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Protein Homeostasis and Drug Discovery Laboratory

  • 작성자

    관리자
  • 작성일자

    2020-11-18
  • 조회수

    1173

Protein Homeostasis and Drug Discovery Laboratory

이병훈
DGIST 뉴바이올로지

연구실 소개

생체 내에서 끊임없는 생성과 소멸을 거듭하면서 형성되는 단백질 밸런스는 ‘단백질 항상성(protein homeostasis)’을 이루며, 이는 ‘세포내 단백질 네트워크 체계에서 유지되는 단백질 평형과 이를 통한 최적의 생물학적 기능’이라고도 정의할 수 있습니다. 이러한 단백질 항상성을 통해 유지되는 세포 항상성이 개체의 건강과 질병 제어에 있어서 필수적 임은 자명합니다. 실제로 단백질 항상성의 저해는 신경퇴행성질환 및 암 질환을 포함하는 많은 인간 질병들과 병리적으로 밀접하게 연관되어 있습니다. 세포 내 단백질 항상성 유지를 위해서는 단백질분해(proteolysis) 조절 기전이 중요하며, 특히 유비퀴틴-프로테오좀 시스템(ubiquitin-proteasome system, UPS)은 이에 대한 핵심적인 단백질 퀄리티 조절 기전으로서 기능하고 있습니다. ‘단백질 항상성 및 신약개발 연구실(Protein Homeostasis and Drug Discovery Lab)’은 단백질분해 조절 효소들에 의해 생체 내에서 단백질 항상성이 어떻게 유지되는가에 대한 근본적 이해와 더불어 단백질 항상성을 유지하기 위해 우리가 어떻게 생체 시스템을 전략적으로 조절할 수 있을지에 대하여 연구하고 있습니다. 본 연구실은 단백질분해 조절 효소들인 프로테오좀(proteasome), 탈유비퀴틴화 효소(deubiquitinating enzyme) 등에 대한 세포생물학적, 생화학적, 화학적 연구와 이들을 다양한 인간 질병에 대한 신약타겟으로 검증하고 신약 스크리닝도 진행하는 것을 목표로 하고 있습니다. 또한 최근에는 각종 질병모델에서 기존에 제어하기 어려웠던 ‘undruggable’ 타겟들을 단백질분해 유도(induced proteolysis) 방식을 통해 효과적으로 제거함으로써 난치성 질환을 극복할 수 있는 새로운 전략과 방법들을 개발하고 있습니다.

연구내용

1. 인간 질병에 밀접하게 연관되어 있는 프로테오좀 인자와 탈유비퀴틴화 효소의 스크리닝 및 프로파일링

인간 단백질체에는 약 100 개의 deubiquitinating enzyme 들이 알려져 있으며, 단백질분해 경로에서 이 효소들은 중요한 분해 조절인자로서 기능할 것으로 여겨집니다. 본 연구실은 proteasome 상에서 그리고 proteasome 에 도달하기 이전 단계(upstream)에서 유비퀴틴화를 가역적으로 조절하는 deubiquitinating enzyme 들에 대한 다양한 연구들을 진행하고 있습니다. Deubiquitinating enzyme의 중요한 기능 중 하나는 탈유비퀴틴화 작용을 통해 원칙적으로 단백질 기질 분해를 억제할 수 있다는 점에서 단백질분해 경로의 중요한 체크포인트(check point)로써 작용할 것으로 생각하고 있습니다(그림 1). 이외에도 deubiquitinating enzyme은 유비퀴틴 절단을 통해 유비퀴틴 풀(pool)을 유지함으로써 유비퀴틴 항상성을 조절하거나, 비분해성(non-proteolytic) 유비퀴틴화에 의한 시그널링 스캐폴드(scaffold)를 제어하는 등의 전반적인 단백질 항상성, 시그널링 항상성을 위한 필수적인 역할을 수행하고 있습니다(그림 1). 우리 실험실은 인간 질병, 노화와 같은 병리 현상에 중대하게 관여하는 deubiquitinating enzyme 들을 동정하고 약물 타겟으로 발굴하기 위한 일련의 실험 방법들을 개발하고 있습니다. 질병 특이적으로 과발현하거나 과활성화 된 deubiquitinating enzyme들을 프로파일링 할 수 있는 화학적 툴(tool)을 개발하거나, 화학유전체학, 기능유전체학, 단백체학적인 실험법과 스크리닝을 통해 병리 현상에 특이적으로 관여하는 deubiquitinating enzyme 들을 새롭게 동정하고자 합니다.

 

그림 1. Ubiquitin-proteasome system (UPS)에서 deubiquitinating enzyme (DUB) 의 체크포인트로서의 역할과 DUB inhibitor 를 통한 단백질분해 유도 효과 (왼쪽). 세포 내 DUB의 다양한 기능들 (오른쪽).

2. 질병 단백질을 분해하기 위한 탈유비퀴틴화 효소 화합물 저해제 스크리닝 기법 및 약물 개발

특정 질병 단백질의 분해를 억제하는 deubiquitinating enzyme 들을 동정할 수 있다면 이는 유망한 약물 저해제 타겟으로 고려할 수 있습니다. 우리 실험실은 이전 연구에서 proteasome 상에서 단백질분해 제어 인자로 작용하는 deubiquitinating enzyme인 USP14에 대한 high-throughput 화합물 저해제 스크리닝 방법을 개발하고 실제로 성공적으로 수행한 경험이 있습니다(그림 2). 스크리닝을 통해 발굴한 IU1, IU2 등의 화합물 저해제는 proteasome의 활성을 높이고 일부 독성단백질 기질의 분해를 촉진시키는 효과를 보였습니다. 본 연구실은 이러한 스크리닝 노하우와 플랫폼을 바탕으로 다양한 질병 단백질 분해 제어에 관여하는 다른 deubiquitinating enzyme에 대해서도 화합물 스크리닝을 통해 약물 후보 물질들을 발굴하고자 합니다. 궁극적으로는 이러한 화합물들을 이용하여 인간 질병을 치료할 수 있는 실제 신약으로 개발할 가능성에 대한 중개연구도 수행하고자 합니다.

그림 2. DUB inhibitor 발굴을 위한 high-throughput 화합물 스크리닝 모식도

3. 프로테오좀과 탈유비퀴틴화 작용 다이나믹스를 통한 단백질분해 다양성 연구

세포 내 주요 단백질분해 효소 복합체인 proteasome은 단백질 퀄리티 컨트롤, 다양한 세포 생리와 신호전달 조절을 포함하는 필수적인 기능들을 담당하고 있습니다. 26S proteasome holoenzyme은 단백질기질을 직접 분해하는 촉매성 core particle (CP)과 이러한 과정을 섬세하게 조율하는 regulatory particle (RP)로 크게 구성되어 있으며, RP의 경우 유비퀴틴 결합체(ubiquitin conjugate) 인지(binding), 기질 풀림(unfolding) 및 전달(translocation), 탈유비퀴틴화 작용(deubiquitination) 등의 다양한 기능들을 수행하고 있습니다. 최근 Cryo-EM 기술을 이용한 proteasome 복합체들의 고해상도 구조들이 알려지면서 proteasome이 다양한 상태(state)로 존재함이 밝혀지고 있으며, 이 단백질분해 효소체의 근본적인 이해를 위한 중요한 단서들을 제공하고 있습니다(그림 3). 하지만 정확히 언제, 어떻게 단백질기질이 proteasome에 의해 인지되어 최종적으로 분해되는지에 대한 턴오버 동역학(turnover kinetics)은 여전히 불분명한 채로 남아 있는 상황입니다. 우리 실험실은 proteasome 상에 존재하는 서로 다른 세 종류의 deubiquitinating enzyme이 proteasome에 의한 단백질분해에 다양성(versatility)과 다이나믹스(dynamics)를 부여할 것으로 생각합니다. 본 연구실은 deubiquitinating enzyme 들이 어떻게 복잡한 유비퀴틴 결합체를 해독(decoding)하고, 이를 통해 단백질분해를 섬세하게 조율할 수 있을지에 대한 다양한 연구들을 진행하고 있습니다. 이러한 연구를 통해 새로운 deubiquitination biology가 발견될 수 있을 것으로 기대합니다.

그림 3. 서로 다른 deubiquitinating enzyme 작용과 proteasome 상태에 따른 단백질분해 다이나믹스와 다양성

4. 질병 관련 undruggable 타겟의 효과적인 제거를 위한 새로운 분해 유도 기법 및 분해 유도 화합물 개발

본 연구실은 기존의 전통적인 약물 타겟팅 방법으로 제어하기 어려웠던 undruggable 혹은 challenging타겟을 단백질분해 효소를 이용해 효과적으로 제거하고자 합니다. 이러한 단백질분해 유도(induced proteolysis) 효과를 통해 암과 같은 많은 난치성 질환에서 제어하기 어려웠던 병인성 분자와 undruggable타겟을 분해를 통해 극복할 수 있는 새로운 전략과 화합물들을 개발하고 있습니다.

연구책임자

이병훈 교수
주소: 대구광역시 달성군 현풍읍 테크노중앙대로 333
DGIST 뉴바이올로지
전화: 053-785-1730

E-mail: byung-hoon_lee@dgist.ac.kr
Homepage: http://proteolysis.dgist.ac.kr

연구실 구성

연구원: Srinivasan Muniyappan, 신재경, 박현정, 이다원
박사 과정: Tran Non Nuoc
석박사 통합과정: 문성현
석사 과정: 신지영
석박사 통합 입학 예정: 강우준

대표논문

1. Shin JY, Muniyappan S, Tran NN, Park H, Lee SB, and Lee BH (2020) Deubiquitination Reactions on the Proteasome for Proteasome Versatility. Int. J. Mol. Sci. 21(15):E5312.
2. Muniyappan S and Lee BH (2019) In vitro analysis of proteasome-associated USP14 activity for substrate degradation and deubiquitylation. Methods Enzymol. 619:249-268.
3. Moon S and Lee BH (2018) Chemically induced cellular proteolysis: an emerging therapeutic strategy for undruggable targets. Mol. Cells 41(11):933-942.
4. Boselli M*, Lee BH*, Robert J et al., (2017) An inhibitor of the proteasomal deubiquitinating enzyme USP14 induces elimination of phosphorylated tau in cultured neurons. J. Biol. Chem. 292(47):19209-19225 (* Co-first authors).
5. Lee BH#, Lu Y, Prado MA, Shi Y, Sun S, Elsasser S, Gygi SP, King RW#, and Finley D# (2016) USP14 deubiquitinates proteasome-bound substrates that are ubiquitinated at multiple sites. Nature 532(7599):398-401 (# Co-corresponding authors).
6. Lu Y, Lee BH, King RW, Finley D, and Kirschner M (2015) Substrate degradation by the proteasome: a single-molecule kinetic analysis. Science 348(6231):1250834.
7. Lee BH, Finley D, and King RW (2012) A High-Throughput Screening Method for Identification of Inhibitors of the Deubiquitinating Enzyme USP14. Curr. Protoc. Chem. Biol. 4:311-330, John Wiley & Sons, Inc.
8. Lee BH*, Lee MJ*, Park S, Oh DC, Elsasser S, Chen PC, Gartner C, Dimova N, Hanna J, Gygi SP, Wilson SM, King RW, and Finley D (2010) Enhancement of proteasome activity by a small-molecule inhibitor of USP14. Nature 467:179-184 (* Co-first authors).

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