과거에서 단백질을 캐내는 과학자들



독감 바이러스는 재빠른 변신의 귀재다. 동물 유전체가 수백만 년에 걸쳐 진화한 것을 독감 바이러스의 유전체(genome)는 고작 수십 년이 걸린다. 그것은 바이러스 단백질이 감염으로 우리 몸에 경고를 가하는 것을 포함해 끊임없이 자신을 변화시켜 우리 면역 시스템을 위협하고 백신 개발자를 좌절시킨다는 의미다.

진화가 단백질에 어떠한 영향을 미치는지를 연구하는 생물학자인 제시 블룸(Jesse Bloom)에게 바이러스 단백질의 끊임없는 변화는 기회다. 과거 독감이 유행하던 기간 수집된 데이터 덕분에 블룸은 오늘날 여러 독감 바이러스 조상의 유전자 구조를 알고 있다. 시애틀에 있는 프레드 허친슨 암 연구센터에서 그의 연구실은 바이러스가 어떻게 면역 시스템을 회피하기 위해 변화하는지를 찾는 데 그 정보를 사용하고 있다.

블룸과 다른 이들은 현재 성장하고 있는 “진화 생화학(evolutionary biochemistry)”이란 분야를 연구하는 과학자들이다. 그들은 엄청난 생명의 다양성을 설명하고 정확히 어떻게 그런 다양성이 등장했는지를 증명하기 위한 답을 찾고 있다. 그러나 이들은 식물이나 동물이 다른 환경에서 어떻게 적응했는지에 주목하기보다는 훨씬 더 작은 규모에서 다양성을 고민하고 있다. 그들의 연구는 원시적인 생명체를 형성하는데 주축이 되었던 작은 일련의 단백질들이 어떻게 오늘날 생물학적 과정을 이끄는 수백 만개의 특별한 단백질로 진화했는지를 설명하고자 한다.

유전적 기록을 이용하여 블룸은 지나간 시대에 존재했던 바이러스 단백질을 조립할 수 있고, 그들이 어떻게 차례로 아미노산을 진화시켰는지를 재건한다. 다른 연구자들은 수백 만년에 걸쳐 진화해 온 생체 분자의 고대 형태(ancestral forms)를 부활시키기 위해 현대종(modern species)을 분석하고 있다.

과거의 단백질(historical protein)을 손에 쥐고서 연구자들은 진화가 해왔던 것처럼 어떻게 단일 아미노산을 교환하는지, 어떻게 단백질이 구부러지고 접히며 다른 분자들과 연결되는지(혹은 그렇지 않은지)를 실험할 수 있다. 단계적인 아미노산 변화를 통해 단백질 진화 역사의 대안적인 경로를 시도함으로써 과학자들은 어떻게 단백질의 물리적 형태가 진화하여 활성화되고 제한되는지를 모두 배울 수 있다.

마지막으로, 이 연구는 몇 가지 오랜 질문에 답을 줄 수 있을 것이다. 진화는 어느 정도까지 우연적인 사건에 의존하는가? 다른 진화의 길로 가도 같은 지점에 도달할 수 있을까? 생물학적 복잡성은 어떻게 진화한 것인가? 이러한 실험은 또한 현대의 단백질을 연구하는 과학자들이 아미노산의 순서가 생물학적 기능과 어떻게 관계하는지를 정리하는 데 도움을 줄 수 있다.


형태는 기능이다

정렬된 일련의 아미노산은 단백질에 관한 청사진을 담고 있는 유전자에 의해 쓰인다. 적절한 아미노산이 연결되면, 그들은 세포 내에서의 역할을 결정하는 돌출부와 내부에 공간을 지닌 작은 구조물로 종기 접기 하듯 접힌다. 단백질의 접힌 모양에 따라 특정한 DNA 조각을 움켜잡거나 특정 화학 반응을 촉진할 수 있다. 유전자 돌연변이는 시간이 지남에 따라 최종 단백질 모양이나 행동을 미묘하게 변화시킬 수 있으며, 그래서 단백질의 기능을 바꿀 수 있다. 그러나 그 가능성은 무한하지 않다. 망가진 새로운 단백질은 접을 수 없거나 자연 선택의 시험에서 살아남지 못해 실행되지 않는다.

“접힘, 안정성, 용해성, 기능과 특이성의 물리적 결정요인은 진화 과정에서 절대적으로 중요한 부분입니다.” 시카고 대학 생물학자 조 손튼(Joe Thornton)은 말한다. “그것은 가장 최근까지 널리 인정되지 않거나 명확히 적시되지 않았습니다.” 현재 분자 진화(molecular evolution)를 이해하기 위해선 분명 기능적, 물리적 대상으로서 단백질 연구가 중요하다고 조 손튼은 말한다.

그들은 단백질의 과거를 재건함으로써 유전적 돌연변이가 때때로 더 이전에 실패했을 다른 돌연변이에 기회를 제공하기에 충분할 정도로 분자를 개조하는 것을 발견했다. 그것은 진화를 위한 기능과 새로운 특성을 위한 기회를 만든다. 생물학자들은 수십 년 동안 그러할 것으로 생각했지만, 이제야 간신히 실험실에서 연구를 시작하고 있다.



예를 들어, 블룸과 동료들은 돌연변이 간의 상호작용이 어떻게 바이러스의 진화 전반에 영향을 끼치는지 검사하기 위해 핵단백질(nucleoprotein)이라 부르는 독감 바이러스 단백질을 사용하였다. 이는 여러 돌연변이가 결합한 효과를 이해함으로써 연구자들이 새로운 유전적 변이의 단기 효과를 예상할 수 있게 한다. 그러한 지식은 독감 유행의 패턴과 효과적인 백신 설계를 위한 중요한 정보와 같이 바이러스 균주에 대한 예측을 향상하는데 도움을 줄 수 있다.

블룸의 팀은 1968년과 2007년에 분리한 독감 바이러스 균주에서 핵단백질 유전자를 비교해 1968년 핵단백질이 더 새로운 형태로 변한 것을 확인하는 데 가장 효과적인 단계를 설계하였다. 비록 바이러스 RNA의 조립을 돕는 핵단백질의 역할은 1968년에 그랬던 것과 같았지만 40년에 걸쳐 498개의 아미노산 중 33개가 바뀌었고, 몇 개는 여러 번 변했다고 2013년 <이라이프(eLife)>에 발표했다.

블룸의 팀은 1968년 핵단백질을 만들어서, 각 돌연변이의 영향을 시험했다. 돌연변이 일부는 침입자로 인해 활성화된 사람의 면역 세포를 알려주는 단백질 부분에 영향을 끼쳤다. 그들은 아마도 독감 바이러스가 면역세포의 감시로부터 회피하는 것을 도왔을 것이다. 그러나 이런 변화 일부는 바이러스 자신에게는 좋지 않았다. 돌연변이가 일어난 핵단백질은 그 작업을 수행할 정도로 충분히 오랫동안 안정적인 접힘을 유지할 수 없었다.

핵단백질의 진화 과정에서 일부 돌연변이는 단백질의 안정성을 향상하는 데 약간의 이득을 주었다. 나중에 바이러스가 인간 면역계의 감지에 저항할 수 있게 하는 돌연변이가 발생했을 때, 이러한 초기 변화는 아마도 그 단백질이 계속 기능할 수 있도록 구조를 안정화하는 데 도움을 주었을 것이다.

돌연변이의 효과가 다른 돌연변이에 의존하는 이러한 상호 작용을 상위(epistasis)라고 부른다. 개별 분자 내에서의 이런 작용은 진화의 궤적을 형성하는 데 중요하다고 오레곤 대학 생물학자 마이클 함스(Michael Harms)는 말한다. 그는 S100이라 부르는 단백질 그룹이 어떻게 다양한 기능을 진화시켜왔는지를 연구하고 있다.

상호의존적 상호작용(Codependent interactions)은 한 쌍의 돌연변이에서만 일어나는 것은 아니다. 훨씬 더 복잡할 수 있다. 다른 실험실의 데이터를 분석해, 함스는 상위에 6개의 개별적인 돌연변이까지도 연관되어 있다는 것을 발견했다. 만약 유전자가 조금 다르게 자신을 변형한 경우, 그러한 상호작용은 많은 경우에 있어 다른 경로로 진화의 방향을 바꿀 것을 의미한다.


청신호

과학자들은 돌연변이가 미래의 변화를 위한 ‘허용 가능한’ 돌연변이의 토대를 마련한다고 여기고 있다. 일부 단백질 기능은 거의 일어날 것 같지 않은 방법으로 허용 가능한 돌연변이가 분자의 진화경로를 수정한 이후에야 발생했다.

손튼는 척추동물에서 스트레스 반응, 성장 및 성적 발달을 제어하는 스테로이드 호르몬이 어떻게 수용체와 동반자 관계를 진화시켜 왔는지를 연구하기 위해 고대 단백질을 재건하는 방법을 이용하고 있다. 수용체는 세포 내 반응을 활성화하기 위해 특정 파트너와 결합하는 단백질이다. 손튼은 다른 종의 스테로이드 수용체를 비교하여 분자 사이의 진화 관계를 그릴 수 있고, 그들 공통 조상이 가졌을 법한 아미노산 서열을 추측할 수 있다. 그리고 그는 실험실에서 증식시킨 세포에 오래전에 존재했던 단백질을 인코딩한 DNA 분자를 삽입한다. 이 세포는 오랜 과거의 작은 조각을 생산하기 위한 유전적 명령(genetic instructions)으로 사용한다.

손튼의 연구 대부분은 그와 동료들이 2006년에 재건한 4억 5천만 년 전의 수용체 단백질을 가지고 시작한다. 그 단백질은 다른 호르몬에 의해 활성화되는 현재의 수용체 분자를 낳았다. 글루코코르티코이드 수용체(glucocorticoid receptor) 경우엔 스트레스 호르몬인 코르티솔에 반응한다. 미네랄로코르티코이드 수용체(mineralocorticoid receptor)는 전해질의 수준을 제어하고 알도스테론(aldosterone) 호르몬에 반응하는 여타의 전해질과 염분의 정도를 조절한다. 손튼의 팀은 그들이 재건한 고대 단백질이 코르티솔과 미네랄로코르티코이드 모두에 의해 활성화될 수 있는 것을 발견하였다.

손튼은 코르티솔에만 반응하는 수용체가 그 무작위적으로 반응하는 수용체의 등장 4천만 년 후에 출현했음을 보여주었다. 그의 팀은 일반적인 고대 수용체를 코르티솔에만 특이적으로 반응하게 변환시킨 일련의 아미노산 변화를 발견했다. 그러나 특이적 반응으로 변한 고대 수용체 돌연변이는 그들 스스로 기능적 수용체를 생성할 수 없다는 것이 실험으로 나타났다.

“기능 전환 돌연변이는 내부에서 허용되지 않습니다.” 손튼은 말한다. 그 돌연변이들은 수용체 일부가 불안정하다. 독감 바이러스의 진화한 핵단백질과 같이 고대 수용체의 구조는 까다로운 수용체를 만드는 돌연변이가 등장할 수 있기 전까지 유지되어야 한다.



두 아미노산의 변화는 고대 수용체에서 조용히 준비되었다고 손튼과 동료들은 2009년 <네이처>에 발표했다. 고대 수용체 없이는 기능을 전환한 돌연변이로의 진화 경로에 올라서기 어려웠을 것이다. “만약 우리가 시계를 되감아서 역사의 수레바퀴를 다시 굴린다면, 그러한 허용 가능한 돌연변이가 또다시 발생할 확률은 매우 희박할 것입니다.” 그는 말한다. “우리는 결국 매우 다른 글루코코르티코이드 수용체와 매우 다른 내분비 시스템을 갖게 되었을 것입니다.”

손튼과 함스, 그리고 유진에 위치한 오레곤 대학 손튼 연구실의 박사후연구원들은 진화가 같은 결과에 이르는 대안적인 경로로 진행될 수 있는지를 탐구했다. 같은 기능을 발현시킬 수 있도록 하는 대안적 돌연변이를 찾기 위해 함스는 수천 개의 고대 단백질 변이를 만들어 확인했지만, 아무것도 찾지 못했다고 연구자들은 2014년 <네이처>에 발표했다. 진화는 매우 드문 기회로 작동하는 것 같았다.

돌연변이 수용체 단백질의 생물학적 분석은 그러한 몇 가지 돌연변이가 진화를 위한 코르티솔 특이적 결합을 가능케한 이유를 보여준다. 비록 몇몇 부분은 추가 연구가 필요하지만, 그 수용체는 또한 코르티솔이 존재하지 않을 때의 비활성 형태와 코르티솔과 결합하는 유전자의 활성화된 형태 간에 전환할 수 있어야 한다. 일부 돌연변이는 “항시 대기상태”의 형태로 고정된 너무 많은 수용체의 활성 형태를 안정화한다. 돌연변이는 또한 기능을 전환한 돌연변이가 도입되기 전에 자신의 조상 단백질과 호환되어야 했다.

“돌연변이는 이러한 모든 요구사항을 모두 충족해야 하는데, 그렇게 하기란 쉽지 않습니다.” 손튼은 말한다. “그건 [기능을 전환한] 허용가능한 돌연변이가 매우 드문 이유에 대한 설명이 될 것입니다.”

그러나 모든 새로운 기능은 복잡한 상호의존적 상호작용의 결과이다. 1월 <이라이프>에서 손튼과 오레곤 대학의 켄 프레호다(Ken Prehoda)는 단일 아미노산의 변화를 통해 완전히 새로운 기능을 얻은 고대 단백질을 설명했다.

연구팀은 세포가 분열하기 전 공간에서 스스로 방향을 정하는 데 도움을 주는 동물 단백질의 기원을 공부했다. 그렇게 하는 것은 세포 분할이 진행하는 동안 옳은 자리로 새로운 세포를 위치시키기 위해 매우 중요하다. 단세포 생명체는 다세포 생물로 진화하기 전에 이러한 권리를 얻어야 했다.

손튼, 프레호다 및 동료들은 세포가 분열하는 동안 지지대 역할을 하는 세포들인 GKPID(GK 단백질 상호작용 도메인)라고 부르는 단백질 조각에 집중했다. 10억 년 전 GKPID의 조상은 결코 그러한 유형의 것이 아니었다. 그것은 현대 구아닐레이트 키나아제(guanylate kinase)의 효소 전구체였다. 그것은 DNA의 일부 구성요소를 만드는 데 사용하는 세포로 화학적 반응을 촉매한다. 놀랍게도 하나의 돌연변이는 효소 역할에서 지지대 역할로 고대 단백질을 변환시키는 데 충분했다고 손튼은 말한다.

그 놀라운 결과는 다양한 단백질의 진화 역사를 이해하기 위해 진화를 형성하는 물리학적 원리 관한 이론을 개발 해야 하는 이유다.

“[단백질을] 분해할 때마다 그들은 새로운 기능을 봅니다.” 함스는 말한다. 그는 다행스럽게도 더 빠른 컴퓨터, 더 나은 소프트웨어와 참조할 수 있는 게놈 수의 증가, 고대 단백질 재건에 관한 연구의 증가에 감사하다고 말한다.


지나간 길

진화하는 단백질은 특정 사건(chance events)을 통해 진화의 가능성이 펼쳐진 곳으로 이동할 수 있지만, 탐험을 위한 약간의 자유도 가지고 있다.

매사추세츠 월섬의 브랜다이스 대학 생화학자인 더글러스 테오볼드(Douglas Theobald)는 많은 세포가 산소 없이 에너지를 생산하는 데 사용하는 락트산탈수소효소(lactate dehydrogenase)에 관한 자신의 연구에서 이러한 것을 보았다. 이것은 비슷한 구조의 효소에서 진화했는데, 적어도 다른 그룹의 유기체에서 최소 네 번 진화했다. 유사한 효소를 전환하는 진화적 사건을 재건하여, 테오볼드와 동료들은 두 그룹의 단세포 기생충이 말산탈수소효소(malate dehydrogenase)를 락트산탈수소효소로 전환하는데 다른 경로를 통해 같은 효소를 얻은 것으로 나타났다. 연구진은 2014년에 <이라이프>에 그리고 2016년 2월에는 <프로틴 사이언스(Protein Science)>에 연구 결과를 보고했다.

유전적 배경의 차이는 서로 다른 유기체에서 다른 진화 경로를 따라 나아가게 하지만, 비슷한 결과로 이어질 수 있음을 보여준다고 테오볼드는 말한다. “다수의 상호의존적 상호작용이 있을 때조차 같은 기능으로 향하는 다른 길은 여전히 많이 있습니다.”

버클리 캘리포니아 대학의 생화학자 수잔 마퀴스(Susan Marqusee) 역시 단백질이 새로운 기능을 하는데 하나 이상의 길이 있음을 발견했다.

마퀴스는 대장균(E-coli)과 뜨거운 것을 좋아하는 테르무스 테르모필루스(Thermus thermophilus), 두 박테리아가 매우 다른 온도에서 같은 업무를 수행하는 효소를 어떻게 진화했는지 비교하기 위해 손튼의 팀과 협업했다. T.테르모필루스는 대부분 단백질이 망가져 버릴 만큼 뜨거운 온천에서 번성한다. 생화학자들은 자연의 전략으로부터 열내성 단백질의 설계를 빌려오고자 열망하지만, 이러한 유산을 설명하는 일반적 원리를 찾기 위해서도 노력하고 있다. 마퀴스 팀은 대장균과 T.테르모필루스로부터 H1이라고 알려진 RNA 절단 효소의 공통조상을 재구성함으로써 박테리아 단백질이 어떻게 열을 견디는지를 발견했다.

30억 년 전 공통 조상은 오늘날 T.테르모필루스가 사용하는 효소보다 덜 안정적이었다고 2014년 <플로스 바이올로지(PLOS Biology)>에 발표했다. 열내성 단백질의 진화에서 보듯 그 안정성은 꾸준히 증가했다. 그것은 어떤 한 번의 혁신 때문이 아니라 시간이 지나며 서로 다른 지점에서 별개의 생물리학적 전략에 의한 것이었다.

“물리 화학은 실제로 그들이 올바른 표현형 더하는데 시간이 얼마나 걸리는지는 중요하지 않습니다.” 마퀴스는 말한다. 진화는 다양한 방법으로 안정성을 강화하기 위해 다른 아미노산을 이용할 수 있기 때문에 고온의 환경으로 효소의 안정성 증가는 특정한 일련의 돌연변이의 발생확률에 의존하지 않는다.


흐릿한 미래

단백질이 어떻게 진화했는지에 관한 연구가 미래에는 단백질의 진화가 어떻게 진행될 것인지를 상세히 설명하지는 않을 것 같다. “진화에 있어 기회(chance)의 역할이 매우 중요하다고 드러났지만, 이를 통해 어떤 단백질이 어떻게 진화해 나갈 것인지에 대한 장기적인 예측은 매우 위험한 일입니다.” 손튼은 말한다. 그러나 최근 연구는 현재의 단백질들이 어떻게 그리고 왜 그러한 일들을 하고 있는지에 대한 통찰을 제공한다.

한 예가 스테로이드 수용체 상의 DNA 결합 부위가 어떻게 해당 DNA와 함께 진화했는지에 관한 손튼의 연구에서 나왔다. 호르몬 활성 수용체는 특정 유전자를 활성화하기 위해 DNA의 특정 부분과 결합하는 전사 인자 역할을 한다. 2014년에 손튼의 팀은 고대 단백질에서 부피가 큰 아미노산이 오늘날 다수의 스테로이드 수용체에 의해 선호되는 일부 구간 DNA와의 결합으로부터 단백질을 방해한다고 <셀(Cell)>에 발표했다. 고대 단백질은 해당 DNA와 어설프게 결합했지만, 실제 결합한 정도로 충분하지 않았다. 수용체는 돌연변이로부터 이러한 장애를 끝내고 이전의 결합부위로의 접근을 차단하는 새로운 수단을 도입하면서 새로운 특이성을 획득했다.

연구자들은 관련한 두 단백질의 차이가 그들을 다르게 행동하게 하였다고 쉽게 말할 수 없다. 그러나 진화 경로를 재구성하는 것은 옳은 방향을 가리킬 수 있다.

조상을 재건하는 방법으로 테오볼드와 브랜다이스 동료 도로시 컨(Dorothee Kern)은 Abl이 관련한 Src 단백질로부터 어떻게 분화하는지를 연구했다. Abl은 만성 골수 백혈병과 관련한 성장 촉진 단백질이다. 연구자들은 Scr과 Abl이 매우 비슷한 구조로 되어 있음에도 항암제 글리벡(Gleevec)이 Scr을 차단하지 않고 Abl과 결합하여 정지시키는 이유를 알고 싶었다.

테오볼드, 컨 그리고 동료들은 Abl에서 15개의 아미노산이 글리벡과의 결합을 위해 필수적이라는 것을 확인했다. 그 아미노산들은 Abl이 두 개의 다른 구조 사이를 전환하는 방법에 영향을 미쳤다 (그러한 구조 이동은 글리벡 내성 암을 지닌 일부 환자에서 중단된다). 지난해 사이언스 지에 게재한 연구 결과는 연구자들이 그러한 구조적 변화를 고려하여 더 나은 약을 개발할 수 있음을 시사한다.

일부 단백질, 또는 단백질 일부분은 심지어 다른 것들보다 본질적으로 더 진화할 수 있다. 빠르게 진화하는 바이러스의 헤마글루티닌(hemagglutinin: 혈구응집소) 단백질의 특정 부분은 비정상적으로 변화에 관대하다고 블룸과 그의 연구소 박사후연구원인 바르가비 쉬아가라얀(Bargavi Thyagarajan)은 2014년 이라이프 저널에 발표했다. 헤마글루티닌에 대한 항체는 인플루엔자에 대항하는 면역계 최고의 방어책이지만, 이 단백질은 면역계의 탐지를 벗어나는 데 능숙하다.

연구자들은 실험실에서 증식한 바이러스에서 약 10,000개의 거의 모든 가능한 아미노산 변화를 가지고 헤마글루티닌 단백질 시험과 구축을 위한 통합 돌연변이 스캐닝(deep mutational scanning)이라 불리는 비교적 새로운 방법을 사용했다. 숙주에서 면역시스템으로부터 헤마글루티닌으로 유사하게 변하는 것은 유리할 것이다. 심지어 숨어야 하는 면역 시스템이 없는 실험실에서도 바이러스는 단백질의 다른 부분을 바꾸는 것보다 면역 시스템에 의해 인식되는 헤마글루티닌 부분에 더 많은 변화가 일어나며 생존했다. 블룸과 그의 대학원생 마이클 다우드(Michael Doud)는 올해 4월 <bioRxiv.org>에 헤마글루티닌 단백질에 관한 더 자세한 관점과 단백질의 어느 부분이 돌연변이를 허용할 가능성이 크거나 적은지를 발표했다.

그것은 바이러스를 위해선 좋지만, 사람들에게는 안 좋은 일이다. 헤마글루티닌은 백신 개발자들이 같이 유지되었으면 하고 바라는 딱 그 부위에서 변화가 축적될 가능성이 있는 것 같다. 그러나 그 발견은 또한 헤마글루티닌의 변이가 더 적은 부분을 대상으로 설계한 독감 바이러스 백신이 계절 독감에 효과적으로 대항할 수 있을 가능성이 있다는 것을 시사한다. 막대사탕 형 구조를 한 헤마글루티닌에서 진화 가능성이 적은 줄기 부분을 목표로 하여 여러 연구실에서 이미 전략을 검토하고 있다.

헤마글루티닌 단백질의 특정 부분에서 변화가 잘 일어나는 이유는 아직 명확하지 않다. 블룸은 다른 단백질의 돌연변이 관용에 관한 연구가 이것을 밝히는 데 도움을 줄 것으로 기대하고 있다.

“우리는 결코 진화를 정확하게 예측할 수 없을 것입니다. 왜냐하면, 매우 확률적인 과정이기 때문입니다.” 블룸은 말한다. “그러나 나는 우리가 우리에게 영향을 미치는 많은 진화적 과정에 관해 더 나은 예측을 할 수 있다고 생각합니다. 이러한 것은 정말 어려운 문제입니다. 그러나 우리가 이러한 과정을 이해하는 데 도움을 주는 실험을 하고 분자 수준에서 이해할 수 있다면 핵심에 다다를 수 있다고 생각합니다.” (번역 김명호)

번역 출처

Jennifer Michalowski. "Scientists dig up proteins from the past". Science News, June 01, 2016.

(https://www.sciencenews.org/article/scientists-dig-proteins-past)

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