혁신적인 효소 설계, 파킨슨병과 암 등 난치성 단백질 질환의 새로운 치료법의 문을 열다
오늘날 생명과학의 큰 난제 중 하나는 불안정한 구조를 지닌 단백질을 표적으로 삼아 치료법을 개발하는 것입니다. 이러한 단백질은 특히 암과 같은 치명적인 질환 및 파킨슨병과 같은 신경퇴행성 질환에 관여하고 있어 과학자들에게 큰 도전으로 남아있었습니다. 그러나 이제 스크립스 연구소의 연구진이 새로운 연구를 통해 이 도전을 돌파할 수 있는 방법을 제시했습니다. 바로 특정 부위의 단백질을 절단하는 효소, 즉 프로테이스를 설계하여 인간 세포의 단백질군 내에서 이 같은 특이한 표적을 정확하게 제거할 수 있도록 하는 접근법입니다.
혁신적인 프로테이스 재설계의 출발점
이번 연구는 2025년 3월 24일 ‘미국 국립과학원회보’에 발표되었습니다. 연구진은 보툴리눔 독소에서 유래한 프로테이스를 α-시누클레인이라는 모델 단백질을 표적으로 삼도록 재설계했습니다. α-시누클레인은 파킨슨병에서 중추적인 역할을 담당하는 단백질로, 일반적인 약물 치료에서 표적이 되기 어려운 '고유질환성 단백질'로 알려져 있습니다. 이처럼 기존의 치료제가 이를 표적으로 삼는 것이 어려웠던 이유는 이 단백질이 명확한 구조를 가지고 있지 않기 때문입니다.
새롭게 설계된 프로테이스 5
연구팀이 목표로 삼은 것은 보툴리눔 독소의 기본적인 성질을 활용하는 것이었습니다. 이 독소는 주로 신경간 신호 전달에 필요한 SNAP-25 단백질만을 공격하는 특성을 지니며, 그로 인해 보톡스 치료의 일시적인 마비 효과가 발생합니다. 연구진은 이런 강점을 α-시누클레인에 응용할 수 있도록 프로테이스를 변형했습니다. 그 결과로 개발된 것이 바로 프로테이스 5입니다. 이 과정에서는 '지향적 진화'라는 실험적 기법을 사용하여 효소에 돌연변이를 도입하고, 기능이 향상된 변종을 선택하는 여러 사이클을 거쳤습니다. 이 과정에서 가장 큰 과제는 α-시누클레인만을 정확하게 표적으로 삼으면서도 다른 단백질을 자르지 않고 해로운 독성을 유발하지 않는 것이었습니다.
연구의 의미와 미래 방향
연구의 주요 성과 중 하나는 인간 세포에서 실험한 결과, 프로테이스 5가 α-시누클레인 단백질을 거의 모두 제거함으로써 파킨슨병의 유해한 축적을 방지할 수 있다는 점입니다. 이와 동시에 α-시누클레인만을 정확히 타겟팅하도록 설계하여 세포의 필수적인 기능을 방해하거나 독성을 유발하지 않았다는 점도 눈여겨볼 만합니다.
다만 이번 연구는 아직 초기 단계, '개념 증명' 연구이며, 실제 치료제로 발전시키기 위한 난제들이 존재합니다. 특히, 뇌로 프로테이스 5를 전달하는 방법과 면역 반응을 일으키지 않도록 하는 부분이 과제로 남아 있습니다. 그러나 보툴리눔 독소는 본래 신경세포로 침투하는 능력을 가지고 있으며, 보톡스 치료에서 면역 반응을 거의 일으키지 않는 특성 덕분에 안전한 치료 효소의 출발점으로써 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 다양한 단백질 질환을 대상으로 이 방법론을 적용해 치료 전략을 다각화할 계획이 설계 중에 있습니다.
이 연구는 스위스 국립과학기구 및 미국 국립보건원으로부터 지원받았습니다. 스크립스 연구소의 피트 슐츠 대표는 "이것은 단지 시작일 뿐입니다. 단백질로 인한 다양한 질병을 타겟으로 하는 고도로 선택적인 프로테이스 기반 치료제를 개발하여 폭넓은 치료 플랫폼을 만드는 것이 목표"라고 강조했습니다.
결론
이번 스크립스 연구소의 연구는 지금까지 치료가 어려웠던 단백질 질환에 대한 새로운 접근법을 열었습니다. 생명과학 분야에서 프로테이스의 활용 가능성을 크게 확장시킨 이 연구는, 미래의 신약 개발과 질병 치료 전략에 혁신적인 길을 제시할 것으로 기대됩니다. 연구자들은 앞으로도 지속적인 실험과 연구를 통해 더 많은 질환을 대상으로 하는 효과적인 치료제를 개발하는 데 주력할 것입니다.
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