당질지질 관문 효소 UGCG, 영장류 특이 조절 기전 규명

당질지질 합성의 '관문 효소'로 불리는 UGCG가 두 종류의 서로 다른 기질을 어떻게 한곳에서 만나게 하는지, 그리고 영장류에서만 나타나는 독특한 조절 기전이 무엇인지가 처음으로 구조 수준에서 밝혀졌다.

28일 국제 학술지 네이처(Nature)에 따르면 쉬화창·장이·우찬룽 교수 연구팀은 '영장류 특이적인 인간 당질지질 관문 효소 UGCG의 조절'이라는 제목의 논문을 통해 이 같은 연구 결과를 발표했다.

이번 논문은 쉬화창 교수팀이 올해 발표한 세 번째 네이처 연구 논문이다.

당질지질(glycosphingolipids, GSLs)은 진핵세포 막을 구성하는 중요하고도 매우 다양한 지질 분자다. 신경아미드(ceramide)를 소수성 골격으로 삼아 여러 당기를 단계적으로 붙이고 늘리고 변형하면서 세포는 수백 종의 구조가 다른 당질지질을 만들어 낸다.

이 분자들은 세포막의 주요 구성 성분일 뿐 아니라 막 미세영역 조직화, 세포 인식과 부착, 수용체 신호 전달, 면역과 신경계 기능에 폭넓게 관여한다. 당질지질 대사 이상은 리소좀 축적병, 신경계 질환, 대사 질환, 종양 등 여러 인간 질환과 밀접하게 연관돼 있다.

당질지질은 구조와 기능이 매우 풍부하지만, 그 생합성은 하나의 핵심 출발점을 공유한다. 골지체 막에 자리한 UDP-글루코스 세라마이드 글루코실전이효소(UGCG)가 글루코스를 UDP-글루코스에서 세라마이드로 옮겨 글루코실세라마이드(GlcCer)를 만드는 것이다.

GlcCer는 이후 추가로 당화되고 변형돼 락토실세라마이드, 강글리오사이드 등 복잡한 당질지질로 이어진다. 따라서 UGCG는 세라마이드가 복잡한 당질지질 합성망으로 들어갈지를 통제하는, 당질지질 생합성의 핵심 '관문 효소'로 여겨진다.

UGCG는 임상적으로도 중요한 약물 표적이다. UGCG를 억제해 GlcCer와 그 하위 당질지질 생성을 줄이는 방식은 일부 당질지질 축적 질환의 중요한 치료 전략으로 자리 잡았다.

그러나 이처럼 뛰어난 생리·약리적 중요성에 비해 가장 기본적인 분자 기전은 오랫동안 구조적 설명이 부족했다. UGCG가 세포질에 있는 수용성 UDP-글루코스와 지질 이중층에 박힌 소수성 세라마이드를 어떻게 동시에 인식하는지, 당기 전이 반응이 막과 물의 경계에서 어떻게 일어나는지, 막 지질 환경이 UGCG 활성을 조절하는지, 기존 UGCG 억제제는 각각 어떤 기전으로 이 과정을 막는지가 풀리지 않은 질문이었다.

연구팀은 냉동전자현미경, 정량 효소학, 구조 지향 돌연변이, 약리학 분석, 분자동역학 시뮬레이션 등을 활용해 전장 인간 UGCG의 여러 기능 상태에 대한 고해상도 구조를 얻었다. 이를 통해 UGCG가 두 기질을 인식하고 당기 전이를 촉매하며 막 지질을 감지하고 서로 다른 유형의 억제제와 결합하는 분자 기반을 체계적으로 밝혔다.

UGCG가 촉매하는 반응에는 특별한 공간적 난제가 있다. 당기 공여체인 UDP-글루코스는 세포질 쪽에서 오는 수용성 분자인 반면, 다른 기질인 세라마이드는 긴 소수성 지방 사슬을 지녀 주로 지질 이중층 안에 존재한다. UGCG는 따라서 수상과 막상에서 동시에 기질을 얻어 둘을 정확히 같은 촉매 중심에 위치시켜야 한다.

연구팀이 해석한 전장 UGCG 구조에 따르면 UGCG는 여러 개의 막관통 나선으로 막에 고정되고, 촉매 영역은 세포질과 막의 경계에 자리한다. 이 독특한 구조 배치 덕분에 UGCG는 성질이 다르지만 서로 모이는 두 갈래의 기질 경로를 형성한다. UDP-글루코스는 세포질 쪽에서 친수성 당뉴클레오타이드 결합 영역으로 들어오고, 세라마이드는 지질 이중층에서 옆으로 막과 연결된 소수성 통로로 진입하는 것이다.

두 기질 경로는 결국 UGCG 촉매 중심에서 만난다. 이 구조 모델은 UGCG가 단순히 용액에서 두 기질을 잡아오는 것이 아니라, 자신의 막관통 구조를 이용해 세포질의 당기 공여체와 막 속의 지질 수용체를 공간적으로 연결함으로써 막과 물의 경계에서 당기 전이를 완성한다는 점을 보여준다.

연구팀은 사슬 길이가 다른 세라마이드를 비교한 결과 UGCG가 지질 기질에 따라 다른 반응 특성을 보인다는 점도 확인했다. 이는 세라마이드가 막 쪽 통로를 통해 촉매 중심에 접근한다는 모델을 뒷받침한다.

기질 진입 경로를 밝힌 데 이어 연구팀은 UGCG가 당기 전이를 수행하는 화학 기전도 규명했다. 구조상 UDP-글루코스는 UGCG의 세포질 쪽 촉매 주머니에 정밀하게 고정된다. R272, R275, R376 등 양전하를 띤 핵심 잔기가 당뉴클레오타이드의 이인산기를 안정화하는 상호작용망을 형성한다.

많은 당기 전이효소와 달리 UGCG는 이 과정을 전형적인 금속 이온의 도움 없이 수행한다. 촉매 중심의 D236은 UDP-글루코스와 세라마이드 반응 중심을 잇는 핵심 위치에 있다. 구조와 돌연변이, 기능 실험을 종합하면 D236이 핵심 촉매 잔기로 작용해 세라마이드의 수산기를 활성화하고, 이것이 UDP-글루코스의 당기에 친핵성 공격을 가해 최종적으로 GlcCer를 형성한다는 설명이 가능해진다.

또한 370~378번 잔기가 이루는 베타-헤어핀은 당기 공여체 결합 영역 근처에 있다. 구조·기능 분석 결과 이 영역은 정적인 구조 요소가 아니라 UDP-글루코스의 인식과 안정화에 밀접하게 관여하는 것으로 나타났다. 이 영역을 구조적으로 교란하면 UDP-글루코스 결합과 UGCG 활성이 뚜렷하게 약화됐다.

이로써 연구팀은 당기 공여체 결합, 지질 기질 진입, 촉매 잔기 활성화, 당 결합 형성으로 이어지는 서로 맞물린 촉매 틀을 확립했다.

UGCG는 골지체 막에 직접 박혀 있기 때문에 주변 지질 환경이 효소 활성에 영향을 주는지도 관심사였다. 연구진은 UGCG 구조에서 인지질과 일치하는 지질 밀도를 관찰했다. 여러 인지질을 대상으로 한 기능 선별 결과 포스파티딜세린(PS)이 UGCG 활성을 뚜렷하게 조절하는 반면 PC, PE, PG, DAG 등 지질은 같은 효과를 보이지 않았다.

구조 분석에 따르면 PS는 세라마이드 결합 경로와 인접한 영역으로 들어가 비생산적인 지질 점유 상태를 형성할 수 있다. 분자동역학 시뮬레이션과 생화학 실험도 이 모델을 뒷받침했다.

이는 UGCG 같은 막 내 대사 효소에 지질 이중층이 단순히 수동적인 반응 환경만 제공하는 것이 아닐 수 있음을 뜻한다. 국소적인 막 지질 조성 자체가 기질 진입과 효소의 촉매 상태에 영향을 줘 당질지질 합성 흐름을 조절하는 데 관여할 수 있다는 것이다.

고도로 보존된 핵심 촉매 기전 외에 연구팀은 예상 밖의 종 특이적 조절 요소도 발견했다. 구조 비교 결과 Y196은 두 기질 결합 영역의 핵심 위치에 있으며 기질 상태에 따라 뚜렷한 형태 변화를 보였다.

UDP-글루코스 결합 상태에서 Y196은 위쪽을 향한 상대적으로 닫힌(upward-occluded) 형태를 취해 기질 주머니 공간을 일부 제한한다. 반면 UDP/C6-세라마이드 결합 상태에서는 Y196이 아래쪽을 향한 열린(downward-open) 형태로 바뀌어 지질 기질 결합 영역을 확장한다. 알파폴드3가 예측한 생쥐 UGCG의 해당 S196은 더 열린 국소 형태를 보였다.

계통발생 분석 결과 196번 자리는 포유류 진화 과정에서 특징적인 세린(S)에서 티로신(Y)으로의 치환을 겪었고, 영장류 UGCG에서 보존된 티로신을 형성했다. 기능 실험에서 인간 UGCG의 Y196을 세린으로 바꾸자 세라마이드 기질의 겉보기 Km이 낮아지고 최대 반응 속도가 높아졌다. 이는 Y196이 국소 촉매 '문지기' 역할을 하며 기질 진입을 제한하고 효소의 촉매 동역학을 정밀하게 조절한다는 점을 뒷받침한다.

이 결과는 UGCG가 진화 과정에서 고도로 보존된 핵심 촉매 체계를 유지하면서도, 촉매 주머니 근처의 단일 핵심 잔기 변화를 통해 기질 인식과 촉매 효율을 정밀하게 조절할 수 있음을 보여준다.

따라서 논문이 강조하는 '영장류 특이적 조절'은 영장류가 다른 당질지질 합성 경로를 쓴다는 뜻이 아니다. UGCG의 기본 촉매 화학을 그대로 유지한 채 영장류 특이적 Y196이 국소 주머니 형태와 효소 동역학 특성을 바꾸는, 더 정교한 진화적 조절 방식을 뜻한다.

UGCG는 기초 지질 생물학 연구의 중요한 대상일 뿐 아니라 임상적으로 검증된 약물 표적이기도 하다. 연구팀은 UGCG와 여러 대표 억제제가 결합한 구조를 얻어, 서로 다른 약물이 최종적으로는 모두 GlcCer 생성을 억제하지만 작용 방식은 같지 않다는 점을 확인했다.

엘리글루스타트와 이비글루스타트는 주로 세라마이드 인식과 관련된 소수성 통로에 결합한다. 이들은 지질 기질의 결합 공간을 차지해 세라마이드가 올바른 방식으로 촉매 중심에 들어오는 것을 막는다.

반면 미글루스타트는 UDP-글루코스 인식 영역에 더 가까운 위치에 결합해 반대쪽에서 UGCG가 촉매 순환을 완성하는 것을 방해한다.

따라서 서로 다른 부류의 UGCG 억제제는 실제로 효소 촉매 과정의 서로 다른 단계를 표적으로 삼는다. 한 전략은 지질 기질 진입을 막는 것이고, 다른 전략은 당기 공여체 쪽의 촉매 환경을 교란하는 것이다.

이 차이는 UGCG 약물 설계에 중요한 의미를 지닌다. 과거 UGCG 억제제 개발은 화합물 선별과 약효 최적화에 더 의존했지만, 이번에 얻은 여러 고해상도 복합체 구조 덕분에 연구자들은 서로 다른 약물의 결합 방식과 핵심 상호작용, 선택성 결정 요인을 직접 비교할 수 있게 됐다.

앞으로 당기 공여체 주머니, 세라마이드 진입 통로, 막 지질 조절 영역을 겨냥한 구조 지향 설계를 통해 약동학 특성과 조직 분포, 질환 적응증이 다른 새로운 UGCG 조절제를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

서로 다른 기질과 억제제 결합 상태의 구조·기능 결과를 종합해 연구팀은 UGCG 촉매 순환의 작동 모델도 제시했다. UDP-글루코스는 세포질 쪽에서 당기 공여체 결합 주머니로 들어가고, 세라마이드는 막 안에서 옆 통로를 통해 촉매 중심으로 진입할 수 있다. 기질 결합과 함께 Y196과 그 주변 영역이 형태 변화를 일으켜 두 기질이 촉매 조립을 이루는 구조적 기반을 제공한다.

반응이 끝나면 UDP와 GlcCer는 각각 세포질 쪽과 막 안쪽으로 방출된다. 미글루스타트는 주로 당기 공여체 주머니의 효과적인 결합을 방해하고, 엘리글루스타트와 이비글루스타트는 세라마이드가 들어오는 옆 통로를 차지한다. 다만 현재 구조만으로는 두 기질의 결합과 두 산물의 방출 순서를 엄밀히 확정할 수는 없다.

수백 종의 구조가 복잡한 당질지질을 거슬러 올라가면 그 생합성은 결국 UGCG가 촉매하는 이 핵심 시작 단계로 수렴한다. 이번 연구는 여러 기능 상태의 구조를 통해 UGCG의 작동 과정을 서로 맞물린 분자 사건들로 분해했다. UDP-글루코스가 세포질 쪽에서 어떻게 들어오는지, 세라마이드가 막에서 어떻게 옆으로 진입하는지, 두 기질이 막과 물의 경계에서 어떻게 만나는지, 당기 전이 반응이 어떻게 일어나는지, 주변 막 지질이 기질 점유에 어떻게 영향을 주는지, 그리고 서로 다른 약물이 서로 다른 위치에서 촉매 과정을 어떻게 막는지가 그것이다.

이 발견은 UGCG 촉매와 조절의 구조적 틀을 세웠을 뿐 아니라 당질지질 생합성, 막 지질 환경, 진화적 조절, 약물 작용 기전을 하나의 분자 체계로 연결했다. 이는 당질지질 항상성을 이해하고 관련 질환에 대한 개입 전략을 개발하는 새로운 기반이 될 것으로 보인다.

논문의 공동 제1저자는 우찬룽, 진산산이며 쉬화창, 장이, 우찬룽이 공동 교신저자다. 이 연구는 연구팀이 올해 발표한 세 번째 네이처 연구 논문이다.