생명정보학적 분석을 통한 인슐린 저항성 관련 신호전달 경로 연구

Abstract

당뇨병은 신체 활동이 감소하고 비만의 유병률이 증가함에 따라 유병률이 점차 증가하고 있는 만성 질환으로, 급성 합병증과 만성 합병증의 발생 위험을 줄이기 위해서 철저하게 관리해야 한다. 당뇨병의 90% 이상을 차지하는 제 2형 당뇨병은, 근육 세포 및 지방 세포의 인슐린 저항성이 발병 원인이다. 혈액 내의 포도당을 근육 세포 및 지방 세포 내로 수송하는 역할은 GLUT4 (Glucose transporter 4)가 담당하는데, 인슐린이 GLUT4를 세포막으로 유도시키는 과정에 문제가 발생하여 근육 및 지방 세포의 인슐린 자극에 대한 반응이 떨어지는 현상을 인슐린 저항성이라고 정의한다. 인슐린 저항성이 발생하는 원인을 확인하기 위해서는 우선 인슐린에 의한 정상적인 세포 내 신호 전달 경로를 파악하는 것이 필수적이다. 인슐린이 결합함으로써 활성화된 인슐린 수용체는 IRS (insulin receptor substrate), PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase), PDK1 (3-phosphoinositide-dependent kinase), mTORC2 (mammalian target of rapamycin complex-2) 등의 단백질을 경유하여 Akt를 인산화시켜 활성화시킨다. 활성화된 Akt는 AS160의 특정 모티프를 인식하고 인산화시킴으로써 AS160의 Rab GAP (Rab GTPase-activating protein) 도메인을 불활성화시키고, 그 결과 Rab 단백질에 결합된 GTP의 가수 분해를 억제하여 활성 상태로 유지함으로써 GLUT4의 세포막으로의 이동을 촉진시킨다. 반면 근육 세포에서 근육의 수축이 일어날 경우에는 AMPK가 활성화되고, 활성화된 AMPK가 AS160 및 TBC1D1을 인산화시킴으로써 GLUT4의 세포막으로의 이동을 촉진시킨다. 그러나 TBC1D1의 역할 및, TBC1D1의 Rab GAP 도메인이 어떠한 Rab 단백질과 상호 작용을 하는지에 대해서는 명확히 알려져 있지 않다. 따라서, 이번 연구에서는 생명정보학적 기법을 사용하여 AS160 및 TBC1D1의 Rab GAP 도메인의 기질로 어떠한 Rab 단백질들이 작용하는지를 분석하고, 상호 작용의 양상에 어떠한 차이가 존재하는지를 확인하여 두 단백질의 역할의 차이를 예측하고자 하였다. 이번 연구에서는 단백질 도킹 프로그램을 이용하여 Rab GAP 도메인의 기질 특이성을 분석하였다. 우선, PDB (Protein Data Bank) 에서 AS160과 TBC1D1의 Rab GAP 도메인, 그리고 Rab 단백질의 구조를 PDB 파일로 다운로드 받았고, 도킹에 앞서 FoldX를 사용하여 구조의 오류를 수정하였다. 다음 단계로, 단백질 도킹 프로그램인 Hex와 ClusPro에 수정된 PDB 파일을 입력하여 Rab GAP 도메인과 Rab 단백질 간의 도킹을 수행하였고, FoldX를 이용하여 각 프로그램에서 최적의 도킹 모형으로 선정된 단백질 복합체의 상호 작용 에너지를 계산하였다. 마지막으로, 임의의 절사점으로 각 상호 작용 에너지를 선택하였을 때에, 전체 Rab 단백질 중 각 절사점에서 Rab GAP 도메인과 상호 작용하는 Rab 단백질의 비율을 차례대로 계산하고, 이 계산 결과를 기존 실험 연구 결과와 비교하였다. AS160과 TBC1D1 유전자의 발현을 동시에 억제하여 이중 넉아웃 마우스(double knockout mouse)를 만들고, 어느 정도의 기능 상실이 일어나는지를 연구하였던 기존의 한 연구를 확인해 본 결과, AS160과 TBC1D1이 세포 내로의 포도당 수송에 관여하는 비율은 각각 47.72%와 48.15%였다. Hex의 경우에는 가상의 절사점 중 91.41kcal/mol이 이에 해당하며, 이 때에 AS160 및 TBC1D1과 상호 작용 가능성이 높은 단백질로는 Rab1A, Rab2A, Rab4A, Rab4B, Rab8A, Rab11A, Rab18이 있었다. ClusPro의 경우에는 가상의 절사점 중 265.90kcal/mol이 이에 해당하며, 이 때에 AS160 및 TBC1D1과 상호 작용 가능성이 높은 단백질로는 Rab1A, Rab5A, Rab7, Rab14, Rab18, Rab21이 있었다. 이 결과는 세포 외에서 수행되었던 기존 연구 결과와 유사하였다. 결론적으로, Rab 단백질들 중에서 AS160 또는 TBC1D1의 Rab GAP 도메인과 상호 작용하는 비율은, 생체 내에서 AS160과 TBC1D1이 담당하는 포도당 수송의 양에 비례한다.