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세로토닌 수용체와 환각물질과의 결합구조 규명
생명과학 한국연구재단 (2020-10-15)

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미국 노스캐롤라이나 대학교 약리학과 김국래 박사, 제1저자


환각이나 중독없는 항우울증 후보탐색에 기여할 것으로 기대

□ 기분과 감정을 조절하는 신경전달물질‘세로토닌’의 작용을 매개하는 수용체와 환각물질과의 결합구조가 베일을 벗었다. 

○ 세로토닌 수용체 2A를 표적으로 하는 부작용 없는 항우울제 개발연구가 활발한 가운데, 수용체와 환각물질간 결합구조가 밝혀짐에 따라 환각이나 중독을 피할 수 있는 항우울제 설계의 실마리가 될 것으로 기대된다. 
* 세로토닌 수용체 2A(5HT2A,Serotonin Receptor 2A) : 14 종류의 세로토닌 수용체중 하나로 뇌의 대뇌피질에서 발견되는 막 단백질이며, 기쁨, 우울과 같은 인간의 기분을 조절한다.

□ 한국연구재단은 교육부와 한국연구재단이 추진하는 박사후 국외연수지원사업의 지원을 받은 김국래 박사(공동 제1저자)가 소속된 브라이언 로스 교수 연구팀(미국 노스캐롤라이나 대학교)이 세로토닌 수용체와 환각물질(LSD, 25CN-NBOH)과의 결합구조를 규명했다고 밝혔다.

○ 김국래 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘셀(Cell)’에 9월 17일 게재되었다. 

□ 향정신성의약품으로 지정된 강력한 환각제, LSD와 25CN-NBOH는 대뇌피질에서 주로 발현되는 세로토닌 수용체 2A와 결합하는 것으로 알려져 있었으나 그 결합구조는 알려지지 않았다.  

□ 세포막을 관통하며 자리잡고 있는데다 유동적인 특성 때문에 순수하게 분리하기 어려운 세로토닌 수용체 2A의 순수한 단백질 결정샘플을 얻는 것이 급선무였다.

○ 연구팀은 막 단백질을 생성하는데 유리한 곤충세포를 이용했다. 안정적이며 효율이 높은 유전자 전달체를 선별하여 곤충세포에서 발현되도록 함으로써 충분한 양의 수용체 단백질 샘플을 얻을 수 있었다. 

□ 얻어진 수용체 결정과 환각물질과의 결합구조는 CryoEM* 과 X-선 결정학*을 이용하여 높은 해상도로 규명하였다.
* CryoEM : 초저온에서 단백질을 얼린 후 전자현미경으로 파티클 이미지들을 얻은 후 단백질 구조를 규명하는 방법
* X-선 결정학 : 단백질의 결정을 X 선 회절을 하여 구조를 규명하는 방법

○ 초저온에서 단백질을 얼린 후 전자현미경 이미지를 얻음으로써 25CN-NBOH와의 결합구조를 얻는 한편 

○ 단백질 결정에 대한 X선 회절 이미지를 통해 LSD와의 결합구조를 얻는 데 성공했다. 

□ 나아가 이렇게 드러난 결합부위에서 나타나는 독특한 잔기(residue)를 변형시키면 세포 내부로 전달되는 신호가 선택적으로 변하는 것을 통해 활성화 기작을 검증하였다.

□ 향후 인공지능을 이용한 분자설계나 분자도킹을 통해 환각이나 중독 등의 부작용으로부터 자유로운 항우울제 개발을 위한 후보물질을 발굴하는데 실마리가 될 것으로 기대된다.

주요내용 설명 

1. 연구의 필요성

○ 기존 SSRI*같은 항우울제는 세로토닌 재흡수 저해제로, 세로토닌 수용체가 아닌 SERT*를 표적으로 하고 있어 체내의 모든 세로토닌 재흡수가 억제된다. 이것은 불면, 입마름, 설사, 메슥거림, 식용저하, 불안 그리고 성기능 장애의 부작용이 보고되고 있다. 
* SSRI : Selective Serotonin Reuptake Inhibitor
* SERT : Serotonin Reuptake transporter

○ 따라서 인간의 행복과 우울을 관여하는 세로토닌 수용체 2A(5HT2A)를 직접적으로 표적으로 하는 항우울제 개발이 시도되고 있다. 최근 존스홉킨스 대학 연구팀은 마약버섯 추출물인 Psilocybin*에 대한 연구를 진행 중이고 FDA로부터 항우울 혁신 선도연구 약물로 지정받았다. 
* Psilocybin : 세로토닌 수용체 2A(5HT2A)의 작용제로 현재 항우울 선도물질로 연구되고 있으며 임상 3상 진행중에 있다.

○ 그리고 5HT2A와 결합하는 LSD, 25CN-NBOH와 결합구조를 알게 되면, 환각이 없는 신약을 개발할 때 중요한 정보가 되므로 이 세로토닌 수용체의 구조규명이 필요하였다. 
* LSD, 25CN-NBOH : 향정신성의약품으로 지정된 강력한 환각제

○ 주로 세포막에 존재하는 세로토닌 수용체(5-HTR)는 신경전달물질 세로토닌(5-HT)과 결합하는G단백질결합수용체(GPCR)로, 14개의 아형이 있다. 그 가운데 대뇌피질에서 주로 발현되는 세로토닌 수용체 2A는 기쁨이나 우울 같은 인간의 기분에 영향을 미친다. 환각물질 LSD나 NBOH도 이 수용체와 결합하는 것으로 알려져 있다. 하지만 그 분자적 기전은 잘 알려지지 않았다. 

2. 연구내용 

○ 세로토닌 수용체(5HT2A)와 LSD 그리고 25CN-NBOH의 결합구조를 규명하기 위해 CryoEM* 과 X-선 결정학*을 이용하였다.
* CryoEM : 초저온에서 단백질을 얼린 후 전자현미경으로 파티클 이미지들을 얻은 후 단백질 구조를 규명하는 방법
* X-선 결정학 : 단백질의 결정을 X 선 회절을 하여 구조를 규명하는 방법

○ 25CN-NBOH와 결합하는 활성화된 수용체의 구조는 CryoEM으로 접근하였다. 먼저 수용체 및 그와 결합하는 G단백질 서브유닛(Gq, Gbeta와 Ggamma)을 모두 순수정제한 후 Titan Krios*장비를 이용, 3.2A의 높은 해상도의 전자현미경 이미지를 얻었고, 그로부터 구조를 규명하였다.
* Titan Krios : Cryo EM을 위해 사용되는 전자현미경의 한 종류

○ LSD와 5HT2A와의 결합구조는 X-선 결정학으로 접근하였다. 막 단백질을 결정화하는 특수한 Lipidic Cubic Phase* 방법으로 수용체 단백질을 결정화하고 APS(The Advanced Photon Source, USA) 방사광가속기연구소에서 X-선 회절데이터를 얻었고, 그로부터 구조를 규명하였다.
* Lipic Cubic Phase (LCP) : 단백질 결정화 방법 중 하나. 주로 막단백질 결정화를 위해, LCP상태에서는 막과 유사한 환경을 만들어주어, 막단백질의 결정화에 도움을 준다.

○ 세로토닌 수용체 2A가 이러한 물질들과 결합하는 부위의 독특한 잔기를변형시킨 후, 단백질 상호간 작용을 검출할 수 있는 BRET* 등을 통해 수용체와의 결합여부를 확인함으로써 활성화 기작을 증명하였다.
* BRET(bioluminescence resonance energy transfer) : 단백질-단백질 결합을 확인하기 위해, 형광단백질을 이용하여 검출하는 방법.

○ 세린242(S242)는 세로토닌 수용체들 중에서 5HT2A만 특이적으로 가진 잔기로서, LSD와 수소결합을 하는 역할을 한다. 이 부분을 알라닌으로 돌연변이 시켰을 때, LSD의 결합력이 감소하는 것을 확인하였으며 이를 통해 왜 LSD가 5HT2A와의 결합력이 강한지에 대한 해답을 얻을 수 있었다.

○ 아이소류신181(I181)은 G 단백질과 소수성 결합을 하는 잔기이다. 이부위의 잔기를 글루타메이트 또는 알라닌으로 돌연변이 시켰을 때, G 단백질의 결합력은 감소하였으나, 어레스틴*의 결합력은 증가하였다. 이 잔기의 변화는 하위의 신호가 선택적으로 변하게 됨을 의미한다.
* 어레스틴(Arrestin) : 인산화된 GPCR과 결합하는 신호 전달 단백질로, GPCR 하위로 신호를 전달하거나, GPCR의 세포내로 이동시키게 하는 역할을 한다.

3. 연구성과/기대효과

○ 이번에 규명된 세로토닌 수용체 구조를 토대로 슈퍼 컴퓨터 또는 인공지능을 이용한  분자도킹을 통해 100만 가지 이상의 화합물 라이브러리를 디자인할 수 있게 되었다. 새로운 항우울제 개발을 위한 후보물질 발굴의 속도를 높이는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 
* 인공지능을 이용한 분자설계 : AI를 이용하여, 단백질 구조를 기반 그와 결합하는 새로운 약물 후보물질을 설계하고, 예측하는 방법
* 분자 도킹 : 컴퓨터를 이용하여 100 만 가지 이상의 화합물 라이브러리를 통해, 단백질 구조와 결합하는 최적의 화합물을 에너지 계산을 통해 찾아내는 방법

 ○ 후속연구로 분자 도킹을 이용하여, 초고속 스크리닝을 통해 새로운 항우울 후보물질을 탐색하고자 한다. 

 

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(그림) 세로토닌 수용체와 환각물질(LSD 그리고 25CN-NBOH)과의 결합구조
A.세로토닌 수용체 2A(연두색의 리본구조)와 25CN-NBOH(노란색의 화학구조)의 활성화 상태의 결합구조. 수용체가 활성화된 구조를 관찰할 수 있도록 단백질을 안정화 시키기 위해 G-단백질들 (금색:Gq, 빨강:G-beta, 노랑: G-gamma )을 결합시켰다. 
B.세로토닌 수용체 2A(분홍색의 리본구조)와 LSD(진분홍색의 화학구조)의 결합구조

출처 : 노스캐롤라이나 대학교 김국래 박사 

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