서론

  세포 내 구획화는 기능적으로 연관된 생체 내 분자들을 인접한 공간에 존재하게 하여 효율성을 높이는 의의를 가진다. 대표적으로 알려진 세포 내 구획화의 예로 인지질 이중막(lipid bilayer)를 활용한 막성 세포소기관이 있다. 최근 들어 액체상 분리(Liquid-liquid phase separation: LLPS)를 통해 형성되는 생체분자 응축물이 막을 활용하지 않고도 세포 내 구획화을 이룰 수 있는 새로운 방안으로 대두되고 있으며 특히 다양한 생리 현상과 질환 기전에 연관되어 있음이 알려지고 있다 (그림 1). 이 글을 통해 생체분자 응축물의 형성과 병리적 변형, 그리고 이를 기반으로 태동하고 있는 생체분자 응축물 제어 치료 기술에 대해 소개하고자 한다. 

[그림 1] (위) 생체분자 응축물의 예 (아래) 생체분자 응축물은 독립적인 액체상으로 밀림힘에 의한 흐름과 융합 등 특성을 가진다.
Nature Review Molecular Cell Biology, 2017, 18, 285-298

본론

○ 액체상 분리를 통해 형성되는 생체분자 응축물

생체분자 응축물은 세포 내에서 수백 나노미터에서 수십 마이크로미터 직경의 방울 형태로 관찰되며 단백질 및 핵산 등 생체분자들로 이루어져 있고 그 주변(Surrounding)과 상적, 구성적, 기능적으로 구별되는 액체상 구조를 의미한다. 액체상 분리는 생체분자 응축물이 형성되는 기저에 작동하는 분자적 원리이다. 생체분자의 상 분리를 결정하는 주된 요인은 생체분자의 발현 정도이다. 생체분자는 세포와 같은 계(System) 안에서 낮은 농도에서는 혼합상의 형태로 존재하나 그 양이 증가하여 임계 농도(Critical concentration)에 이르게 되면 상 분리가 이루어져 두 가지 다른 농도에서 위치하게 된다 (그림 2). 분자 내, 동일 분자 간, 다른 분자 간 다층적으로 일어나는 결합 역시 상 분리에 중요하게 작용한다. 생리 현상을 통해 변화하는 pH, 이온 강도, 온도 등은 분자 결합 양상을 조절할 수 있고 따라서 생체분자 응축물의 형성에 크게 작용한다.

[그림 2] 임계 농도 이상에서 이루어지는 단백질의 액체상 분리. 단백질 수식, 온도, 이온 강도 등의 요인으로 조절된다.

Current Biology 2017, 27, R1097-R1102

○ 생체분자 응축물 내 단백질에서 발견되는 동시다발적 약한 결합

생체분자 응축물을 구성하는 분자 간 연결고리에 대한 연구가 다수 진행되어 왔는데 단백질 차원에서 보면 구조화된 도메인(Structured domain)과 내재적 비정형 영역(Intrinsically disordered region: IDR)이 생체분자 응축물 내에서 다른 분자와 상호작용이 이루어지는 단위로 작용한다. 

    - 구조화 도메인

단백질의 구조화 도메인은 효소 활성적 기능을 수행하기도 하나 다른 분자와의 결합이 이루어지는 장소로도 활용된다. 특정 단백질의 구조화 도메인과 다른 단백질의 짧은 선형 모티프(Short Linear Motif: SLiM)간 결합을 통한 응축물 형성은 구조화 도메인 매개 액체상 분리의 전형적인 예이다 (그림 3 위). 해당 과정으로 해석된 최초의 예는 액틴 섬유 조절 체계에서 관측되는 NCK 단백질의 SH3 도메인과 N-WASP 단백질의 프롤린 집중 모티프 (Proline-rich motif) 간 결합으로 이루어지는 응축 현상이다. 위의 현상에 참여하는 도메인과 모티프의 수를 증가시켰을 때 응축물이 더 낮은 포화 농도에서 형성되다는 점에서 결합가(Valency) 증가가 액체상 분리를 촉진한다는 점을 알 수 있다. 

    - 내재적 비정형 영역

내재적 비정형 영역은 단백질 내 2차 이상 차원의 구조가 부재한 영역이다. 따라서 에너지적으로 안정화된 구조가 특정되지 않으며 다양한 형태의 구조 스펙트럼 내에서 가변적으로 존재하는 부분이다. 대체로 편향된 아미노산 서열 분포를 보이는 부분이 내재적 비정형 영역이 되는데 보통 극성 아미노산, 산성/염기성 아미노산이 주로 발견된다. 방향족 아미노산은 종종 발견되나 지방족 아미노산은 거의 발견되지 않는 특성을 보인다. 이런 편향적 서열은 정전기력, 파이-파이 결합, 파이-양이온 결합 등 약한 결합이 동시 다발적으로 일어나게 하는 요인이 된다 (그림 3 아래). 액체상 분리능에 중요한 아미노산 잔기의 번역 후 수식, 또는 유전 변이로 인한 특성 변형은  생체분자 응축물의 형성 및 상적 특성을 변화한다. 

생체분자 응축물 내 분자 간 상호작용은 매개 위치 측면에서 위의 두 범주로 나눌 수 있다. 해당 영역 내 동시다발적으로 약한 결합의 총화로 인해 생체분자 응축물이 형성된다. 

[그림 3] 구조적 도메인과 이에 결합하는 대상 (예. SLiM)간 상호 작용(위)이나 비정형 단백질 간 약한 결합(아래)은
단백질의 액체상 분리 현상을 이루는 분자적 근간이 된다. Trends in Cell Biology, 2022, 32, 681-685

○ 인간 질환에서 발견되는 생체분자 응축물의 상적 변형

생체분자 응축물의 상적 특성이 여러 질환에서 변형되어 있음이 지속적으로 보고되고 있다. 생체분자 응축물 연구 초기에는 주로 근위축성 측삭 경화증(Amyotrophic Lateral Sclerosis: ALS)과 전두측두치매(Frontotemporal dementia: FTD)를 포함하는 퇴행성 질환의 병리 연관 변형에 대한 연구가 많았으나 차츰 암, 선천성 질환 등 다른 질환 분야로 연구가 확장되고 있다 (표 1). 

    - 퇴행성 질환

퇴행성 질환 중 ALS와 FTD를 야기하는 유전 변이가 위치하는 C9ORF72, FUS, HNRNPA1, TARDBP, TIA1, VCP 등은 그를 통해 발현되는 단백질이 대표적인 생체분자 응축물인 리보핵산단백질 과립에 존재하거나 리보핵산과립 조절의 기능을 수행한다. 유전 변이에 의한 변이 단백질은 리보핵산과립의 상적 특성 변형을 유도한다. 예컨대, C9ORF72내 인트론에 위치하는 GGGGCC 핵산반복의 증가는 반복 연관 비-AUG 번역(Repeat-associated non-AUG translation: RAN translation)을 통하여 글리신-아르기닌, 글리신-프롤린, 글리신-알라닌, 프롤린-아르기닌, 프롤린-알라닌 등 두 아미노산이 반복되는 비정상 폴리펩타이드 발현을 유도하는데 이는 인, 스트레스 과립 등 리보핵산단백질 과립의 경화를 일으키고 기능적 손실과 연결되어 있다. FUS, HNRNPA1, TDP-43 (TARDBP의 단백질 산물)의 유전 변이는 생체분자 응축물을 액체상에서 고체유사상으로 전이시키며 이를 통해 변형 단백질의 섬유화를 촉진한다. 

    - 암

슈퍼 인핸서, 이질염색질, DNA 손상 복구 체계, 스플라이싱 스펙클 등 종양 형성과 연계된 세포 내 구조들이 생체분자 응축물의 특성을 지님이 밝혀졌다. 또한 KRAS, YAP/TAZ, PML, SPOP, MED1 등 다수의 암 연관 유전자의 단백질 산물이 생체분자 응축물의 형태로 존재하며 암과 연관된 유전 변이는 해당 생체분자 응축물의 상적 특성 또는 응축물의 세포 내 분포를 변화하거나 변이 단백질의 응축물 내 분포를 일으킨다.

- 선천성 질환

레트 증후군, 잠복 황반이상증 등 선천성 질환에 연관된 유전자의 단백질이 생체분자 응축물의 형태로 세포 내 존재하며 해당 질환을 야기하는 변이로 변이 단백질 또는 단백질 소실로 인해 생체분자 응축물의 특성이 변형된다. 

[표 1] 생체분자 응축물의 조절 이상을 통해 야기되는 인간 질환의 종류.
Nature Review Drug Discovery, 2022, 21, 841-862 

○ 생체분자 응축물 제어 기반 질환 치료 연구

생체분자 응축물 연구의 태동기에 리보핵산단백질 과립의 상적 특성 변형의 질환 인과성 규명이 이루어진 ALS와 FTD의 경우 액체상 복원을 통한 치료 가능성이 제시되고 있으며 Antisense nucleotide를 활용한 치료 후보물질이 Ionis therapeutics 등에서 개발 중에 있다. 뿐만 아니라 생체분자 응축물 제어를 활용한 치료제 개발을 목표로 미국과 유럽에서 새롭게 창업한 제약사들이 등장하고 있다. 그 중 생체분자 응축물 개념을 최초로 제시한 막스플랑크 연구소의 Anthony Hyman과 유전자 조절 연구에서 이정표를 세운 MIT의 Richard Young이 함께 세운 Dewpoint therapeutics는 암, 심혈관계, 신경근육계 질환 등에 대한 치료제 개발을 진행 중에 있다. 

결론

  생체분자 응축물은 액체상 분리를 토대로 세포 내 구획화를 이루는 방법이며 이를 통해 주변과 특화된 구성과 기능을 가진다. 인간 질환에 연관된 요인들과 생체분자 응축물의 특성 변형은 상호 인과성을 가지므로 이를 활용한 질환 치료 가능성이 학계와 산업계에서 타진되고 있다.