과당 대사, 이래서 과학은 업데이트가 필요하다.

오늘 마바리님의 포스팅에서 본 내용입니다. 과당이 간에서만 대사되고 근육에서는 대사가 되지 않는다는 것이죠. 명색이 생화학 담당교수인 제가 보기에는 조금 이상하더군요. 분명히 생화학 교재들에는 과당이 두가지 루트를 통해서 대사된다고 나와 있거든요. 아래에서 보는 두가지 과정입니다.

Lehninger Principles of Biochemistry, 4th ed. Chapter 14

위 그림의 붉은 점선부분이 해당과정 (glycolysis)인데 두 과정 모두 해당과정으로 들어가지만 서로 다른 효소에 의해 전환된다는 것이죠. 하지만 마바리님께서는 실제로는 간에서는 전환이 일어나지만 근육이나 신장에서는 과당이 해당과정으로 들어가지 못한다고 하시는 겁니다. 왜 그럴까 생각해보니 hexokinase에 힌트가 있더군요. Hexokinase라는 것은 6탄당에 인산을 붙인다는 것인데 과당에 특이적이 아니라는 것이죠. 그렇다면 과당에 대한 기질 특이성이 얼마나 될까, 궁금했는데 마바리님께서 주신 레퍼런스를 보니까 명확해 지더군요. 

당의 인산화에 관련된 효소들의 kinetic data

위 data를 보면 근육의 hexokinase의 포도당과 과당에 대한 Km값이 큰 차이가 납니다. 포도당에 대한 Km값이 과당에 대한 Km보다 약 300배 적은데 이는 포도당에 대한 기질 친화도가 월등히 크다는 것을 의미합니다. 즉 포도당과 과당이 있으면 거의 포도당만 전환된다는 것이지요. 그러므로 순수하게 과당만 존재하지 않는다면, 근육에서 과당이 실제로 fructose-6-phosphate로 전환될 가능성은 매우 낮은 것이지요. (그런데 사실 간에 있는 glucokinase와 비교해보면 hexokinase의 과당에 대한 Km값이 그렇게 작은 것은 아닙니다.) 

자세한 설명은 Carbohydrate metabolism에 잘 설명되어 있으니까 참고하시기 바랍니다. 

계란에 혈압 낮추는 성분 있다, 들여다 보기.

<의학> 계란에 혈압 낮추는 성분 있다

캐나다 앨버타 대학 농업-식품-영양학과의 우 젠핑 박사는 계란에서 생성되는 펩티드가 혈압강하제 중 하나인 안지오텐신전환효소(ACE) 억제제와 유사한 효과를 일으킨다고 밝힌 것으로 메디컬 뉴스 투데이가 19일 보도했다. 우 박사는 삶은 계란과 프라이 한 계란이 소화과정을 거치면서 위와 소장에 있는 효소들에 의해 ACE 억제제와 비슷한 작용을 하는 여러가지 펩티드가 만들어진다는 사실이 시험관 실험에서 밝혀졌다고 말했다.

계란은 콜레스테롤이 많아서 고지혈증인 사람은 조심해야 하고 고지혈증이면 동맥경화나 고혈압의 원인이 되고 어쩌고 하는 "상식(?)"이 판치는 세상에 계란에 혈압 낮추는 성분이 있다고 하니 놀랍지요? 그래서 사이언스 데일리에는 같은 내용의 기사에 이런 제목을 붙였네요. 

Egg-Irony: High Cholesterol Food May Reduce Blood Pressure (계란의 역설)

그리고 이 기사의 소스가 된 논문은 아래와 같군요. 

Angiotensin I converting enzyme inhibitory peptides from simulated in vitro gastrointestinal digestion of cooked eggs.

네. 위 논문에서 우리가 눈여겨 봐야할 단어는 in vitro라는 단어입니다. 맨 위의 연합뉴스 기사에서는 이것을 "시험관 실험에서"라고 번역했지요. 맞는 번역입니다만 전공자가 아니면 이게 갖는 의미가 무엇인지 정확하게 파악하기가 어려운 경우가 있습니다. 우리가 생물과 관련된 실험을 할 때 in vitro와 in vivo라는 말을 자주 씁니다. 쉽게 이야기해서 in vitro는  시험관 안에서 즉 생체 밖에서 수행한 실험이라는 의미고, in vivo라는 말은 생체 안에서 수행한 실험이라는 것입니다. 예전에 "슈퍼박테리아 잡는 강력한 항생제, 꿀"에 대한 바른 이해라는 포스팅에서도 한 번 다루었지요.

예를 들어 항암제 하나를 개발한다고 합시다. 영지 버섯의 어떤 물질이 항암활성이 있다고 할 때, 가장 먼저는 체외에서 배양한 암세포에다가 처리를 해봅니다. 이런 실험을 in vitro 실험이라고 하지요. 그리고 그게 활성이 있으면 암에 걸린 동물에 먹이거나 주사를 놓아서 활성을 측정하고 맨 마지막에 사람에게까지 테스트를 하는데 이렇게 살아있는 생물체에 테스트 하는 것을 in vivo 테스트라고 합니다. 최종적으로는 약효성과 안전성까지 다양한 검사를 해서 최종적인 항암제가 만들어 지는 것입니다. 

의약품 하나가 만들어지기까지 넘어야 하는 수많은 장애물들

그러므로 in vitro 테스트에 성공을 했다고 한다면, 정말 그런 활성이 있을 수는 있겠으나 갈 길은 멀겠다, 고 생각해주는 것이 좋습니다. 

다시 맨 처음의 이야기로 돌아가서 위의 논문은 계란 속에 있는 단백질을 끓이거나 fried해서 체내에서 소화되듯이 가수분해를 시켰더니 angiotensin converting enzyme (ACE) inhibitory peptides 들이 7종 (Val-Asp-Phe (IC(50): 6.59 microM), Leu-Pro-Phe (10.59 microM), Met-Pro-Phe (17.98 microM), Tyr-Thr-Ala-Gly-Val (23.38 microM), Glu-Arg-Tyr-Pro-Ile (8.76 microM), Ile-Pro-Phe (8.78 microM), Thr-Thr-Ile (24.94 microM) 발견되었다는 논문입니다. 

아미노산은 20종이라서 tripeptide만도 8000종이 만들어 질 수 있기 때문에 그걸 하나 하나 합성해서 활성을 볼 수는 없으므로 단백질이 많은 계란을 이용하여 단백질을 무작위적으로 가수분해하는 식의 접근을 한 것 같은데 결과가 잘 나온 것 같습니다. 하지만 그렇다고 계란을 먹으면 저런 아미노산들이 만들어져서 ACE를 저해하여 혈압을 낮춘다? 이렇게 보기는 어려울 것입니다. 게다가 저 위의 서열 중에 펜타펩타이드 두 종류는 체내로 흡수가 될지도 잘 모르겠네요. 사실 소나 돼지 고기에도 저런 서열의 펩타이드는 있을 것으로 생각합니다. 문제는 얼마나 들어있느냐인데 거기까지는 잘 모르는 것 같네요. 계란에 위의 펩타이드들이 아주 dominant하게 들어있다면 조금 생각해 볼 여지가 있겠지요.

그리고 사이언스 데일리 기사의 맨 마지막에는 이렇게 써 있네요. 

Funding for the research came from livestock and poultry industry groups.

연구비가 관련 산업계에서 나왔다고 연구결과를 산업계에 유리하게 보고한다고 생각하는 것은 과학자에게 모욕스런 일이지만 연구 내용의 해석이 호의적일 수는 있겠지요. ^^

한림대 김용선 교수논문 간단 리뷰 - 프리온 단백질과 다형성 (Polymorphism)

광우병 논란으로 좋은 점(?)이 하나 있다면 수업시간에 학생들에게 좀 더 쉬운 예를 들면서 가르칠 수 있다는 것입니다. 그 중에 대표적인 것이 바로 polymorphism (다형성)이죠. 인간 (Homo sapiens)이라는 단일 생물종은 인종에 상관없이 유전자의 배열이 (거의) 같은데, 하지만 생긴 것은 다 다릅니다. 이것이 바로 다형성 때문입니다. 유전자의 배열, 예를 들어 유전자 A, B, C, D 의 순서는 같아도 그 유전자 A, B, C, D를 구성하는 염기서열은 약간의 차이가 있고 그에 따라 만들어지는 단백질의 아미노산순서도 약간씩 다르게 되는 것입니다.

(같은 인간에, 같은 인종, 게다가 유전적으로 비슷할 가능성이 높은 같은 강씨지만
전혀 다른 표현형이 나타나는 이유는 바로 polymorphism (다형성) 때문이라는 말씀!)

광우병 유발물질로 알려진 프리온 유전자의 129번째 코돈이 메티오닌을 코딩하느냐 발린을 코딩하느냐에 따라 광우병에 더 잘 걸릴 수 있느냐, 아니냐는 논쟁이 열을 더하고 있습니다. 그 논란의 중심에는 한림대 김용선 교수팀이 Journal of Human Genetics에 2004년도에 발표한 논문, Polymorphisms of the prion protein gene (PRNP) in a Korean population 이 있습니다. 저는 광우병 논란에 있어서 그 위험성에 대한 과장이 좀 심하다는 입장이지만 이 문제는 과장이라고 보기 어려울 수도 있다는 생각이 듭니다.

물론 129번 코돈 (실제로 이는 유전자의 triplet이므로 프리온 단백질의 129번째 아미노산)이 얼마나 중요한 지는 쉽게 판단할 문제가 아닙니다. 게다가 129번 코돈의 다형성은 단순히 CJD 뿐만이 아니라 알쯔하이머 등의 다른 neurodegenerative 질병 (신경퇴행성 질병)에도 영향을 주는 것으로 논문들이 나와 있기 때문에, 이게 특별히 vCJD에 연관된 것인지, 아니면 알쯔하이머나 CJD같은 아밀로이드 플레이크 (amyloid plaques) 형성에 의한 neurodegenerative 질병의 일반적 현상의 일부인지도 정확히 알 수는 없습니다. (현재까지의 결과만 놓고 본다면 제 개인적인 의견으로는 상당히 중요하다고 봅니다.)

아무튼 논란이 되고 있는 논문을 찾아서 읽어보니 한가지 더 흥미로운 것이 있는데, 129번 아미노산 뿐만이 아니라 219번 아미노산이 글루탐산이냐 라이신이냐에 따라서도 sCJD 발생에 영향을 미친다고 여겨지고 있다고 하는군요. 보통의 프리온은 글루탐산인데 라이신을 가지고 있으면 프로테인 X와 결합하여 CJD를 억제(방어)하는 것으로 여겨진다고 합니다.

The Lys allele appears to protect against CJD by binding to protein X. This binding appears to prevent PrPC from being converted into PrPSc (Kaneko et al. 1997).

Kaneko K, Zulianello L, Scott M, Cooper CM, Wallace AC, James TL, Cohen FE, Prusiner SB (1997) Evidence for protein X binding to a discontinuous epitope on the cellular prion protein during scrapie prion propagation. Proc Natl Acad Sci USA 94:10069–10074

그런데 그것 말고도 171번 아미노산이 아스파라진인가 세린인가도 중요하다고 하고, 다른 논문들에도 다른 아미노산의 변이들이 어떤 영향을 주는가 하는 것이 많이 나와있는 것으로 보아 단순히 한 아미노산의 변이가 큰 변수가 될 수 있을까하는 생각이 들기도 합니다. 하지만 129번 아미노산만큼 극적인 것은 없는 것 같군요.

그래서 김용선 교수팀의 논문의 결과를 한눈에 보여주는 자료가 윗 테이블입니다. 한국인 529명을 대상으로 유전자 검사를 해본 결과 129번째가 M/M이고 219번째가 Q/Q (실제는 E/E, 아래 box설명 참조)인 사람이 86.7%라고 하는군요. 조금 조악하게 말해서 “최악의 경우” 광우병이 좀 더 쉽게 발병할 수 있는 사람인 셈입니다.

여기서 잠깐! 너무나 어처구니 없는 논문의 실수가 있는데, 글루탐산 (Glu)의 약자는 Q가 아니라 E 입니다. Q는 글루타민이구요. 지난 번 포스트의 프리온의 아미노산 서열을 보시면 219번이 E 인 것을 알 수 있습니다. 그런데 Q라고 나와 있어서 뭔가 제가 알지 못하는 의미가 있나 해서 열심히 찾아봤는데 아무래도 실수로 보입니다. 이런 중요한 논문에 아미노산 약자를 잘못 쓰는 실수를 하시다니… 저희 과 2학년 지난 중간고사 시험문제였는데 말입니다.

결론적으로 말하자면 프리온 129번의 타입이 M/M이면 vCJD, sCJD의 발병 가능성이 조금 더 높거나, 잠복기가 짧거나 할 가능성이 있다고 보여집니다. 따라서 90%를 상회하는 한국인에게는 좀 더 주의가 필요하겠지요. 하지만 129번째 아미노산 뿐만이 아니라 219번째, 171번째 아미노산등 다른 아미노산의 변이도 영향을 미칠 것으로 여겨지므로 역시 좀 더 많은 연구를 해보아야 할 것으로 생각합니다. 정치적으로는 단순한 문제일지라도 과학적으로는 언제나 신중에 신중을 기해야 하니까요.

논문을 직접 보실 분들은 아래를 누르세요.
Jeong BH, Nam JH, Lee YJ, Lee KH, Jang MK, Carp RI, Lee HD, Ju YR, Ahn Jo S, Park KY, Kim YS.Polymorphisms of the prion protein gene (PRNP) in a Korean population.J Hum Genet. 2004;49(6):319-24. Epub 2004 May 18.

Protein maturation; N-terminal Methionine Excision (NME)

단백질이 만들어지는 translation 과정의 첫번째 아미노산은 Met (methionine)입니다. 보통 Eukayrotes의 경우는 methionine이고 prokaryotes의 경우는 N-formyl-Met (fMet)이죠. 하지만 실제 단백질이 다 만들어진 다음에 보면 첫번째 아미노산이 Met이 아닌 경우가 많습니다. 대장균의 경우는 약 50%이상의 단백질에서 첫번째 아미노산이 Met이 아닌 다른 아미노산이 발견된다고 합니다. 이렇게 N-terminal Met이 잘라져 나가는 현상을 N-terminal Methionine Excision (NME)하고 하는데 거의 모든 생물종에서 나타나는 현상입니다.

이와 같이 translation 후 단백질이 functional form으로 변하는 과정을 protein maturation이라고 하는데 그 중에서 단백질의 N-말단에서 벌어지는 일들은 보통 다음과 같은 과정을 포함합니다. 

1. Deformylation by Peptide Deformylase (PDF) in Bacteria only
2. N-terminal Methionine Excision (NME) by Methionine aminopeptidase (MAP) in all organisms
3. N-terminal Acetylation by N-terminal acetyltransferase (NAT) mainly in Archaea and Eukarya.

아래 그림은 최근 발표된 Archaea의 N-terminal Acetylation에 관한 논문 (J Mol Biol. 2006 Oct 6;362(5):915-924)의 그림입니다. 아래에서보시는 바와 같은 과정이 N-말단에서 일어나는 protein의 maturation 과정입니다.

Figure 1. (a) Major N-terminal protein processing steps in the three domains of life (black, archaea; dark grey, eukaryota; light grey, bacteria). The ATG (or another) start codon is translated directly to methionine (archaea, eukaryota) or to formyl-methionine (f-Met) with subsequent deformylation (bacteria). The initial methionine may remain unprocessed (N1, yellow) or may be cleaved (N2, green). Subsequent N-terminal acetylation may affect the initial methionine (Ac1, light blue) or the newly uncovered N-terminal residue (here represented as serine) (Ac2, dark blue). The relative proportion of the modifications in the three domains of life is indicated by the thickness of the arrow (thick, common; thin, less common; dotted, exceptional). (b) Start codon usage, (c) the extent of initial methionine cleavage, and (d) the extent of N-terminal acetylation in H. salinarum (cake diagrams and values) and N. pharaonis (values in parenthesis). In (c), N1 (which includes Ac1) is indicated in yellow and N2 (which includes Ac2) is coloured in green. Partial cleavage is indicated in light green. In (d), N1 is indicated in yellow, N2 in green, Ac1 in light blue and Ac2 in dark blue as in (a). The statistics presented have been compiled from protein set 3 ((a) and (b)) and the reduced protein set 3.2 (c) (see Methods). Further details are given in Supplementary Data, Table 5.

이 중에서 MAP의 경우는 Met 다음의 아미노산이 어떤 것이 오는가에 따라 활성에 제약을 받습니다. 일반적으로 반경이 1.29 A(옹스트롬)보다 작으면 박테리아, 아키아, 유캐리아 MAP이 인식 가능하고 메치오닌을 제거합니다. 아래는 대장균 MAP의 아미노산에 따른 기질특이성입니다.  

일반적으로 Eukaria에서 나타나는 N-terminal myristoylation의 경우는 N-말단의 Gly잔기에 일어나는데 이 경우에는 보통 Met 다음 잔기가  Gly이고 MAP에 의해 Met이 제거된 다음에 myristoylation이 일어납니다. MAP과 myristoylation모두 co-translational modification이라고 볼 수 있습니다.

관련링크

1. 대장균에서의 NME 현상; J Mol Biol. 1963 Nov;62:483-96
2. 효모에서의 MAP 활성; J Biol Chem. 1985 May 10;260(9):5382-91
3. 대장균에서의 MAP 활성; J Bacteriol. 1987 Feb;169(2):751-7
4. Archaea에서 N-terminal acetylation; J Mol Biol. 2006 Oct 6;362(5):915-924
5. NME review; Cell Mol Life Sci. 2004 Jun;61(12):1455-74
6. MAP review; FEMS Microbiol Rev. 1996 Jul;18(4):319-44

단백질 의약품 시장, 1g에 67만달러?

오늘 조선일보에 실린 "차세대 성장동력을 찾아라 <4> 단백질 의약품"은 흥미로운 기사입니다. 제 은사 중의 한 분이 나오시기도 했지만 그것보다 단백질 의약품에 대한 좋은 소개 기사라고 할 수 있습니다. 기사의 내용을 잠깐 인용하면,

단백질 의약품 시장은 생명공학 분야에서 대표적인 유망 사업이다. 골드만삭스에 따르면 2000년 출시예정 의약품 중 단백질 의약품의 비중은 25%에 불과했지만, 올해는 62%로 급증했다.

빈혈치료제로 쓰이는 단백질 이피오(EPO)는 1g당 가격이 금값의 수십만 배인 67만 달러를 호가한다.

단백질 의약품은 첫 제품이 1982년에 나왔을 정도로 시장은 아직 초창기이다. 우리나라는 원천기술인 생명과학 분야에서 크게 뒤지지 않고, 생산기술인 미생물발효 분야는 세계적 수준을 갖추고 있다.

대웅제약은 2001년 우리나라 단백질 신약 1호인 이지에프(EGF)를 발매했다. 인체에서 상처를 아물게 하는 단백질인 EGF를 치료제로 처음 만든 것으로, 2005년 요르단 수출을 시작으로 올해부터 중동과 동남아시아 지역에 본격적으로 진출할 계획이다. 바이오기업 제넥셀세인, 랩프런티어도 신약후보 단백질들을 잇따라 찾아냈다.

녹십자는 환자의 혈액으로 만들던 B형간염백신을 미생물 발효법으로 생산하는 데 성공, 연간 매출 500억원이 넘는 주요 제품으로 성장시켰다. LG생명과학은 세계 최초로 주 1회 주사만으로 약효가 지속되는 인간성장호르몬을 개발, 오는 28일 국내에서 발매를 시작한다.

대웅제약의 박승국 박사팀이 개발한 EGF는 유명한 일화가 있는 제품입니다. EGF도 1그램당 20만불하는 고가의 의약품입니다. 좀 더 자세한 내용은생명공학정책연구센터의 대웅제약 EGF 소개를 보시면 좋겠습니다.

이런 단백질을 생산하는 기술은 대게 단백질 발현, 배양, 정제 기술이 필요한데 가장 중요한 것은 발현 방법입니다. 일반적으로 실험실에서는 석사과정 학생들도 쉽게 하는 pET system을 이용한 대장균 발현법이 많이 알려져 있으나 사실 실제로 발현되는 단백질은 일부에 불과합니다. 게다가 사람과 같은 진핵생물 단백질의 발현은 더욱 어렵습니다. 왜냐하면 사람의 단백질은 단순한 transcription, translation 뿐만이 아니라 post-translational modification을 통해 당과 결합하거나(glycosylation), 인산기와 결합하거나 (phophorylation) 등등의 다양한 변화가 일어나기 때문입니다. 그리고 그런 modification은 단백질의 기능에 중요한 역할을 하는 경우가 많습니다.

이렇게 단백질이 중요한데도 불구하고 한가지 아쉬운 점은 국내에 단백질 화학 (protein chemistry)를 연구하는 학자들이 상당히 적습니다. 물론 단백질은 누구나 다 합니다. 유전자도 마찬가지구요. 하지만 protein science나 protein chemistry를 하시는 분은 생각보다 많지 않습니다. 굴지의 저널에 논문 내시는 분들은 많아도 proteins나 biochemistry와 같은 strong한 단백질 연구 저널에는 한국인들의 논문이 적습니다. 물론 여러가지 이유가 있겠지만 (한국은 소위 impact factor라는 것을 많이 따지는데 이 저널들은 그런 면에서 불리합니다.) 조금 더 기초적인 부분에 있어서도 신경을 쓰면 어떨까하는 생각을 하곤 합니다. EPR이나 CD 같은 기법을 이용한 단백질의 물리화학적 연구들도 볼 수 있었으면 좋겠구요.