한빛사 인터뷰
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
외부의 환경 변화에 대응해 세포는 대표적으로 Stress-activated protein kinase (SAPK)를 활성화 시켜 세포를 보호합니다. Budding yeast인 Saccharomyces cerevisiae에는 Hyper-osmotic stress에 반응하는 SAPK Hog1가 있습니다. 이 기작은 세포 표면에 있는 센서를 통해 외부 osmosis의 변화를 인지해 센서에 연결된 Cascade를 작동시켜 마지막으로 Hog1을 활성화 (인산화) 시키며 세포의 삶과 죽음을 결정하는 다양한 방어기작을 만들어냅니다. SAPK Hog1은 osmosis의 변화뿐만 아니라 Arsenic (비소), Acid, Heat, Curcumin, LPS등 다른 스트레스에도 활성화 됩니다.
본 연구는 독성이 강해 암이나 알츠하이머등 각종 질병을 일으키는 준금속의 일종인 arsenic (비소)에 대한 연구입니다. Arsenic에는 독성이 강하고 단백질의 cysteine thiol (thiol-reactive)에 결합하는 arsenite (trivalent) 와 독성이 약하고 non thiol-reactive인 arsenate (pentavalent)가 존재하는데 이번 연구는 같은 SAPK Hog1을 활성화함에도 불구하고 서로 다른 결과를 만들어내는 메카니즘에 초점을 맞추고 있습니다.
Arsenite는 글리세롤 양방향 운반체인 Fps1을 통해 세포내로 진입한 후 또 다른 thiol-reactive인 methylarsenite로 메틸화되어, Hog1을 비활성화 (탈인산화) 시키는 phosphatase의 기능을 저해하여 Hog1의 활성화를 촉진 시킵니다. 그렇게 활성화된 Hog1은, Fps1에 결합되어 채널을 조절하는 Rgc (Regulator of glycerol channel) 단백질을 인산화시킵니다. 인산화된 Rgc 조절 단백질은 Fps1에서 분리되어 채널 문을 닫아 더 이상의 arsenite 진입을 막게됩니다.
반면에 arsenate는 phosphate 운반체를 통해 세포내로 들어온 후 arsenite로 환원되어 arsenite 스트레스와는 다른 아직 잘 알려지지 않은 기작에 의해 Hog1을 활성화 시킵니다. 이렇게 활성화된 Hog1은 arsenite 외부 스트레스와는 다르게 Rgc 조절 단백질을 인산화 시키지 못하여 Fps1 채널을 계속 열어놓아 환원된 arsenite가 세포 밖으로 배출되게 합니다.
세포내의 arsenite는 주로 arsenite efflux 운반체인 Acr3에 의해 세포밖으로 배출되거나 위에서처럼 arsenate에서 환원된 arsenite의 경우에는 추가적으로 Fps1을 통해 배출됩니다. 흥미로운 점은 1) 외부의 arsenite 스트레스에는 Hog1을 활성화 시켜 Fps1을 닫아 들어오는 것을 막지만 2 ) 외부의 arsenate 스트레스에는 Hog1을 활성화 시킴에도 불구하고 반대로 Fps1을 열어두어 환원된 arsenite가 세포밖으로 배출되도록 한다는 것입니다.
위에서 언급했듯이 arsenic은 arsenate->arsenite->methylarsenite로 세포내에서 변환되게 됩니다. 저희 연구팀은 arsenite와 arsenate의 스트레스에 대한 Fps1의 열림/닫힘 상태를 설명하기 위해 세포내에서 한 단계만 걸치는 One-step metabolism 모델을 고안해냈습니다. 예를 들자면 arsenate가 들어오면 arsenate는 arsenite로 환원된 후 methylarsenite로 변하기 전에 세포밖으로 배출되어 세포내에는 단백질에 결합할 수 있는 arsenite만 존재하고 반면에 arsenite가 들어오면 또 다른 thiol-reactive인 methylarsenite로 변환되어 세포는 단백질에 결합할 수 있는 arsenite와 methylarsenite를 동시에 가지게 됩니다.
이번 연구에서 저는 arsenite efflux 운반체인 Acr3가 Fps1 complex에 결합해서 Fps1 조절에 중요한 역활을 한다는 것을 알아냈습니다. 그리고 분자생물학, 유전학 그리고 생화학적인 방법을 통해 arsenic 스트레스의 경우에 Acr3에 존재하는 cytoplasmic loop region이 Rgc 조절 단백질의 인산화를 방해하는 잠금기능을 한다는 것을 밝혔습니다.
Arsenate 외부 스트레스의 경우에는 환원된 arsenite가 Hog1의 중요한 cysteines에 결합하게 됩니다. 이렇게 arsenylation된 Hog1은 Acr3의 잠금기능 때문에 Rgc 단백질을 인산화시키지 못해 Fps1을 열어 두게 해 arsenite가 배출되게 합니다. 반면에 arsenite 외부 스트레스 경우에는 arsenite가 Hog1의 중요한 cysteines에 결합할 뿐만 아니라 메틸화된 methylarsenite 역시 Acr3의 cytoplasmic loop에 존재하는 cysteines에 결합하게 됩니다. 그리고 methylarsenylation된 Acr3는 loop의 잠금기능을 해제하여, 활성화된 arsenylated Hog1이 Rgc 단백질을 인산화해 Fps1 운반체를 닫게 하여 arsenite 출입을 막게 합니다. 결론적으로 세포는 arsenite가 Hog1에 결합하여 Fps1을 계속 열어두게하고 methylarsenite는 Acr3에 결합하여 Fps1을 닫게 하는 매우 영리하고 목표지향적인 결과를 만들어냅니다.
이번 연구를 통해 저희 연구팀은 arsenic이 단순한 독성의 기능이 아니라 종류에 따라 세포의 단백질 작용을 조절하는 메카니즘을 밝혔습니다. Arsenic은 생명체의 탄생 훨씬 이전부터 수십억 년이 넘는 긴 시간을 지구상에 존재해 왔습니다. 그리고 생명체들은 이에 맞추어 arsenite와 arsenate등의 도전에 대해 단백질의 신호 전달을 진화시키며 방어 메카니즘을 형성해왔습니다. 이와 비슷하게 동물이나 인간도 arsenic에 대항하는 비슷한 신호 전달 체계가 적용될 거라 생각하고 이번 결과는 arsenic으로 인해 생기는 암이나 알츠하이머 등의 많은 질병 연구에도 중요한 단서를 제공하지 않을까 생각합니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
저희 연구실은 보스톤 대학교 치과대 분자세포 생물학과에 속해 있으며 Saccharomyces cerevisiae를 이용해 외부 스트레스에 대한 세포의 다양한 반응을 연구하고 있습니다. 치대에 속해 있기는 하지만 학과 분위기는 치의학에 얽매이지 않고 저희처럼 세포생물학이나 또는 Trypanosoma같은 protozoan을 이용해 RNA 기초연구를 하는등 다양한 분야의 연구를 하고 있습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
자부심까지는 아니지만 연구비 등의 재정적인 문제 없이 하고 싶은 연구를 할 수 있다는 장점이 아마 큰 보람이자 일에 대한 행복이 아닐까 생각이 듭니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
주위에 훌륭한 분들이 많은 조언들을 해주시겠지만 제 경험에 비추어 몇 가지 말씀드리자면 너무 조바심을 가지고 연구에 매몰되어 주위를 등한시하는 오류를 범해 연구에까지 영향을 미치지 않을 수 있도록 하는 게 중요합니다. 보통 혼자인 경우도 있지만 가족분들과 같이 해외에 나오는 경우가 많은데 그러다 보니 연구에만 몰두하다가 다른 부분을 놓치는 경우를 종종 보는데 일과 가족에 대한 적절한 배분이 중요하지 않나 생각됩니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
모든 과학자들이 그렇겠지만 저 역시 제가 하는 연구가 인류의 건강과 안녕을 도모할 수 있으면 좋겠습니다. 그리고 외국에 살기는 하지만 여전히 한국인으로서의 정체성에 대한 자부심을 가지고 있고 제가 하는 연구 역시 한국의 과학 발전에 조금이나마 도움이 되도록 노력하겠습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
한국에 계시며 항상 응원해 주시는 부모님과 연구하는데 항상 보탬이 되어주는 와이프와 아들 그리고 학부, 석사 때 은사님이신 김두환 교수님께 감사의 말씀 드립니다. 또한 저희과의 학장님이시자 제 멘토이신 David Levin 교수님께도 깊은 감사의 뜻 전합니다.