효소 촉매기전에서 활성 부위에 있는 수소를 보여주는 새로운 장비

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-12

요약: 과학자들이 항암제 개발에서 중요한 역할을 할 수 있는 효소를 보여주기 위해서 새로운 장비를 이용했다. 그림. 이미지는 촉매성 기 Asp27과 기질 엽산이 상호작용하는 DHFR의 활성 부위에서 핵 밀도 지도를 보여준다. 중수소를 함유한 물 분자(DOD18)가 Asp27과 엽산 둘 다와 접촉한다. 녹색 그물망이 그 기질에 있는 질소에 결합한 수소 원자의 정확한 위치를 보여준다. 효소는 살아있는 유기체들에서 화학적 반응들을 가속시켜서 한 분자 또는 기질을 세포가 사용하는 생성물로 변환시킴으로써 세포의 많은 생물학적인 과정들을 조절하는 촉매이다. 과학자들에게, 효소가 어떻게 작용하는지에 대한 세부사항을 이해하는 것은 질병을 치료하기 위한 약물 개발에 필수적이다. 케이스웨스턴리저브대(Case Western Reserve University)에 있는 Chris Dealwis가 이끈 다기관 연구팀이 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Laboratory(ORNL)의 고중성자속 동위원소 생산로(High Flux Isotope Reactor (HFIR)에 있는 새로운 IMAGINE 장비를 이용해서 항암제 개발에서 중요한 역할을 할 수 있는 효소를 보여주었다. 중성자 결정법을 이용해서, 그 팀은 뉴클레오티드(nucleotide) 생합성에 필수적인 효소이며 전통적인 약물 표적인, 디히드로 엽산 환원효소(dihydrofolate reductase (DHFR)의 활성 부위를 명확하게 보여주었다. 그 팀은 적어도 15년 동안 DHFR의 촉매 기전을 밝히기 위해서 일해왔다. 12월에 미국 과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)에 얼리 에디션으로 실린, 이번 연구는 그 효소-기질, 즉Michaelis 복합체에서 양성자들을 드러내줌으로써, 효소 기능의 내부적 세부사항들을 밝히는데 중성자 회절의 중추적인 역할을 보여주었다. “우리는 그 효소에서 선택된 부위들에서 양성자화 상태를 감지해서, 산-염기 촉매와 관련된 기전들을 풀어낼 수 있었다”고 그 연구의 공저자이며, HFIR에 있는 IMAGINE 빔 라인에 있는 과학자인 ORNL의 Andrey Kovalevsky는 말했다. 그 팀은 특정한 원자들에 양성자를 첨가하고 물 분자들을 맞게 배열함으로써, 본질적으로 그 효소가 그 마술을 부려, 그것의 기질에 결합하고 촉매를 위한 활성 부위를 준비하는 것을 보았다. 중성자 회절을 이용해서, 그 팀은 그 반응 부위를 밀접하게 닮은 복합체에서, DHFR이 특정한 기질의 구조를 안정화시키고 양성자가 첨가된 기질의 원자의 염기도를 높이는 것 같다. 이 양성자 첨가는 그 효소의 구조적인 변동에 의해서 조절되는 그 기질에 대한 그 양성자의 접근성과 함께, 직접적으로 물을 통해서 일어나는 것으로 제안되었다. 두 개의 수소 원자들을 가진 물이 효소들에 의해서 촉매되는 화학 반응들에서 중요한 역할을 하기 때문에, 수소 원자들의 위치를 아는 것은 그 효소의 촉매 기전의 완전한 세부사항들을 정하는데 필수적이다. 한 효소 안에서 수소 원자 위치는 전통적인 구조 기술들을 가지고 관찰하기 어렵기 때문에, 정확히 알아내기 힘들다; 따라서, 그것들의 위치는 종종 근처의 원자들의 위치에 의해서 추론된다. “x-선 회절과 같은 다른 기술들과는 달리, 중성자를 가지고, 우리는 수소 원자들과 물 분자들의 배향을 정말로 볼 수 있다. 효소 기전을 알아내는 것은 자연이 어떻게 일하는지에 대한 우리의 이해를 위해서 기본적이다”라고 Kovalevsky는 말했다. 그 효소 DHFR은 항암 표적이며 생물학적 시스템에서 양성자(H+)와 수소화 이온(H-) 이동 반응들을 이해하기 위한 모형으로 여겨진다. 생합성에서 그 역할을 고려할 때, DHFR은 메토트렉세이트(methothrexate)와 트리메토프림(trimethobrim)과 같은 항암제, 항생제, 그리고 류마티스성 관절염약을 위한 표적이다. 이것은 HFIR에 있는quasi-Laue 회절계(quasi-Laue diffractometer) 장비인 IMAGINE, 빔 라인 CG-4D로부터 나온 첫 번째 사용자 출판물이다. IMAGINE은 영상판 기술을 이용하는 최신 중성자 단일 결정 회절계이다. 그것은 화학적, 물리적, 그리고 생물학적인 구조와 기능을 이해할 수 있게 해줄, 화학물질, 유기물질, 금속-유기물, 그리고 단백질 단일 결정들에 대한 원자 해상도의 정보를 제공한다. “우리는 그 장비가 얼마나 강력한지—그것의 표본이 얼마나 작을 수 있는지, 얼마나 큰 결정 단위 세포들을 우리가 풀어낼 수 있는지—를 알아내기 위해서 더 많은 실험과 다른 시료들이 필요하다”고 Kovalevsky는 말했다. “그러나, 이 결과는 그 장비가 그 사양에 맞게 기능하고 있다는 것을 보여주며, 이것은 흥미로운 일”이라고 Kovalevsky는 덧붙였다. 미래 실험들을 위해서, 그 IMAGINE 팀은 저온에서 자료를 수집하기 위해서 저온 표본 환경을 도입할 계획이다. Kovalevsky는 그들이 어떤 경우에는 수명이 짧은 효소 반응의 중간체들을 가두고 더 작은 결정들을 자료 수집에 이용할 수 있도록 회절의 질을 향상시키기 위해서 결정들을 매우 차갑게 할 필요가 있다고 설명했다. 이 프로젝트를 위한 그 연구팀은 이제는 양저우대(Yangzhou University)와 Jiangsu Key 연구소, Jiangsu Co-Innovation Center에 있는 이전 ORNL 박사후 연구원인 Qun Wan과, 버지니아대(University of Virginia)의 Brad Bennett, 네브래스카대 링컨 캠퍼스(University of Nebraska- Lincoln)의 Mark Wilson, ORNL의 Andrey Kovalevsky와Paul Langan, 테네시대 녹스빌 캠퍼스(University of Tennessee-Knoxville)의 Elizabeth Howell, 그리고 케이스웨스턴리저브대(Case Western Reserve University)의 Chris Dealwis를 포함한다. 그 연구는 국립보건원(National Institutes of Health)의 지원을 받았다. HFIR은 DOE 과학 사용자 사무소 시설(Office of Science User Facility)이다. IMAGINE 장비는 국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 지원받은 것이다. Journal Reference: Qun Wan, Brad C. Bennett, Mark A. Wilson, Andrey Kovalevsky, Paul Langan, Elizabeth E. Howell, Chris Dealwis. Toward resolving the catalytic mechanism of dihydrofolate reductase using neutron and ultrahigh-resolution X-ray crystallography. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; 111 (51): 18225 DOI: 10.1073/pnas.1415856111 cancer.jpg http://www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150107150744.htm