분자 미스터리 해결 – 하버드 과학자들은 세포가 단백질을 분해하는 이전에 알려지지 않은 방법을 발견했습니다.

이 메커니즘은 뇌와 면역 기능을 지원하는 수명이 짧은 단백질을 분해합니다.

수명이 짧은 단백질은 세포의 유전자 발현을 제어하고 뇌 통신을 돕는 것부터 신체의 면역 반응을 강화하는 것까지 중요한 역할을 수행합니다. 이 단백질은 핵에서 유래하며 목적을 달성한 후 급속히 분해됩니다.

수십 년 동안 이러한 필수 단백질이 분해되어 세포에서 제거되는 메커니즘은 지금까지 연구자들에게 미스터리로 남아 있었습니다.

부서간 협력을 통해 하버드 의과대학 연구진은 수명이 짧은 몇몇 핵 단백질의 분해에 핵심적인 역할을 하는 메둘리눌린이라는 단백질을 확인했습니다. 이번 연구는 메둘린이 단백질을 직접 잡아서 프로테아좀이라고 불리는 세포 폐기물 처리 시스템으로 끌고 가서 파괴하는 방식으로 이를 수행한다는 것을 보여줍니다.

그 결과는 최근 저널에 게재되었습니다. 과학.

HMS의 신경생물학 연구원인 공동 저자인 Shen Guo는 “이러한 수명이 짧은 단백질은 40년 이상 알려져 있었지만 실제로 어떻게 분해되는지는 아무도 결정하지 못했습니다.”라고 말했습니다.

이 과정에서 분해된 단백질은 뇌, 면역체계 및 발달과 관련된 중요한 기능을 가진 유전자를 조절하기 때문에 과학자들은 결국 단백질 수준을 제어하여 이러한 기능을 변경하고 오작동을 수정하는 방법으로 이 과정을 목표로 삼을 수 있습니다.

“우리가 발견한 메커니즘은 매우 간단하고 매우 우아합니다”라고 HMS의 유전학 박사 과정 공동 저자인 Christopher Nardoni가 덧붙였습니다. “이것은 근본적인 과학적 발견이지만 미래에 대한 많은 의미가 있습니다.”

분자 퍼즐

세포가 단백질을 유비퀴틴이라는 작은 분자에 결합시켜 단백질을 분해할 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 태그는 단백질이 더 이상 필요하지 않다는 것을 프로테아좀에 알려주고 단백질을 파괴합니다. 이 과정에 대한 선구적인 연구의 대부분은 HMS의 Fred Goldberg에 의해 수행되었습니다.

그러나 때때로 프로테아좀은 유비퀴틴 태그의 도움 없이 단백질을 분해하므로 연구자들은 또 다른 유비퀴틴 독립적인 단백질 분해 메커니즘을 의심하게 됩니다.

Nardoni는 “프로테아좀이 표시되지 않은 단백질을 어떻게든 직접적으로 분해할 수 있다는 증거가 과학 문헌에 산재해 있지만 아무도 그런 일이 어떻게 일어날 수 있는지 이해하지 못했습니다.”라고 말했습니다.

대체 메커니즘에 의해 분해되는 것으로 보이는 단백질 그룹 중 하나는 자극 유발 전사 인자입니다. 즉, 세포 핵으로 이동하여 유전자를 켜는 세포 자극에 반응하여 빠르게 합성된 단백질은 빠르게 파괴됩니다.

Joe는 “처음에 저를 놀라게 한 것은 이 단백질이 매우 불안정하고 반감기가 매우 짧다는 것입니다. 일단 생산되면 제 역할을 하고 그 후 매우 빠르게 분해됩니다”라고 말했습니다.

이러한 전사 인자는 신체의 다양한 중요한 생물학적 과정을 지원하지만 수십 년의 연구 후에도 “그들의 전환 메커니즘은 거의 알려지지 않았습니다”라고 HMS Blavatnik 연구소 및 Harvard의 신경 생물학과 Nathan March Posey 교수인 Michael Greenberg가 말했습니다. 대학. . 이 논문의 공동 저자는 HMS 및 브리검 여성 병원의 유전학 및 의학 교수인 Gregor Mendel 교수인 Stephen Eledge입니다.

소수에서 수백까지

이 메커니즘을 조사하기 위해 팀은 두 가지 친숙한 전사 인자, 즉 학습 및 기억에서의 역할에 대해 그린버그 연구실에서 광범위하게 연구된 Fos와 세포 분열 및 생존에 관여하는 EGR1로 시작했습니다. Elledge 연구실에서 개발된 최첨단 단백질체학 및 유전적 분석을 사용하여 연구자들은 두 가지 전사 인자를 분해하는 데 도움이 되는 단백질로서 메둘린에 초점을 맞췄습니다. 후속 실험에서는 Fos 및 EGR1 외에도 메둘린이 핵에 있는 수백 가지의 다른 전사 인자를 분해하는 데에도 관여할 수 있음이 밝혀졌습니다.

Gu와 Nardone은 그들의 결과에 대해 충격을 받고 회의적이었던 것을 기억합니다. 그들의 발견을 확인하기 위해 그들은 메둘린이 어떻게 다양한 단백질을 표적으로 삼고 분해하는지 정확히 알아야 한다고 결정했습니다.

Nardoni는 “우리가 이러한 단백질을 모두 확인한 후에는 메둘리놀렌 메커니즘이 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 많은 흥미로운 질문이 있었습니다”라고 말했습니다.

의 도움으로 기계 학습 연구팀은 단백질 구조를 예측하는 알파폴드(AlphaFold)라는 도구와 일련의 실험실 실험 결과를 이용해 그 메커니즘을 자세히 규명할 수 있었다. 그들은 메둘린이 다른 단백질을 붙잡고 프로테아좀에 직접 공급하여 분해되는 단백질 영역인 ‘포획 도메인’을 가지고 있음을 입증했습니다. 이 캐치 도메인은 두 개의 별도의 연결된 영역으로 구성됩니다. 아미노산 (줄에 달린 장갑을 생각해보세요) 이는 상대적으로 구조화되지 않은 단백질 영역을 포착하여 메둘린이 다양한 유형의 단백질을 포착할 수 있도록 해줍니다.

주목할 만한 것은 자극에 반응하여 뇌의 뉴런을 연결하고 재배선하도록 유발하는 유전자를 켜는 역할을 하는 Fos와 같은 단백질입니다. IRF4와 같은 다른 단백질은 세포가 기능성 B 및 T 세포를 형성할 수 있도록 하여 면역 체계를 지원하는 유전자를 활성화합니다.

“이 연구의 가장 흥미로운 측면은 이제 우리가 단백질을 분해하는 유비퀴틴화와 무관한 새로운 일반적인 메커니즘을 이해한다는 것입니다.”라고 Elledge는 말했습니다.

감질나는 번역 잠재력

단기적으로 연구자들은 자신들이 발견한 메커니즘을 더 깊이 파고들고 싶어합니다. 그들은 단백질이 어떻게 포착되고 분해되는지에 대한 세부적인 내용을 더 잘 이해하기 위해 구조적 연구를 수행할 계획입니다. 그들은 또한 다양한 세포와 ​​발달 단계에서 단백질의 역할을 이해하기 위해 메둘린이 부족한 쥐를 만들고 있습니다.

과학자들은 그들의 발견이 감질나는 번역 잠재력을 가지고 있다고 말합니다. 이는 연구자들이 전사 인자의 수준을 제어하여 유전자 발현을 조절하고 결과적으로 신체의 관련 과정을 조절할 수 있는 경로를 제공할 수 있습니다.

“단백질 분해는 중요한 과정이며 단백질의 규제완화는 일부 신경정신과적 질환과 일부 암을 포함하여 많은 장애와 질병의 기초가 됩니다.”라고 Greenberg는 말했습니다.

예를 들어, 세포에 Fos와 같은 전사 인자가 너무 많거나 너무 적으면 학습 및 기억 문제가 발생할 수 있습니다. 다발성 골수종에서는 암세포가 면역 단백질 IRF4에 중독되어 IRF4의 존재가 질병을 촉진할 수 있습니다. 연구자들은 만둘린 프로테아좀 경로를 통해 작용하는 치료법을 개발하기 위한 좋은 후보가 될 수 있는 질병을 식별하는 데 특히 관심이 있습니다.

“우리가 적극적으로 탐구하고 있는 분야 중 하나는 관심 있는 단백질을 구체적으로 분석할 수 있도록 메커니즘의 특이성을 조정하는 방법입니다.”라고 Gu는 말했습니다.

참고 자료: Shen Guo, Christopher Nardoni, Nolan Kamitaki, Oyo Mao, Stephen J. Eledge 및 Michael E.의 “메둘리놀레인 프로테아좀 경로는 유비퀴틴화 독립적 분해를 위해 단백질을 포착합니다.” Greenberg, 2023년 8월 25일, 여기에서 확인 가능. 과학.
도이: 10.1126/science.adh5021

자금은 Damon Runyon 암 연구 재단의 National Mah Jongg League Fellowship, 국립 과학 재단 대학원 연구 펠로십 및 국립 보건원 (T32 HG002295; R01 NS115965; AG11085).