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CRL4, 새 역할 밝혀져…암 완치 가능성 ‘성큼’
기존 항암제 접목 통한 암 세포 사멸 가능성 대두
전세미 기자 | jeonsm@yakup.com 
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기사입력 2020-01-14 06:00 최종수정 2020-01-14 11:40
질병을 일으키는 요인 중 큰 비중을 차지하는 단백질 중에서도 유비퀴틴 효소 CRL(Cullin-Ring E3 Ligase)의 개념이 새롭게 정의되면서 기존에 존재하는 항암제와의 접목을 통해 암 세포를 사멸시킬 수 있게 됐다.
미국 국립보건원(NIH) 내 암 연구소의 장상민 박사 연구팀은 네이처 커뮤니케이션즈 1월호에 게재된 논문을 통해 염색체 분리를 가능하게 하는 CRL4(Cullin-RING ubiquitin ligase complex 4)에 대한 새로운 역할들을 발굴했다고 전했다.
새롭게 규명된 역할들은 총 3가지로, △RepID 단백질의 억제가 전체 CRL4의 기능 상실 유도 △CRL4의 기능을 DNA 복제기(S-phase) 포함 전체 세포 주기로 확장 가능 △적어도 2가지 이상의 다른 기능을 하는 기질 인식 단백질 발견 및 스위칭 기작 규명 등이다.
CRL4의 개념 및 기작
CRL4는 유비퀴틴화(ubiquitination)되는 전체 단백질의 50% 이상을 조절하는 대표적인 효소인 CRL(Cullin-Ring E3 Ligase) 종류 중 하나로, 크로마틴(DNA/히스톤)에 결합하는 고리 형태인 PCNA 단백질에 의해 ‘크로마틴 리크루팅’을 수행한다고 알려져 있다.
특히 대표적인 CRL4의 기질 인식 단백질인 ‘CDT1 단백질’은 PCNA 단백질과의 결합을 통해 DNA 복제 원점(replication origin)에 결합, DNA 복제를 허락하는 역할을 한다. 이후 크로마틴에 위치한 CRL4에 유도되며, 이후 CRL4 기질 인식 단백질(이하 DCAF)이 기질을 인지, 유비퀴틴화를 일으킨다.
DNA 복제 과정에서 정확한 염색체 복제를 위해 CDT1 단백질이 분해돼야 하는데, 이를 위해 CRL4의 또 다른 기질 인식 단백질인 CDT2 단백질이 CDT1을 인지, 유비퀴틴화를 유도한다. 여기서 CDT1 분해가 되지 않을 경우 DNA 복제는 계속해 이뤄지게 된다.
현재까지 알려진 부분들에 의해 많은 연구자들이 CRL4의 기능을 DNA 복제기에서 연구하고 있다. 특히 CRL4 단백질의 과발현이 거의 모든 암세포에서 나타난다는 사실이 밝혀진 이후, 이를 표적으로 하는 다양한 연구들이 수행되고 있다.
대표적으로는 각기 다른 기질 인식 단백질이 인지할 수 있는 기질들을 새롭게 찾아내 이를 이용한 항암제가 개발 중이며, 네딜화(neddylation)을 억제해 CRL4를 포함한 전체 CRL 활성을 막는 항암제인 페보네디스텟(Pevonedistat)이 현재 임상 2상 진행중인 것으로 알려졌다.
새롭게 밝혀진 CRL4의 역할
장 박사 연구팀은 수많은 기질 인식 단백질 중에서 RepID(DCAF14/PHIP) 단백질이 CRL4 효소를 크로마틴에 리크루팅 하는데 필수적이라는 사실을 밝혔다.
미국 국립보건원(NIH) 내 암 연구소의 장상민 박사 연구팀은 네이처 커뮤니케이션즈 1월호에 게재된 논문을 통해 염색체 분리를 가능하게 하는 CRL4(Cullin-RING ubiquitin ligase complex 4)에 대한 새로운 역할들을 발굴했다고 전했다.
새롭게 규명된 역할들은 총 3가지로, △RepID 단백질의 억제가 전체 CRL4의 기능 상실 유도 △CRL4의 기능을 DNA 복제기(S-phase) 포함 전체 세포 주기로 확장 가능 △적어도 2가지 이상의 다른 기능을 하는 기질 인식 단백질 발견 및 스위칭 기작 규명 등이다.
CRL4의 개념 및 기작
CRL4는 유비퀴틴화(ubiquitination)되는 전체 단백질의 50% 이상을 조절하는 대표적인 효소인 CRL(Cullin-Ring E3 Ligase) 종류 중 하나로, 크로마틴(DNA/히스톤)에 결합하는 고리 형태인 PCNA 단백질에 의해 ‘크로마틴 리크루팅’을 수행한다고 알려져 있다.
특히 대표적인 CRL4의 기질 인식 단백질인 ‘CDT1 단백질’은 PCNA 단백질과의 결합을 통해 DNA 복제 원점(replication origin)에 결합, DNA 복제를 허락하는 역할을 한다. 이후 크로마틴에 위치한 CRL4에 유도되며, 이후 CRL4 기질 인식 단백질(이하 DCAF)이 기질을 인지, 유비퀴틴화를 일으킨다.
DNA 복제 과정에서 정확한 염색체 복제를 위해 CDT1 단백질이 분해돼야 하는데, 이를 위해 CRL4의 또 다른 기질 인식 단백질인 CDT2 단백질이 CDT1을 인지, 유비퀴틴화를 유도한다. 여기서 CDT1 분해가 되지 않을 경우 DNA 복제는 계속해 이뤄지게 된다.
현재까지 알려진 부분들에 의해 많은 연구자들이 CRL4의 기능을 DNA 복제기에서 연구하고 있다. 특히 CRL4 단백질의 과발현이 거의 모든 암세포에서 나타난다는 사실이 밝혀진 이후, 이를 표적으로 하는 다양한 연구들이 수행되고 있다.
대표적으로는 각기 다른 기질 인식 단백질이 인지할 수 있는 기질들을 새롭게 찾아내 이를 이용한 항암제가 개발 중이며, 네딜화(neddylation)을 억제해 CRL4를 포함한 전체 CRL 활성을 막는 항암제인 페보네디스텟(Pevonedistat)이 현재 임상 2상 진행중인 것으로 알려졌다.
새롭게 밝혀진 CRL4의 역할
장 박사 연구팀은 수많은 기질 인식 단백질 중에서 RepID(DCAF14/PHIP) 단백질이 CRL4 효소를 크로마틴에 리크루팅 하는데 필수적이라는 사실을 밝혔다.
CRISPR 유전자 가위를 이용해 RepID 단백질의 발현을 억제한 모델(이하 RepID 억제 모델) 에서 크로마틴에 위치한 CRL4의 양이 90% 이상 감소한다는 사실을 확인한 것이다. 이 사실은 지난 2018년 7월 네이처 커뮤니케이션즈를 통해 밝혀진 바 있다.
연구팀은 RepID 억제 모델에서 CRL4 단백질이 크로마틴에 결합하지 못함으로써 DNA 복제 원점에 위치한 CDT1 단백질이 분해되지 못하고 암세포 내에 축적돼 DNA 복제가 계속해 이뤄지는 현상이 발생, 염색체의 안정성을 저해해 결국 암세포의 사멸이 나타난다고 밝혔다.
CRL4의 기능이 상실된 RepID 억제 모델의 세포는 또 다른 유비퀴틴 효소인 CRL1이 CRL4의 기능을 대체하고 있다는 결과도 확인됐다. 실제로 CRL1의 기능을 억제하는 항암제 SZL-P1-41을 RepID 억제 모델 세포에 주입한 결과 높은 항암 효과를 나타냈다.
이 밖에도 연구팀은 SAC(Spindle Assembly Checkpoint) 단백질 중 하나인 BUB3 단백질이 CRL4에 의해 유비퀴틴화돼 분해가 유도되며, 세포 분열 중기에서 후기 (metaphase-anaphase transition)로의 진행을 일으킨다고 전했다. 이는 CRL4의 새로운 기질인 BUB3 단백질을 발견한 것이며, CRL4의 기능을 세포 분열기에서 확인한 첫 사례다.
특히 RepID 억제 모델 세포에 항암제 파클리탁셀을 결합시킨 결과, 암 세포가 사멸되는 효과를 확인했다고도 밝혔다.
CRL4 내의 ‘기질 인식 단백질 전환’ 기작도 눈여겨 볼 만 하다. 현재 기질 인식 단백질은 현재 100가지 이상의 종류가 알려져 있지만, 그 기능은 전부 같을 것이라고 예측되고 있다. 즉, 모든 기질 인식 단백질은 기질을 인지해 유비퀴틴화를 유도한다는 것이다.
하지만 장 박사 연구팀은 CDT1 단백질을 인지하고 유비퀴틴화 시키는 것은 RepID 단백질이 아닌 CDT2 단백질이었으며, BUB3 단백질을 인지해 유비퀴틴화를 촉진하는 단백질 역시 RepID 단백질이 아닌 또 다른 기질 인식 단백질인 RBBP7 단백질이라는 것을 확인했다.
이를 통해 적어도 2가지 이상의 특징을 가진 기질 인식 단백질 그룹이 있을 것이라고 추측되는 상황이다. 즉, CRL4를 크로마틴에 유도하는 기질 인식 단백질 RepID, CRL4 기질을 인지 및 유비퀴틴화를 유도하는 기질 인식 단백질 CDT2·RBBP7, 필요에 따라 CRL4 내 기질 인식 단백질 부위가 빠르게 전환(switching)되는 기작을 규명한 것이다.
연구팀은 RepID 억제 모델에서 CRL4 단백질이 크로마틴에 결합하지 못함으로써 DNA 복제 원점에 위치한 CDT1 단백질이 분해되지 못하고 암세포 내에 축적돼 DNA 복제가 계속해 이뤄지는 현상이 발생, 염색체의 안정성을 저해해 결국 암세포의 사멸이 나타난다고 밝혔다.
CRL4의 기능이 상실된 RepID 억제 모델의 세포는 또 다른 유비퀴틴 효소인 CRL1이 CRL4의 기능을 대체하고 있다는 결과도 확인됐다. 실제로 CRL1의 기능을 억제하는 항암제 SZL-P1-41을 RepID 억제 모델 세포에 주입한 결과 높은 항암 효과를 나타냈다.
 ▲ RepID 단백질은 CRL4 효소를 크로마틴에 리크루팅 하는데 필수적이다.(출처 : JANG et al., 2018, Nature Communications) |
이 밖에도 연구팀은 SAC(Spindle Assembly Checkpoint) 단백질 중 하나인 BUB3 단백질이 CRL4에 의해 유비퀴틴화돼 분해가 유도되며, 세포 분열 중기에서 후기 (metaphase-anaphase transition)로의 진행을 일으킨다고 전했다. 이는 CRL4의 새로운 기질인 BUB3 단백질을 발견한 것이며, CRL4의 기능을 세포 분열기에서 확인한 첫 사례다.
특히 RepID 억제 모델 세포에 항암제 파클리탁셀을 결합시킨 결과, 암 세포가 사멸되는 효과를 확인했다고도 밝혔다.
CRL4 내의 ‘기질 인식 단백질 전환’ 기작도 눈여겨 볼 만 하다. 현재 기질 인식 단백질은 현재 100가지 이상의 종류가 알려져 있지만, 그 기능은 전부 같을 것이라고 예측되고 있다. 즉, 모든 기질 인식 단백질은 기질을 인지해 유비퀴틴화를 유도한다는 것이다.
하지만 장 박사 연구팀은 CDT1 단백질을 인지하고 유비퀴틴화 시키는 것은 RepID 단백질이 아닌 CDT2 단백질이었으며, BUB3 단백질을 인지해 유비퀴틴화를 촉진하는 단백질 역시 RepID 단백질이 아닌 또 다른 기질 인식 단백질인 RBBP7 단백질이라는 것을 확인했다.
이를 통해 적어도 2가지 이상의 특징을 가진 기질 인식 단백질 그룹이 있을 것이라고 추측되는 상황이다. 즉, CRL4를 크로마틴에 유도하는 기질 인식 단백질 RepID, CRL4 기질을 인지 및 유비퀴틴화를 유도하는 기질 인식 단백질 CDT2·RBBP7, 필요에 따라 CRL4 내 기질 인식 단백질 부위가 빠르게 전환(switching)되는 기작을 규명한 것이다.
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