- 실시간 G 단백질 주기가 세포막 수용체의 2단계 구조변화에 미치는 영향 규명
- G 단백질 연결 수용체 관련 병리 및 치료법 연구에의 응용 기대

DGIST(총장 국양)는 뇌과학과 서병창 교수 연구팀이 우리 몸 속 스위치 역할을 하는 G단백질의 주기가 G단백질 연결 수용체(G protein-coupled receptor, 이하 GPCR)의 구조변화에 실시간으로 미치는 영향을 처음 규명했다고 16일 밝혔다. 

GPCR은 냄새, 빛, 온도, 신경전달물질, 호르몬 등의 세포 외부 신호를 받아들여 활성화되며, 알려진 약품들의 절반 정도가 GPCR을 타겟팅한다고 알려질 정도로 수많은 생체활동에 사용되는 수용체다. GPCR은 G 단백질을 활용해 다양한 세포 내 신호전달 경로를 조절한다. 그러나 아직까지 G 단백질의 가역적 활성화-비활성화 주기가 GPCR의 구조적 변화에 미치는 영향은 밝혀지지 않았다. 

이에 서병창 교수 연구팀은 GPCR의 일종인 ‘인간 M3 무스카린성 아세틸콜린 수용체(이하 hM3R 수용체)’를 활용해 형광 단백질 기반의 새로운 바이오 센서를 개발했다. 이를 통해 GPCR 기반의 단일 수용체 센서가 G 단백질 주기에 의한 수용체의 연속적인 구조적 전환을 표시할 수 있음을 발견했다. 

또한, 연구팀은 G 단백질 활성화가 Gq 단백질 결합으로 인한 빠른 단계와 Gαq 및 Gβγ 소단위의 물리적 분리에 의한 후속 느린 단계를 포함하여 hM3R 수용체 구조의 2단계 변화를 유발한다는 것을 보여주었다. 

또한 분리된 활성화 상태의 Gαq가 리간드로 활성화된 hM3R 수용체 및 Gαq의 하위신호전달경로인 PLCβ와 안정적으로 복합체를 형성한다는 것을 발견하였다. 

서병창 교수 연구팀은 그 밖에도 포도막 흑색종 등의 원인이 되는 G단백질 연관 유전자 돌연변이의 병리 및 유관 후보치료약물의 약리에의 응용연구를 통해 Gβγ 소단위가 Gαq와 분리된 형태로 단독적으로 hM3R 수용체와 결합을 이룰 수 있다는 것을 발견해 관련 질병의 치료가 가능한 단서를 제시했다.

교신저자인 서병창 교수는 “그동안 별개로 여겨졌던 활성 GPCR과 활성 G단백질 간의 실시간 소통관계를 이번 연구를 통하여 새롭게 확인하였다”고 밝혔으며 “이번 연구가 향후 GPCR과 G단백질과 연관된 질환 및 치료법의 분자·개체수준 연구에도 큰 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 DGIST 뇌과학과 김용석 석·박사통합과정생이 제1저자로 참여하였으며, 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF: 17.694)’에 3월 8일자로 게재됐다. 또한 이번 연구는 한국연구재단의 ‘중견연구자 지원사업’과 ‘기초연구실 지원사업’의 지원을 통해 수행됐다.

연 구 결 과 개 요

Two-step structural changes in M3 muscarinic receptor activation rely on the coupled G_q protein cycle
(결합된 G_q 단백질 주기에 따른 M3 무스카린 수용체 활성의 2단계 구조적 변화) 

Yong-Seok Kim, Jun-Hee Yeon, Woori Ko & Byung-Chang Suh*
(김용석, 연준희, 고우리, 서병창*)

Nature Communications, Published on Mar. 8th.. 2023 

G 단백질 결합 수용체(GPCR)는 이종삼량체인 G 단백질의 활성화를 통해 다양한 세포 내 신호 전달 경로를 조절한다. 그러나 G 단백질의 순차적인 활성화-비활성화 주기가 GPCR의 구조적 변화에 미치는 영향은 아직 알려지지 않았다. 인간 M3 무스카린 수용체(hM3R 수용체)를 위한 새로운 형광공명에너지전달(FRET) 도구를 개발함으로써 우리는 단일 수용체 FRET 프로브가 G 단백질 주기에 의해 수용체의 연속적인 구조적 전환을 표시할 수 있음을 발견하였다. 우리의 결과는 G 단백질 활성화가 G_q 단백질 결합에 의해 매개되는 빠른 단계와 Gα_q 및 Gβγ 소단위의 물리적 분리에 의해 매개되는 후속 느린 단계를 포함하여 hM3R 수용체 구조의 2단계 변화를 유발한다는 것을 보여준다. 우리는 또한 분리된 Gα_q-GTP가 리간드로 활성화된 hM3R 수용체 및 phospholipase Cβ와 안정한 복합체를 형성한다는 것을 발견하였다. 요약하면, 본 연구는 다운스트림 G_q 단백질 주기 동안 선천적 hM3R 수용체의 실시간 형태 역학을 밝혀내었다. 

연 구 결 과 문 답

이번 성과 무엇이 다른가

냄새, 빛, 온도, 신경전달물질, 호르몬 등의 세포 외부 신호를 받아들여 활성화되는 GPCR은 이종삼량체인 G 단백질의 활성화를 통해 다양한 세포 내 신호전달 경로를 조절한다. 그러나 아직까지 G 단백질의 가역적 활성화-비활성화 주기가 GPCR의 구조적 변화에 미치는 영향은 밝혀지지 않았다. 이번 연구에서는 GPCR의 일종인 hM3R 수용체를 활용한 새로운 FRET 센서를 개발함으로써 단일 수용체 센서가 G 단백질 주기에 의한 수용체의 연속적인 구조적 전환을 표시할 수 있음을 최초로 발견하였다. 

어디에 쓸 수 있나

GPCR 및 G 단백질의 비정상적인 활성은 포도막 흑색종 등과 같은 악성종양이나 뇌전증 등과 같은 신경질환을 유발하게 된다. 본 연구를 통해 활성 GPCR과 활성 G단백질 간의 실시간 소통관계를 이해할 수 있게 되었고, 이를 바탕으로 관련 질병의 발병기전 연구와 치료제 개발에 적용될 수 있음을 제시하였다. 

실용화까지 필요한 시간과 과제는

이번 연구는 세포 수준에서 분자적 메커니즘을 확인한 경우이기 때문에 추후에 더 상위 개념인 동물 질환모델 등에서도 새롭게 개발한 FRET 센서를 통한 GPCR, G단백질 연구를 추가적으로 수행할 계획이다.

연구를 시작한 계기는 

그동안 GPCR이나 G단백질의 실시간 신호전달 경로를 연구하기 위해서는 각 작용단계의 개수에 상응하는 만큼의 다양한 실험들을 필요로 하였다. 하지만 이러한 단편적인 실험들은 시간적 경제적으로 효율성이 낮을 뿐만 아니라 결정적으로는 전체 신호전달 경로의 연속성을 해칠 수 있다는 우려가 있었다. 이를 해결하기 위해 한 가지 실험만으로도 GPCR과 G단백질의 전체 신호전달 경로를 실시간으로 확인할 수 있는 FRET 센서를 개발하고자 하였다.

어떤 의미가 있는가

그동안의 단편적인 GPCR 및 G단백질 연구들에서는 발견하지 못했던 새로운 사실들을 발견할 수 있었다. G 단백질의 활성화가 hM3R 수용체 구조의 2단계 변화를 유발한다는 것을 새롭게 보여주었으며, 분리된 Gα_q-GTP가 리간드로 활성화된 hM3R 수용체 및 Gα_q의 하위신호전달경로인 PLCβ와 안정적으로 이종삼량체를 형성한다는 것을 발견하였다. 그 밖에도 G단백질 연관 유전자 돌연변이의 병리 및 유관 후보치료약물의 약리에의 응용연구를 통해 Gβγ 소단위가 Gα_q와 분리된 형태로 단독적으로 hM3R 수용체와 결합을 이룰 수 있다는 것을 새롭게 발견하였다.

향후 꼭 이루고 싶은 목표는

이번 연구결과를 바탕으로 GPCR 및 G단백질과 관련된 각종 질병의 병리 규명과 치료약물개발에도 앞으로 직접적인 도움을 제공하고 싶다.
 

[그림 1] G_q 단백질 주기에 따른 hM3R 수용체의 형태 변화 계략도 
본 연구에서는 Gq 단백질의 2단계 활성 및 비활성에 따른 hM3R 수용체의 형태변화를 발견하였다. 
활성 1단계(Step 1_ON) 형태변화는 hM3R 수용체와 G_q 단백질 간 상호접촉·연결에 의해 발생하며, 활성 2단계(Step 2_ON) 형태변화는 Gα_q 및 Gβγ 단백질 간의 해리작용에 의해 발생한다.
비활성 1단계(Step 1OFF) 형태변화는 hM3R 수용체의 빠른 Gβγ 방출에 의해 발생하며, 비활성 2단계(Step 2OFF) 형태변화는 hM3R 수용체의 느린 Gα_q 방출에 의해 발생한다.
그 밖에도, hM3R 수용체, Gα_q 및 PLC는 활성 2단계(Step 2_ON)이후부터 이종삼량체를 형성하며 비활성 2단계(Step 2_OFF)에 진입하기 전까지 이 삼량체 구조를 유지한다.