박테리아, 뇌, 설탕: 과학자들이 새로운 연결을 발견하다

우리의 장은 수조 개의 박테리아의 서식지이며, 지난 수십 년 동안의 연구를 통해 이들이 건강과 질병에서 우리의 생리학에 얼마나 필수적인지 확인되었습니다. EMBL 하이델베르크 연구자들의 새로운 연구에 따르면, 장 박테리아는 우리의 가장 중요한 장기 중 하나인 뇌에 심오한 분자적 변화를 가져올 수 있습니다.

Nature Structural and Molecular Biology 저널에 발표된 새로운 연구는 장에 사는 박테리아가 탄수화물에 의해 뇌의 단백질이 어떻게 변형되는지에 영향을 미칠 수 있다는 것을 보여준 최초의 연구입니다. 이 과정을 글리코실화라고 합니다. 이 연구는 과학자들이 개발한 새로운 방법인 DQGlyco 덕분에 가능했습니다. 이 방법을 사용하면 이전 연구보다 훨씬 더 높은 규모와 해상도로 글리코실화를 연구할 수 있습니다.

글리코실화를 측정하는 새로운 방법

단백질은 우리 세포와 그 주요 구성 요소의 일꾼입니다. 반면에 당 또는 탄수화물은 신체의 주요 에너지원 중 하나입니다. 그러나 세포는 또한 당을 사용하여 단백질을 화학적으로 변형하여 기능을 변경합니다. 이를 글리코실화라고 합니다.

"글리코실화는 세포가 서로 부착하는 방식(접착), 움직이는 방식(운동성), 심지어 서로 대화하는 방식(소통)에 영향을 미칠 수 있습니다." 연구의 첫 번째 저자이자 Savitski 팀 연구 과학자인 클레망 포텔이 설명했습니다. "이는 암과 신경 장애를 포함한 여러 질병의 발병 기전에 관여합니다."

그러나 당화는 전통적으로 연구하기 어려운 것으로 악명이 높습니다. 세포 내 단백질의 일부만이 당화되고, 연구할 샘플에 충분한 양을 농축하는 것(이를 '농축'이라고 함)은 힘들고, 비용이 많이 들고, 시간이 많이 걸리는 경향이 있습니다.

"지금까지 체계적인 규모로, 정량적으로, 높은 재현성으로 이런 연구를 하는 것은 불가능했습니다." EMBL 하이델베르크의 팀 리더, 수석 과학자, 프로테오믹스 핵심 시설 책임자인 미하일 사비츠키가 말했습니다. "이것이 우리가 새로운 방법으로 극복한 과제입니다."

DQGlyco는 기능화된 실리카 비드와 같은 쉽게 구할 수 있고 저렴한 실험실 재료를 사용하여 생물학적 샘플에서 글리코실화된 단백질을 선택적으로 풍부하게 한 다음 이를 정확하게 식별하고 측정할 수 있습니다. 이 방법을 마우스의 뇌 조직 샘플에 적용하여 연구자들은 150,000개 이상의 글리코실화된 단백질 형태('프로테오폼')를 식별할 수 있었으며, 이는 이전 연구에 비해 25배 이상 증가한 것입니다.

새로운 방법의 정량적 특성은 연구자들이 서로 다른 조직, 세포주, 종 등의 샘플 간 차이점을 비교하고 측정할 수 있다는 것을 의미합니다. 또한 이를 통해 '미세 이질성' 패턴을 연구할 수 있습니다. 미세 이질성이란 단백질의 동일한 부분이 여러(때로는 수백 개)의 서로 다른 당 그룹에 의해 변형될 수 있는 현상입니다.

가장 흔한 미세 이질성의 예 중 하나는 인간의 혈액형으로, 적혈구의 단백질에 다른 당 그룹의 존재가 혈액형(A, B, O, AB)을 결정합니다. 이는 한 개인에서 다른 개인으로의 수혈 성공 여부를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

새로운 방법을 통해 팀은 수백 개의 단백질 부위에서 이러한 미세 이질성을 식별할 수 있었습니다. "저는 미세 이질성의 광범위한 유행이 사람들이 항상 가정해 왔지만 명확하게 입증된 적이 없다고 생각합니다. 그 진술을 하려면 당화된 단백질을 충분히 포함해야 하기 때문입니다."라고 연구의 또 다른 1저자이자 Savitski Team 박사 과정 학생인 Mira Burtscher가 말했습니다.

장에서 뇌까지

연구자들은 이 방법의 정밀성과 힘을 고려하여 뛰어난 생물학적 문제를 해결하기 위해 이를 사용하기로 결정했습니다. EMBL의 Michael Zimmermann 그룹과 협력하여 그들은 다음으로 장내 미생물 군집이 뇌에서 관찰한 글리코실화 시그니처에 어떤 영향을 미치는지 테스트했습니다. Zimmermann과 Savitski는 모두 EMBL의 미생물 생태계 횡단 테마에 속해 있으며, 이는 2022-26 EMBL 프로그램 'Molecules to Ecosystems'에서 도입되었습니다.

"장내 미생물군이 신경 기능에 영향을 미칠 수 있다는 것은 알려져 있지만, 분자적 세부 사항은 대체로 알려지지 않았습니다."라고 포텔은 말했습니다. "글리코실화는 신경 전달 및 축삭 유도와 같은 많은 과정에 연루되어 있으므로, 이것이 장내 박테리아가 뇌의 분자 경로에 영향을 미치는 메커니즘인지 테스트하고 싶었습니다."

흥미롭게도, 연구팀은 '세균 없는 쥐', 즉 신체 내외부에 미생물이 전혀 없는 무균 환경에서 자란 쥐와 비교했을 때, 다른 장내 박테리아에 감염된 쥐는 뇌에서 당화 패턴이 달랐다는 것을 발견했습니다. 변화된 패턴은 인지 처리 및 축삭 성장과 같은 신경 기능에 중요한 것으로 알려진 단백질에서 특히 두드러졌습니다.

이 연구의 데이터 세트는 다른 연구자들을 위한 새로운 전용 앱을 통해 공개적으로 제공됩니다. 또한, 팀은 이 데이터가 특히 다른 종에서 글리코실화 부위에 대한 예측을 알리는 데 사용될 수 있는지도 궁금합니다. 이를 위해 그들은 AlphaFold와 같은 기계 학습 접근 방식을 사용해 왔습니다. AlphaFold는 2024년 노벨 화학상 수상자로 인정받은 단백질 구조를 예측하는 AI 기반 도구입니다.

"마우스 데이터로 모델을 훈련함으로써, 예를 들어 인간의 글리코실화 부위의 다양성이 무엇인지 예측할 수 있습니다." EMBL의 Savitski 및 Saez-Rodriguez 그룹의 포스트닥이자 이 연구의 또 다른 제1저자인 Martin Garrido가 말했습니다. "다른 유기체를 연구하는 사람들이 관심 있는 단백질의 글리코실화 부위를 식별하는 데 매우 유용할 수 있습니다."

연구자들은 또한 새로운 방법을 적용하여 더욱 근본적인 생물학적 질문에 대한 답을 찾고 세포 내에서 글리코실화가 하는 기능적 역할을 이해하기 위해 노력하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250210132554.htm