단백질은 단독으로 작용하는 경우는 거의 없고, 다양한 세포 기능을 수행하기 위해 상호 작용합니다.
이러한 단백질 간 상호 작용을 연구하는 것은 광범위한 생물학적 과정에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다.
단백질 상호 작용의 중요성
단백질은 세포에서 대부분의 생물학적 과정을 촉진합니다. 여기에는 유전자 발현, 세포 성장, 증식, 영양소 흡수, 형태, 운동성, 세포 간 통신 및 세포자멸사가 포함됩니다.
단백질 발현은 다양한 자극에 반응하는 역동적인 과정입니다. 특정 단백질은 특정 작업에 대해 항상 발현되거나 활성화되지 않을 수 있습니다. 세포는 또한 단백질 발현이 다양하기 때문에 적절한 생물학적 맥락에서 단백질 기능을 연구하는 것이 복잡해질 수 있습니다. 그러나 신중한 조사와 분석을 통해 이러한 문제를 극복할 수 있습니다.
1990년대 후반 이전에 단백질 기능 분석은 주로 개별 단백질에 초점을 맞추었습니다. 그러나 대부분의 단백질은 다른 단백질과 상호 작용해야 하기 때문에 상호 작용하는 파트너의 맥락에서 연구해야 합니다. 인간 게놈 공개와 단백질 유전 정보학의 발달로 인해 단백질 상호 작용을 이해하고, 세포 내에서의 기능을 이해하기 위해 생물학적 네트워크를 식별하는 것이 필수가 되었습니다.
다양한 유형의 단백질 상호 작용
단백질 상호 작용의 중요한 유형은 다음과 같습니다.
- 단백질-리간드 상호 작용
- 단백질-DNA 상호 작용
- 단백질 간 상호 작용(PPI)
단백질 간 상호 작용에서 단백질은 상호 작용하여 세포에서 특정 기능을 수행합니다.
단백질 간 상호 작용을 연구하는 이유
거의 모든 생물학적 과정이 하나 이상의 PPI를 포함하기 때문에 이러한 상호 작용을 연구하면 다음과 같은 프로세스 내에서 분자 메커니즘 상호 작용을 이해하는 데 도움이 됩니다.
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- 세포 신호 전달
- 세포 성장, 분화 및 세포자멸사와 같은 많은 생물학적 과정은 단백질 간 상호 작용을 포함하는 복잡한 신호 전달 네트워크에 의해 조절됩니다. 이러한 상호 작용을 연구함으로써 연구자들은 암과 같은 질병과 관련된 신호 경로를 이해하고 이러한 경로를 방해하거나 조절하는 표적 치료법을 개발할 수 있습니다.
- 효소 활성
- 효소는 종종 다른 단백질과의 복합체에서 기능하는데, 여기서 단백질 간 상호 작용은 촉매 작용에 필수적입니다. 이러한 상호작용을 이해하면 효소 조절, 기질 특이성, 대사 경로를 밝혀 신약 개발과 대사 공학에 도움이 될 수 있습니다.
- 유전자 조절
- 전사 인자와 조절 단백질은 종종 유전자 발현을 제어하기 위해 복합체를 형성합니다. 유전자 조절과 관련된 단백질 간 상호 작용을 연구하면 전사 제어의 핵심 요소를 밝힐 수 있으며 당뇨병 및 신경 퇴행성 질환과 같은 조절 불가능한 유전자 발현과 관련된 질병에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
- 단백질 이동 및 국소화
- 단백질과 단백질의 상호 작용은 세포 내 단백질의 세포 내 이동과 국소화에 영향을 미칩니다. 이러한 상호 작용을 해독함으로써 연구자들은 세포 항상성 및 기능에 중요한 세포 소기관 표적, 소포 수송 및 단백질 분류의 기저에 있는 메커니즘을 밝혀낼 수 있습니다.
- 구조 생물학
- 단백질 간 상호 작용은 특정 구조와 기능을 가진 고분자 복합체의 조립에 기여합니다. X선 결정학 및 극저온 전자 현미경과 같은 기법을 사용하여 이러한 복합체의 구조를 결정할 수 있습니다. 이러한 분석은 행동 메커니즘에 대한 원자 수준의 통찰력을 제공하고 합리적인 약물 설계를 지원합니다.
- 질병 메커니즘
- 단백질 간 상호 작용의 오작동은 신경퇴행성 질환, 자가면역 질환, 감염성 질환 등 수많은 질병과 관련이 있습니다. 이러한 상호 작용을 연구함으로써 연구자들은 잠재적인 치료 목표를 식별하고 유해한 상호 작용을 방해하거나 유익한 상호 작용을 안정시키는 약물을 개발할 수 있습니다.
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단백질 간 상호 작용을 측정하는 방법
단백질 간 상호 작용은 몇 가지 실험 기법으로 연구할 수 있으며, 각각 고유한 장점과 한계가 있습니다. 이러한 연구가 제공하는 통찰력은 선택한 분석 방법에 따라 달라집니다.
가장 널리 사용되는 PPI 분석 방법 중 일부(전부는 아님)는 다음과 같습니다.
| 방법 | 설명 | Malvern Panalytical 기기 |
|---|---|---|
| 핵자기 공명(NMR) 분광법 | NMR 분광법은 원자 수준의 구조 정보를 제공하여 결합 시 단백질 형태 변화에 대한 세부 정보를 제공합니다. | -- |
| 탠덤 친화도 정제-질량 분광법(TAP-MS) | TAP는 질량분광계(MS)에서 실행하여 단백질 간 상호 작용을 매핑할 수 있는 정제된 단백질 복합체를 제공합니다. | -- |
| 도파관 간섭법(GCI) | 이 무표지 실시간 표면 기반 기술을 통해 연구자들은 동역학 속도를 빠르고 정확하게 측정하고, 친화도를 계산하고, 생체유체와 같은 원액 샘플에서 존재비가 낮은 상호 작용 분석물의 농도도 모니터링할 수 있습니다. | |
| 표면 플라스몬 공명(SPR) | SPR을 사용하면 센서 칩 표면에서 단백질 상호 작용을 실시간으로 모니터링하여 결합 동역학 및 친화도를 정밀하게 측정할 수 있습니다. SPR은 비교적 적은 양의 물질을 사용하는 무표지 기법입니다. 이를 통해 단백질 상호 작용의 정밀하고 정확한 분석을 수행할 수 있습니다. | -- |
| 등온 적정 열량측정법(ITC) | ITC는 결합 이벤트 중에 방출되거나 흡수된 열을 측정하여 상호 작용 메커니즘을 이해하는 데 중요한 열역학 정보를 제공합니다. | |
| 유사 기술: | ||
| 시차 주사 열량측정법(DSC) | DSC는 안정성 연구, 생물학적 유사성 평가 및 배치 간 비교 평가에 유용한 단백질의 열 안정성을 측정합니다. DSC는 일정한 속도로 가열될 때 분자 변성의 열 변화를 모니터링하여 열 안정성을 측정합니다. | |
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전기 영동 광 산란(ELS)
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ELS는 입자 이동성과 전하를 측정합니다. DLS는 나노미터 미만에서 직경 몇 마이크로미터에 이르는 분산 시스템의 입자 크기를 측정합니다. 이러한 기법을 결합하면 단백질 간 상호 작용에 대한 보다 포괄적인 개요를 얻을 수 있어 특정 분자 상호 작용을 목표로 하는 개입 방법을 개발하는 데 유용합니다. | |
Malvern Panalytical 기기를 사용하여 측정한 단백질 간 상호 작용의 예
Malvern Panalytical 기기는 PPI를 분석하는 여러 연구에 사용되었습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
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- 식물 막 수용체 키나아제
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WAVEsystem을 사용한 도파관 간섭법(Grating-coupled interferometry, GCI)을 사용하여 여러 식물 수용체와 리간드 사이의 결합 및 공동 수용체(coreceptor, SERK3)의 역할을 조사했습니다. 개별 수용체가 각각의 리간드에 대해 상당히 다른 결합 친화성을 갖는 경우, SERK3 엑토도메인은 유사한 결합 동역학을 갖는 리간드 관련 수용체와 결합합니다.
- 사이토킨과 그 모방 물질
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WAVEsystem을 사용한 GCI를 사용하여 합성하여 생성한 세포 표면 수용체의 '수용체 모방 물질'과의 상호 작용을 분석했습니다. 이러한 수용체는 약물 표적으로 자주 사용됩니다.
- 전압 의존성 칼슘 채널(Cav) 상호 작용
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MicroCal의 등온 적정 열량측정법(ITC)은 단백질의 중추를 변화시키면 전압 의존성 칼슘 채널에서 단백질 간 상호 작용이 변화할 수 있음을 입증했습니다.
- 단백질 간 상호 작용의 펩타이드 기반 억제제(ITC)
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이 백서에서는 ITC를 다른 기법과 함께 사용하여 단백질 간 상호 작용을 억제하는 제한 펩타이드의 특성을 조사하는 방법을 검토했습니다.
