하이거

판교핫뉴스

IBS, 성장 조절하는 인슐린유사성장인자의 비밀을 밝히다-바이오분자 및 세포 구조 연구단 인슐린유사성장인자 복합체 3차원 분자구조 규명

하이거 2022. 8. 14. 10:54

IBS, 성장 조절하는 인슐린유사성장인자의 비밀을 밝히다-바이오분자 및 세포 구조 연구단 인슐린유사성장인자 복합체 3차원 분자구조 규명

보도일 2022-08-03 09:58

 



IBS, 성장 조절하는 인슐린유사성장인자의 비밀을 밝히다
- 바이오분자 및 세포 구조 연구단 인슐린유사성장인자 복합체 3차원 분자구조 규명 - 
- 복합체 조립과정 및 인슐린유사성장인자 활성화 메커니즘 제시-

인슐린유사성장인자(Insulin-like Growth Factor, IGF)는 인슐린과 유사한 분자구조를 가진 호르몬으로, 신체의 유지와 신진대사에 관여하며, 특히 태아 및 소아·청소년기 성장에 중요한 역할을 한다. 인슐린유사성장인자의 결핍은 느린 성장, 작은 체구, 지연된 발육과 같은 성장기 발달 장애, 그리고 성인에게는 골밀도와 근육강도 저하 등의 증상으로 나타난다. 인슐린유사성장인자의 과잉은 거인증 혹은 말단 비대증을 유발하고 다양한 성인병 위험도를 증가시킨다. 인슐린유사성장인자는 신체의 발달을 촉진시키는 작용 외에도 인슐린과 협동하여 혈당을 조절하는 작용도 하며, 종양의 발생에도 관여함이 알려져 있어, 인슐린유사성장인자의 작동 원리를 밝히기 위한 다양한 연구가 국내외에서 활발하게 진행 중이다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 바이오분자 및 세포 구조 연구단 김호민 CI(Chief Investigator, KAIST 의과학대학원 부교수)는 인슐린유사성장인자 복합체의 3차원 분자구조를 규명하고, 인슐린유사성장인자 복합체의 조립과정 및 인슐린유사성장인자 활성화 메커니즘을 제시했다. 이번 연구 결과는 성장과 대사에 관련된 다양한 질병에 대한 이해를 높이고 진단·치료제 개발에도 기여할 것으로 기대된다.
인슐린유사성장인자는 다양한 조직 세포막에 분포하는 인슐린유사성장인자 수용체를 활성화시켜 세포분열, 세포 증식·분화와 생존을 조절한다. 하지만 인슐린유사성장인자는 단독으로는 매우 불안정하여 체내반감기가 10분이 채 되지 않는다. 이 때문에 혈중 인슐린유사성장인자의 70% 이상은 체내에서 12시간 이상 머무를 수 있도록 인슐린유사성장인자 결합단백질들인 IGFBP 단백질(IGF Binding Protein), ALS 단백질(Acid labile subunit)과 결합하여 안정한 삼중복합체 형태로 존재한다. 
IGFBP 단백질과 ALS 단백질은 인슐린유사성장인자와 결합하는 운반체 역할 뿐만 아니라 인슐린유사성장인자의 생물학적 작용을 조절하는 중요한 기능도 수행한다. 즉, 인슐린유사성장인자 삼중복합체(IGF1/IGFBP3/ALS)는 생체 내에서 아주 정교하게 조립되고, 필요시에만 활성화되어 적절하게 성장조절 효과를 나타낼 수 있게 된다. 이 때문에 인슐린유사성장인자와 이들 결합단백질의 혈중 농도는 성장호르몬결핍증, ALS 결핍증과 같은 성장관련 질환을 평가하는데 검사항목으로도 이용되고 있다. 
연구진은 인슐린유사성장인자 삼중복합체의 3차원 분자구조를 초저온투과전자현미경(cryo-EM)을 활용하여 규명하고, 각 구성요소 간의 상호작용을 밝혀냈다. 특히, 인슐린유사성장인자가 IGFBP 단백질에 둘러쌓여 이중복합체를 이루고 있으며, 말발굽 모양의 ALS 단백질이 이중복합체를 한번 더 감싸는 안정된 구조로 인해 인슐린유사성장인자가 체내에서 쉽게 분해되지 않는 것을 발견했다. 
또한, 다양한 생화학적 실험 방법을 통해 인슐린유사성장인자 삼중복합체의 순차적 조립과정과 삼중복합체로부터 인슐린유사성장인자가 분리되어 인슐린유사성장인자 수용체를 활성화시키는 분자 메커니즘을 규명했다. 인슐린유사성장인자 삼중복합체에 포함된 IGFBP 단백질이 생체 내 단백질분해효소에 의해 잘리면, IGFBP 단백질의 C-말단이 떨어져나가면서 불안정한 중간 삼중복합체가 형성된다. 이 과정이 인슐린유사성장인자가 활성을 나타내게 하는 핵심 과정임을 새롭게 발견했다.
김호민 CI는 “IBS 본원에 구축된 첨단 초저온투과전자현미경을 활용하여 고해상도 분자구조를 규명한 첫 연구성과”라며, “인슐린유사성장인자 삼중복합체의 분자구조와 활성화 메커니즘은 향후 청소년기 성장 관련 연구 또는 인슐린유사성장인자 관련 질환의 진단 및 치료제 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 말했다. 
이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.69)’ 온라인 판 7월 30일 자에 게재됐다.

[붙임] 1. 연구 추가설명  2. 그림설명  3. 연구진 이력사항

연 구 추 가 설 명


논문
/저널
/저자
■ 논문명 : Structural basis for assembly and disassembly of the IGF/IGFBP/ALS Ternary complex
■ 저널 : Nature Communications (2022)
■ 저자 정보: Hyojin Kim, Yaoyao Fu, Ho Jeong Hong, Seong-Gyu Lee, Dong Sun Lee, Ho Min Kim
연구
내용

보충
설명
● 인슐린유사성장인자 (Insulin-like Growth Factor, IGF)은 혈액에 존재하는 호르몬으로써 B, C, A, 그리고 D-도메인으로 구성되며 인슐린과 아주 유사한 모양을 갖고 있다. 이 중 C 도메인이 IGF수용체에 결합할 때 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, IGF이 IGF수용체에 결합하면 자기인산화가 유도됨에 따라 세포의 성장, 분화, 세포분열 조절 등에 필수적인 하위세포 신호전달이 활성화되게 된다.
● 인슐린유사성장인자 결합단백질 (IGF binding protein, IGFBP)는 IGF에 결합하고 총 6종의 IGFBP가 발견되었다. 체내의 약 20%정도는 IGF/IGFBP 이중복합체로 존재하지만, IGF의 70% 이상은 IGFBP (IGFBP3, IGFBP5), ALS (Acid Labile Subunit)과 삼중복합체를 이루고 있다. 이러한 IGFBP와 ALS는 IGF와 결합하는 운반체 역할 뿐만 아니라 IGF의 생물학적 활성을 조절하는 기능도 갖고 있다.
● ALS는 LRR(Leucine Rich Repeat) 단백질로써 LRRNT, 19개의 LRR 모듈, 그리고 LRRCT 도메인으로 구성되며, 해당 유전자에 돌연변이가 생긴 환자는 체내에 IGF와 IGFBP의 양이 현저하게 줄어들어 있고, 이 때문에 작은 키, 몸무게, 머리둘레, 또는 인슐린 저항성 등의 증상을 보이는 희귀질환 ALS 결핍증을 앓게 된다.
● 이에 본 연구진은 동물세포발현시스템과 일련의 정제 과정을 통해 안정적인 인슐린유사성장인자 삼중복합체 (IGF1/IGFBP3/ALS)를 확보하고, IBS 본원에 구축된 첨단 초저온투과전자현미경을 활용하여 고해상도 3차원 분자구조를 규명했다. 이를 통해 IGF은 IGFBP3에 둘러쌓여 이중복합체를 이루고 있으며, 말발굽 모양의 ALS가 이중복합체를 한번 더 감싸고 있음으로써, IGF1이 체내에서 쉽게 분해되지 않게 보호하고 있음을 발견했다. 
● 또한, 형광 감지 크로마토그래피 등의 생화학적 연구를 통해 IGF가 단독으로는 ALS에 결합하지 못하고, IGF와 IGFBP가 이중결합체를 먼저 형성한 이후에 ALS와 순차적으로 결합하는 인슐린유사성장인자 삼중복합체의 조립 과정을 규명할 수 있었다. 
● 마지막으로, 인슐린유사성장인자 삼중복합체 중 IGFBP가 생체 내 단백질분해효소에 의해 잘리게 되면, IGFBP의 C-말단이 떨어져나가며, 불안정한 중간 삼중복합체가 형성되고, 이 과정이 인슐린유사성장인자가 활성을 나타내게 하는 중요한 핵심 과정임을 밝혀냈다. 
● 인슐린유사성장인자 복합체의 3차원 분자구조 정보가 성장호르몬결핍증, ALS 결핍증과 같은 성장관련 질환에 대한 이해를 넓힐 수 있었고, 인슐린유사성장인자 삼중복합체의 조립 및 활성화 메커니즘은 향후 청소년기 성장 관련 연구 또는 인슐린유사성장인자 관련 질환의 진단 및 치료제 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다. 
연구 이야기
[연구 배경] IBS 바이오분자 및 세포구조 연구단 김호민 CI 연구팀에서는 TLR, VLR, 그리고 Slitrk 등 LRR (Leucine Rich Repeat) 도메인을 가지는 다양한 단백질들의 구조를 규명하였고, 이를 활용해 단백질-단백질 상호작용 및 LRR 단백질들의 생체 기능조절에 관한 연구를 진행하고 있다. 인슐린유사성장인자와 결합하는 ALS 단백질 역시 말발굽 모양을 가진 LRR 도메인으로 이루어진 단백질이고, 인슐린유사성장인자의 안정성과 기능조절에 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있기에 인슐린유사성장인자 삼중복합체에 대한 연구를 시작하게 되었다. 
[어려웠던 점] 동물세포발현시스템을 이용해 안정한 인슐린유사성장인자 삼중복합체 (IGF1/IGFBP3/ALS)를 생산하고, 이들이 분해되거나 뭉치지 않게 고순도로 정제하는 최적의 조건을 찾기 위해 수십 가지의 DNA construct를 제작하였고, 수많은 DNA construct 조합을 테스트한 결과 최적의 삼중복합체를 획득할 수 있었다. 하지만 이것이 끝이 아니었다. 이렇게 정제된 고순도의 인슐린유사성장인자 삼중복합체의 분자 구조를 규명하기 위하여, 단백질 농도 및 시편제작을 위한 수많은 조건을 탐색하였고, 수천장의 초저온투과전자현미경 사진을 촬영한 이후, 대용량연구용 데이터허브 및 슈퍼컴퓨터 컴퓨팅자원을 이용하여 몇 달에 걸친 복잡한 데이터 프로세싱을 진행하여 얻어진 결과였다. 연구자의 끈기와 분자생물학, 생화학, 세포생물학, 구조생물학, 컴퓨터공학 등 여러 학문에 바탕을 둔 융합연구의 결실이라 할 수 있을 것이다. 
[주목할 점] 본 연구는 기초과학연구원 본원에 구축된 첨단 초저온투과전자현미경 장비와 대용량연구용 데이터허브 및 슈퍼컴퓨팅 자원을 이용하여, 작은 크기의 단백질복합체의 고해상도 구조를 규명했다는 점에서 크게 주목할 만하다. 기초 연구를 위해 필수적인 고가의 첨단장비 구축의 필요성을 다시금 실감할 수 있었다. 
[향후 연구계획] 단백질분해효소에 의해 인슐린유사성장인자 결합단백질이 분해되면 인슐린유사성장인자 중간 삼중복합체가 생성됨을 밝혔으나, 남겨진 불안정한 중간 삼중복합체가 어떠한 구조를 갖고있는지 추가적인 3차원 구조 규명 연구가 필요할 것이다. 


그   림   설   명



[그림] 논문 핵심 내용 모식도
1) 인슐린유사성장인자 삼중복합체 구조 규명
초저온투과전자현미경 (Cryo-EM)을 활용한 구조생물학 연구를 통해 인슐린유사 성장인자 삼중복합체 (IGF1/IGFBP3/ALS) 분자구조를 규명함. 

2) 인슐린유사성장인자 삼중복합체 조립 메커니즘 규명
형광 감지 크로마토그래피 등의 생화학적 연구를 통해 인슐린유사성장인자가 IGFBP와 이중결합체를 먼저 형성한 이후에 ALS와 순차적으로 결합하는 인슐린 유사성장인자 삼중복합체 조립 메커니즘을 규명함.

3) 인슐린유사성장인자 활성화 메커니즘 규명
인슐린유사성장인자 삼중복합체 중 IGFBP가 생체 내 단백질분해효소에 의해 잘리게 되면 불안정한 중간 삼중복합체가 형성되고, 이 과정이 인슐린유사성장인자가 활성을 나타내게 하는 중요한 핵심 과정임을 밝힘. 





연구진 이력사항

<김호민 바이오분자 및 세포 구조 연구단 CI, 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 바이오분자 및 세포 구조 연구단  카이스트 (KAIST) 의과학대학원 
 


2. 경력사항
 ○ 2006~2007 : KAIST 화학과 박사후연구원
 ○ 2007~2011 : 미국 캘리포니아대 (샌프란시스코) 박사후연구원
 ○ 2011~2015 : KAIST 의과학대학원 조교수
 ○ 2016~현재 : KAIST 의과학대학원 부교수
 ○ 2018~현재 : 기초과학연구원 (IBS) 바이오분자 및 세포구조 연구단 CI
 ○ 2020~2022 : Tokyo Institute of Technology, Japan, 초빙교수

3. 전문 분야 정보 
 ○ 단백질구조생화학 (단백질 결정학, CryoEM), 신약개발
 ○ 2007 미래를 이끄는 젋은 과학자상 (과학기술부)
 ○ 2018 아산의학상, 젊은 의학자부문 (아산사회복지재단)
 ○ 2018 젊은과학자상 대통령 표창 (한국과학기술한림원)
 ○ 2018 국가연구개발 우수성과 100선, 최우수 (생명분야) (과학기술정보통신부)
<김효진 바이오분자 및 세포 구조 연구단 연수학생, 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 바이오분자 및 세포 구조 연구단  
 



2. 경력사항
 ○ 2018~현재 : KAIST 의과학대학원 석박통합과정
 ○ 2019~현재 : 기초과학연구원(IBS) 바이오분자 및 세포구조 연구단 연수학생

3. 전문 분야 정보 

 ○ 2022 한국구조생물학회 동계연례학술대회 최우수포스터상
 ○ 2022 생화학분자생물학회 국제학술대회 우수포스터상
 ○ 2022 생화학분자생물학회 Young Scientist Program 발표 선정

<Yaoyao Fu 바이오분자 및 세포구조 연구단 박사후연구원, 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 바이오분자 및 세포 구조 연구단 
 


2. 경력사항
 ○ 2010~2014 : POSTECH 생명과학과 박사후연구원
 ○ 2014~2017 : 한국생명공학연구원(KRIBB) 합성생물학연구소 박사후연구원
 ○ 2017~2018 : The Key Laboratory of Biotechnology for Medicinal Plant of Jiangsu  Province, Jiangsu Normal University (JSNU), China, Associate professor
 ○ 2019~현재 : 기초과학연구원(IBS) 바이오분자 및 세포구조 연구단 선임연구원