IL-22 는 장 상피의 항상성을 유지하고 병원체로부터 보호하는 역할을 하지만, 과도하게 발현될 경우 조직 손상과 만성 염증을 유발할 수 있습니다.
이를 해결하기 위해 IL-22R1을 표적으로 하는 small protein blocker를 개발하는 연구가 주목받고 있습니다.
본 포스팅에서는 IL-22의 이중적 역할과 이를 활용한 염증성 장질환(IBD) 치료 가능성에 대해 알아봅니다.
Q1: IL-22의 역할은?
A: IL-22는 “이중 기능” 사이토카인으로 알려져 있습니다.
- 긍정적 역할: 장 상피 장벽의 항상성과 구조적 통합성을 유지하며, 세균 병원체로부터 보호합니다.
- 부정적 역할: 과도한 IL-22 발현은 조직 손상과 만성 염증을 유발할 수 있으며, 염증성 장질환(inflammatory bowel disease, IBD)과 같은 질환에서 병리학적 세포의 과도한 증식을 초래할 수 있습니다.
Q2: IL-22 관련 염증을 연구하기 위해 어떤 방법을 사용할 수 있나요?
A: 작은 단백질 차단제 (small protein blocker)를 개발하여 IL-22R1을 억제하는 방법을 사용합니다.
Q3: 작은 단백질 차단제 (small protein blocker) 개발 과정은 어떻게 되나요?
A: 개발과정은 아래와 같습니다.
- 단백질의 “지향적 진화” 기술을 사용하여 인간 IL-22 수용체 알파(IL-22R1)와 결합하는 리간드를 개발
- 고도 복합 단백질 라이브러리 (highly complex combinatorial protein library)를 제작하고 리보솜 디스플레이와 ELISA 스크리닝으로 효과적인 변종을 선택
Q4: 단백질의 “지향적 진화”란 무엇인가요?
A: 단백질의 “지향적 진화”는 자연적인 진화 과정을 실험실에서 모방하여 특정한 기능이나 특성을 가진 단백질을 인공적으로 개발하는 방법입니다. 마치 자연 선택의 원리를 연구실에서 재현하는 것과 비슷합니다.
- 무작위 변형: 먼저, 원래 단백질의 유전자를 여러 방식으로 변형하여 다양한 변종(다른 모양과 특성을 가진 단백질들)을 만듭니다.
- 선택: 만들어진 변종들 중에서 우리가 원하는 기능(예: 특정 수용체에 잘 결합하는 능력)을 가진 단백질을 골라냅니다.
- 반복: 선택된 단백질을 바탕으로 다시 변형하고, 또 선택하는 과정을 반복해서 가장 우수한 특성을 가진 단백질을 찾아냅니다.
이 과정을 통해 단백질이 특정 역할을 잘 수행하도록 “진화”시킬 수 있습니다.
예를 들어, IL-22R1과 잘 결합하는 리간드를 만드는 데 사용된 것이죠.
흥미로운 점은 이 방법이 자연에서 수백만 년에 걸쳐 일어나는 진화를 짧은 시간 안에 실험실에서 재현할 수 있다는 것입니다!
Q5: 고도 복합 단백질 라이브러리란 무엇인가요?
A: 고도 복합 단백질 라이브러리는 수백만에서 수십억 개의 다양한 단백질 변종(variant)을 포함한 거대한 데이터베이스 또는 샘플 집합입니다. 이는 특정 기능(예: 특정 수용체와 결합하는 능력)을 가진 단백질을 찾기 위해 사용됩니다.
즉, 하나의 단백질이 다양한 변형된 형태로 구성된 “도서관”이라 생각할 수 있습니다. 이 라이브러리는 다음과 같은 과정을 통해 만들어집니다:
- 무작위 변형: 유전자 변형 기술을 이용해 원래 단백질의 다양한 버전을 생성합니다.
- 다양성 확보: 단백질 변종의 개수가 매우 많기 때문에, 가능한 모든 특성과 기능을 포함하는 매우 복잡한 라이브러리가 탄생합니다.
- 목적 기능 찾기: 이 라이브러리에서 우리가 원하는 기능 (예: IL-22R1 수용체에 강력히 결합)을 가진 단백질 변종을 찾기 위해 스크리닝 기술(리보솜 디스플레이와 ELISA)을 활용합니다.
이렇게 고도 복합 단백질 라이브러리는 특정 목적에 적합한 최적의 단백질을 찾는 데 매우 중요한 역할을 합니다.
Q6: Small protein blocker 후보 변종의 결합 친화성과 특이성을 어떻게 분석했나요?
A: Small protein blocker 변종의 결합 친화성 (affinity, KD)과 특이성은 transfected HEK293T 세포를 이용해 다음과 같은 방법으로 분석합니다.
- 유세포 분석(Flow Cytometry): 세포 표면의 단백질과 작은 단백질 차단제 (small protein blocker) 변종의 “결합 여부”를 시각적이고 정량적으로 확인.
- LigandTracer: 작은 단백질 차단제 (small protein blocker)와 세포 수용체 간의 “결합 속도(binding kinetics)”를 “세포수준”에서 실시간으로 측정.
Q7: LigandTracer를 이용한 결합 속도 (binding kinetics) 측정은 어떤 점에서 유용한가요?
A: LigandTracer는 단백질 차단제와 세포 수용체 간의 결합 속도(binding kinetics)를 세포 수준에서 실시간으로 측정할 수 있어 다음과 같은 이유로 매우 유용합니다:
- 실시간 측정 가능: LigandTracer는 결합 (ka) 및 해리 (kd) 속도를 실시간으로 분석할 수 있어, 복잡한 단백질-수용체 상호작용의 다이나믹스 (binding dynamics)을 관찰하는 데 적합합니다.
- 정확한 결합 친화도(KD) 도출: 결합 속도(ka, kd)를 통해 결합 친화도(KD)를 정확히 계산할 수 있습니다.
- 이는 약물이 수용체와 얼마나 강하게 결합하는지를 평가하는 데 매우 중요합니다.
- 비침습적 (세포를 손상시키지 않은 상태를 말함) 분석: 살아 있는 세포를 사용하여 비침습적으로 데이터를 얻을 수 있어, 생리학적 조건에서의 단백질 상호작용을 더 정확히 반영합니다.
- 약물 개발에 도움: LigandTracer에서 얻은 데이터를 통해 약물 후보물질의 효능을 검증하거나, 최적의 결합 특성을 가진 단백질 변종을 선정할 수 있습니다.
Q8: 왜 LigandTracer로 얻은 데이터가 약물 후보물질의 효능 검증에 도움이 되나요?
A: LigandTracer로 얻은 데이터는 약물 후보물질이 목표 수용체와 얼마나 효율적으로 상호작용하는지를 실험적으로 보여주기 때문에, 약물 개발 과정에서 중요한 역할을 합니다.
다음은 주요 이유입니다:
- 결합 속도와 안정성 분석: LigandTracer는 약물 후보물질과 수용체 간의 결합 속도(association rate, ka)와 해리 속도(dissociation rate, kd)를 측정하여, 결합이 얼마나 강력하고 안정적인지 평가할 수 있습니다.
- 효능이 높은 약물은 일반적으로 수용체에 강하게 결합하며 잘 떨어지지 않습니다.
- 결합 친화도(KD) 계산: LigandTracer 데이터로 계산한 결합 친화도(KD)는 약물이 수용체에 얼마나 잘 결합하는지를 나타냅니다.
- 낮은 KD 값은 높은 친화도를 의미하며, 이는 약물의 효능을 예측하는 중요한 지표입니다.
- 생리적 조건에서의 실험: LigandTracer는 살아 있는 세포에서 데이터를 수집하므로, 약물-수용체 상호작용이 실제 생리적 조건에서 어떻게 작동하는지를 더 잘 반영합니다.
- 이는 시험관(in vitro) 환경에서 얻은 데이터보다 약물 효능을 평가하는 데 더 현실적입니다.
- 시간과 비용 절약: 실시간으로 데이터를 얻을 수 있으므로 복잡한 실험 과정을 줄이고 약물 개발에 필요한 시간을 단축할 수 있습니다.
- 약물 최적화: 후보물질 간의 비교를 통해, 결합 속도나 안정성에서 가장 이상적인 특성을 가진 약물을 빠르게 식별하고, 이후 최적화 과정을 설계할 수 있습니다.
결론적으로, LigandTracer는 약물 개발 초기 단계에서 후보물질의 가능성을 검증하고 효능 높은 약물을 선별하는 데 매우 유용한 도구입니다!
Q9: 작은 단백질 차단제 (small protein blocker)의 억제 기능은 어떻게 검증하나요?
A: 억제 기능은 다음 방법을 통해 확인할 수 있습니다.
- 경쟁 ELISA: IL-22와 경쟁적으로 IL-22R1에 결합하는 작은 단백질 저해재 (small protein blocker)의 능력을 평가
- HEK-Blue IL-22 Reporter Cells: IL-22 신호를 억제하는 작은 단백질 저해재 변종의 효과를 평가
- EK-Blue IL-22 Reporter Cells는 IL-22 신호 전달 여부를 감지할 수 있는 특수한 세포입니다.
- 이 세포는 IL-22 신호를 받을 경우 특정 효소 (SEAP, Secreted Embryonic Alkaline Phosphatase)를 분비하게 설계되어 있습니다.
- 분비된 SEAP의 양은 Quanti-Blue™ 용액으로 측정됩니다. 이때 색깔 변화나 흡광도(620nm)를 측정하여 데이터를 확인합니다.
- DSS (Dextran Sulfate Sodium)-유도 쥐 대장염 모델: 작은 단백질 저해재 (small protein blocker)가 대장염 증상을 완화하는지를 검증.
이 과정은 작은 단백질 저해재 (small protein blocker) 변종이 IL-22R1과 잘 결합하면서도 IL-22의 작용을 억제할 수 있는 잠재적인 치료제임을 보여줍니다.
[참조]