쿠커비투릴[n]을 이용한 단백질-단백질 상호작용 조절방법과 그 응용

Abstract

단백질 사이의 상호작용은 선택성을 기반으로 하는 특성때문에, 생물학적 기능과 밀접한 연관성을 가지고 있다. 단백질 상호작용은 결합상수에 따라 상시적 및 일시적 상호작용으로 구분할 수 있는데, 상시적 상호작용은 높은 결합상수를 가져(Ka > 109) 역반응이 일어나기 어려운 반면, 일시적 상호작용은 그 보다 낮은 결합상수를 가지고 (Ka ~ 106 을 기준으로) 초 단위로 복합체를 유지한다. 아밀로이드 섬유화 현상은 특수한 단백질-단백질 상호작용 중 하나로서, 에너지적으로 매우 우세한 반응이며, 동시에 핵 형성을 통한 자가-촉매적인 반응으로 인해 시간에 따라 축적되는 성질을 지니고 있다. 알츠하이머 병은, 단백질들이 섬유형태의 침전물을 만드는 것을 특징으로하는 아밀로이드성 질환의 일종으로, WHO의 보고에 따르면, 치매 환자는 현재 35.6 백 만명 정도이며, 환자 수는 2030년에는 그 두 배로, 2050년까지는 세 배로 증가할 것이라 전망하고 있다. 이 외에도 파킨슨병, 광우병, 및 2형 당뇨 등 아밀로이드성 질환의 대표적인 예시이다. 이러한 중요성에도 불구하고, 현재 아밀로이드성 질환에 대해 상용화된 약물은 전무한 실정이다. 에너지적으로 우세한 반응의 특성에 더해 많은 아밀로이드성 단백질은 체내와 동등한 조건에서 특정한 2차 및 3차구조를 갖지 못하는 비정형적 구조의 특성을 갖고 있다. 이는 일반적인 약물개발 방법인 자물쇠-열쇠 컨셉을 기반으로 하여 열역학적인 우세를 점하는 리간드를 개발하기 어렵게 만든다. 따라서 섬유화를 저해하기 위한 새로운 방법론이 필요하며, 본 논문에서는 그 접근법의 하나로서 거대분자를 이용한 아밀로이드 단백질 사이의 상호작용을 저해하는 방법을 제시하고자 한다. 본 논문에서 거대분자의 종류 중 하나인 쿠커비투릴[n]을 이용하여, 먼저 1) 아미노산 잔기와 인슐린 및 인슐린 변형체와 쿠커비투릴[n] 사이의 상호작용을 연구하고 이 특성을 파악한 뒤, 2) 인슐린과 3) 아밀로이드의 섬유화 반응을 쿠커비투릴[n]이 저해하는 기작에 대해 자세히 논하고자 한다. 쿠커비투릴 [n] 의 결합에 의한 에너지적 이득에 더해, 쿠커비투릴[n]이 단백질보다 복합체를 이루는 속도가 빠른 것을 이용한 속도론적 측면에서의 접근을 이용하는 전략을 제시함으로서, 아밀로이드성 섬유화를 저해하기 위한 새로운 전략을 제시하는데서 그 의의를 가진다.

As the increase in life expectancy has become the worldide phenomena, riak of degenerative diseases has increased. According to the World Health Organization report, patients with dementia are currently estimated at 35.6 million, and this number will double by 2030 and more than triple by 2050. The most common form of dementia is Alzheimer’s disease, which is characterized by amyloidosis. Amyloidosis is a group of diseases associated with fibril-like aggregate formation, such as Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, spongiform encephalopathy, and type II diabetes. However, there is no commercial drug available on the market for treating amyloidosis. Amyloid fibrillation is an energetically highly favored process, and fibers are condensed over time because of the self-catalytic characteristic of aggregates. Furthermore, many amyloidogenic proteins have intrinsically disordered and fluctuating structures under physiological conditions. The structural instability also impedes the conventional “lock and key” approach in drug development. In this thesis, a new inhibitory strategy for the amyloid protein fibrillation is suggested, based on the fundamental understanding of protein-protein interaction and the modulation of the interaction with a supramolecule, cucurbit[n]uril. This thesis focuses on 1) fundamental understanding of binding property of cucurbit[n]urils (CB[n], n = 6 and 7) to amino acid residues and 2) monitoring the inhibitory effect of CB[n] for human insulin fibrillation and discussing the inhibition mechanism based on the structural, thermodynamic and kinetic characteristics. 3) The method is further expanded to inhibition of beta-amyloid fibrillation using CB[7] and explanation of the mechanism.