PCBP2와 EPRS 간의 결합이 증가됨.
(b) PCBP2 매개에 의한 MAVS의 유비퀴틴화는 EPRS 처리에 의해 감소됨.
(c) EPRS는 PCBP2로부터 MAVS를 보호하여  MAVS의 세포내 안정성을 유도함. 

그림 5. EPRS 유래 펩타이드(Epep)의 항바이러스 활성
(a) EPRS 유래 Epep 펩타이드는 PCBP2가 매개하는 MAVS의 유비퀴틴화를 억제함.
(b) Epep 펩타이드는 세포내 MAVS의 농도를 증가시킴.
(c) Epep 펩타이드는 항바이러스 싸이토카인 생산을 유도하여 (d) 바이러스 증식을 현격히 억제시킴.