수명연장: 획기적인 영상 기술로 유망한 신약 표적 발견

식품의약국(FDA)에서 승인한 약물의 약 35%는 세포막에 내장되어 세포 간 통신을 가능하게 하는 단백질 그룹인 G 단백질 결합 수용체(GPCR)를 표적으로 한다. 이 중 접착 G 단백질 결합 수용체(aGPCR)는 인간에서 두 번째로 큰 패밀리를 형성한다. 이름에서 알 수 있듯이 aGPCR은 세포 접착, 즉 세포가 서로 달라붙는 능력을 촉진하면서 신체 내에서 신호를 전달한다.

aGPCR은 조직 성장, 면역 체계 기능, 장기 발달과 같은 과정에서 중요한 역할을 한다. 그러나 기능 장애는 암, 신경계 장애, 성장 이상과 같은 심각한 상태로 이어질 수 있다. 그 중요성에도 불구하고 aGPCR을 표적으로 하는 약물은 승인되지 않았다. 이는 이러한 수용체가 매우 크고 복잡하며 연구하기 어렵기 때문이다.

시카고 대학의 새로운 연구는 두 가지 강력한 영상 기술을 결합하여 일반적인 aGPCR의 전체 구조를 연구한다. 여기에는 길고 복잡한 세포 외 영역이 세포 표면에 묻힌 막관통 영역과 상호 작용하는 방식이 포함된다. 세포 외 영역의 다른 위치와 움직임은 수용체를 활성화하는 중요한 방법인 것으로 보인다.

"이것은 접착 GPCR에 대한 약물 투여의 새로운 기회를 열어준다. 왜냐하면 이제 세포 외 영역이 막관통 영역과 통신하고 있음을 보여주고 있기 때문이다."라고 시카고 대학의 생화학 및 분자생물학과 조교수이자 새로운 연구의 수석 저자인 데메트 아라크 박사가 말했다.

새로운 이미지와 새로운 구성 포착

aGPCR의 세포 외 영역은 세포막에서 세포 외부 공간으로 확장되어 다른 세포의 분자와 수용체에 결합할 수 있다. 여기에는 GPCR 자가단백질분해 유도(GAIN) 도메인을 포함하여 두 조각으로 분리될 수 있는 여러 도메인으로 구성된다.

aGPCR을 활성화하는 방법에 대한 일반적인 이해는 세포 외부의 리간드가 세포 외 도메인 중 하나에 부착되어 GAIN 도메인을 다른 부분인 막관통 영역에 부착된 상태로 유지되는 고정 작용제(TA)라고 하는 펩타이드와 분리하는 힘을 가한다는 것이다. TA가 분리되면 막관통 영역으로 이동하여 신호 전달을 시작할 수 있지만, 생화학 연구의 증가에 따르면 많은 aGPCR 기능이 이 절단 의존적 메커니즘에 의존하지 않는다. GAIN 도메인을 분리하는 것도 되돌릴 수 없으므로 수용체는 항상 "켜짐" 상태로 유지되어 세포에 해로울 수 있다. 때로는 세포가 수용체를 켜고 꺼야 할 수도 있으므로 다른 방법이 있어야 한다.

Araç의 연구실은 11년 동안 전체 길이의 aGPCR 구조를 밝히기 위해 노력해 왔으며, 들어오는 신호가 세포 외부에서 내부로 어떻게 전달되는지 알아내고자 했다. 이러한 수용체는 세포 외 영역에 복잡하고 독특한 구성이 많기 때문에 완전히 이해하기 어려운 것으로 악명이 높다. 대학원생 시몬 코르돈, PhD가 새로운 연구를 주도하여 이전 학생의 작업을 이어받아 라트로필린3(Latrophilin3)의 완전한 구조 이미지를 촬영했다. 라트로필린3는 주의력 결핍 과잉 행동 장애와 여러 암과 관련이 있는 뇌 시냅스를 개발하는 데 관여하는 aGPCR이다.

체코바와 팀은 서로 가까이 있는 분자 간의 에너지 전달을 측정할 수 있는 Förster 공명 에너지 전달(FRET) 이미징을 사용했다. aGPCR의 세포 외 영역과 막 관통 영역의 여러 지점에 형광 마커를 부착한 후, 그들은 aGPCR이 끌어당기고 밀어내는 접착력에 반응하는 움직임을 추적할 수 있었다. 그들이 본 것은 서로 다른 구성의 기능에 대한 의심을 확인시켜 주었다.

코르돈은 "서로 다른 구조적 상태는 수용체의 서로 다른 신호 전달 활동과 상관관계가 있다."라고 말했다. "이것은 세포의 하류 신호 전달에 대한 이러한 구조적 구조의 기능적 관련성을 보여준다."라고 2024년에 졸업한 코르돈은 나중에 이 프로젝트에 대한 작업으로 시카고 대학교의 생화학 및 분자생물학과에서 최우수 논문상을 수상했다.

수용체를 활성화하는 새로운 방법

Araç는 이제 aGPCR의 구조와 작동 방식을 더 잘 이해하게 되었으므로 다른 수용체와 동일한 방식으로 약물로 표적화할 수 있는 잠재력을 볼 수 있다고 말했다. 연구자들은 이 연구에서 사용된 것과 같은 항체를 설계하여 이미징을 위해 안정화하지만 대신 활동을 조작하도록 설계할 수 있다. aGPCR은 모양과 구조가 다르기 때문에 이러한 항체도 매우 정확할 수 있다. 이미 인간에서 33개의 다른 aGPCR이 확인되었으므로 많은 기회가 있다.

"이것은 접착 GPCR에 대한 약물 치료의 미래가 될 수 있다."라고 Araç는 말했다. "이것의 장점은 세포 외 영역이 서로 매우 다르기 때문에 다른 수용체에 결합하지 않고 원치 않는 부작용을 일으키지 않는 약물로 표적화할 수 있다는 것이다."

코르돈과 Araç는 라트로필린3의 생성과 정제를 최적화하고 초기 전자 현미경 이미지를 촬영했지만 수용체의 좋은 사진을 얻기 위해 수많은 어려움에 직면했다. 그런 다음 그들은 시카고 대학교의 생화학 및 분자 생물학의 Otho S.A. Sprague 명예교수인 앤토니 코시아코프 PhD와 협력하여 aGPCR에 부착할 수 있는 합성 항체를 만들었다. 이 항체는 세포 외 영역을 안정화하고, 코르돈이 세포와 분자를 동결하여 스냅샷을 찍는 영상 기술인 크라이오 전자 현미경(cryo-EM)을 사용하여 전체 수용체 구조를 포착할 수 있는 독특한 모양을 제공했다. 그 결과 생성된 이미지는 완전한 aGPCR의 최초로 알려진 구조가 되었다.

크라이오-EM 이미지는 수용체의 GAIN 도메인이 세포 표면과 관련하여 여러 가지 다른 위치를 차지한다는 것을 보여주었다. GAIN 도메인의 각기 다른 위치는 GAIN 도메인과 막관통 영역 사이에 다른 접촉점을 만들었다. 연구자들은 이러한 다른 구성이 GAIN 도메인을 완전히 분리하지 않고도 세포와 통신하는 다른 수단이 될 수 있는지 궁금해했다. 그래서 그들은 노스웨스턴 대학교 분자 생명과학 부교수인 레자 바파바크쉬 박사와 노스웨스턴의 박사후 연구원인 크리스티나 체코바 박사와 협력하여 세포 외 영역의 움직임을 추적하는 두 번째 실험 시리즈를 실행했다.