IBS와 해외연구진, 돌연변이가 만든 경첩운동으로 단백질 진화

 200개 아미노산으로 이뤄진 단백질 모델. 파란색은 무극성 아미노산, 붉은색은 극성 아미노산, 그리고 회색 연결선은 강한 결합을 나타낸다. 왼쪽처럼 진화는 무작위로 연결된 아미노산 구조로 시작해, 한 세대에 한 개 돌연변이가 출현한다. 푸른색이 붉은 색으로 바뀌기도 하고, 반대의 돌연변이도 발생한다. 기능성은 힘 전달(꼬집기)에 대한 기계적 응답이다. 가운데 그림처럼 중간과정을 거쳐 오른쪽처럼 수 천 번의 돌연변이가 발생한 후, 단백질이 기능을 갖는다. 초록색 화살표는 경첩 운동을 의미한다.<사진=IBS>
200개 아미노산으로 이뤄진 단백질 모델. 파란색은 무극성 아미노산, 붉은색은 극성 아미노산, 그리고 회색 연결선은 강한 결합을 나타낸다. 왼쪽처럼 진화는 무작위로 연결된 아미노산 구조로 시작해, 한 세대에 한 개 돌연변이가 출현한다. 푸른색이 붉은 색으로 바뀌기도 하고, 반대의 돌연변이도 발생한다. 기능성은 힘 전달(꼬집기)에 대한 기계적 응답이다. 가운데 그림처럼 중간과정을 거쳐 오른쪽처럼 수 천 번의 돌연변이가 발생한 후, 단백질이 기능을 갖는다. 초록색 화살표는 경첩 운동을 의미한다.<사진=IBS>
국내외 공동연구진이 모형을 통해 단백질 기능 중심의 진화 방향을 제시했다.

IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 츠비 틀루스티 첨단연성물질 연구단 그룹리더(UNIST 자연과학부 특훈교수)와 미국, 스위스 대학 연구진이 공동으로 단백질의 기능이 진화하는 과정을 설명하는 이론 모형을 제시했다고 29일 밝혔다.

단백질이 발현되는 과정은 DNA가 갖고 있는 유전정보에서부터 시작된다. DNA를 해독해 RNA가 만들어지고 RNA가 갖고있는 정보대로 아미노산이 조립돼 단백질이 생산된다. 단백질은 수많은 아미노산 결합으로 이뤄져있다.

모든 단백질은  경첩 운동을 한다는 점이 동일하다. 그러나 초기 단백질은 단단한 무극성의 아미노산 결합으로만 이뤄져 경첩 운동이 불가능했다. 세대를 거듭하며 단백질의 무극성 아미노산 일부가 극성 아미노산으로 변형되는 돌연변이로 나타났다. 극성 아미노산은 움직일 수 있다는 특성이 있다. 

진화를 거치면서 단백질 중심도 극성 아미노산으로 점차 바뀌었다. 극성 아미노산이 유연한 띠를 이루며 경첩운동이 가능해지고 비로소 단백질이 기능을 하게 된 것이다. 단백질의 가운데 부분이 유연하면 단백질 전체가 경첩처럼 구부러질 수 있어 유연한 띠의 발달 정도를 진화의 척도로 삼을 수 있다.

기존 연구자들은 단백질 기능을 분석할때 단백질을 구성하는 아미노산에 주목했다. DNA에 담긴 유전정보가 아미노산 순서를 결정하고 아미노산 사슬이 뭉쳐 단백질 구조가 만들어지기 때문이다.

반면 공동연구진은 단백질 자체를 진화하는 아미노산 연결체로 보고 시뮬레이션 작업에 돌입했다. 시간의 흐름에 따라 진화과정을 짚어가며 단백질의 기능 발달에 주목한 것이다.

연구진은 200여개의 아미노산을 극성과 무극성으로 순화시켰다. 초기에는 무극성 아미노산으로만 이뤄진 기능없는 단백질에서 시작해 한 세대에 하나씩 돌연변이가 나타나도록 시뮬레이션을 설계했다. 적자생존 법칙에 따라 기능이 떨어지는 경우 도태시키는 진화 전략을 시뮬레이션에 반영했다. 돌연변이가 단백질의 유연한 띠를 따라 발생하면 기능이 생겨 돌연변이가 유지되는 원리다.

시뮬레이션 결과 연구진이 설계한 단백질 모형은 약 1000 세대 후에 기능을 가졌고 약 100만 가지 경우의 수로 진화했다.

연구진은 단백질 진화 과정을 분석하며 극성 아미노산으로 등장한 돌연변이가 멀리 떨어진 다른 무극성 아미노산에도 돌연변이를 일으킴을 발견했다. 특히 돌연변이가 유연한 띠를 따라 발생하는 경향을 관찰했다. 돌연변이가 세대를 뛰어넘어 경첩운동의 핵심이 되는 띠를 형성한다는 사실을 새롭게 확인한 것이다.

또 연구진은 단백질 모형에서 나타난 현상이 유전자 간 원거리 상관관계와 매우 유사함을 발견했다. 그동안 멀리 떨어진 유전자들은 보이지 않는 상호작용으로 아미노산 형성에 영향을 끼치지만 실제 단백질 구조와 기능을 어떻게 바꾸는지 밝혀진 바가 없었다.

이번 연구는 단백질 진화 모형으로 유전자와 단백질 기능 사이의 관계를 확인하고 실질적인 단백질 기능을 반영한 진화 모형을 제시했다는데 의의가 있다.

교신저자인 츠비 틀루스티 그룹리더는 "진화는 단백질이 기능하는 방법을 매우 효과적으로 찾아낸다. 이번 진화 모형은 단백질기능과 유전, 진화를 한 모델로 설명한다는 점에서 최초"라며 "미래에는 이 연구를 단순한 모델이 아닌 실제 단백질에 적용하는 방법을 모색할 계획"이라고 말했다.

공동 연구진은 이번 연구를 위해 미 록펠러 대학, 스위스 제네바 대학과 협업했다. 연구결과는 美 국립과학원회보 1일자에 온라인 게재됐다.

 

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