피롤라이신의 생화학을 응용한 유전코드 확장 연구

서강대 이현수 교수

1. 서론
일반적으로 자연에 존재하는 단백질은 20개의 아미노산을 기본 구성성분으로 사용하고 있다. 이들로 구성된 단백질은 생명체 내의 복잡한 화학반응, 신호전달, 세포 구조 형성 등 놀라운 생명현상들에서 핵심적인 역할을 수행한다. 보조인자 (cofactors) 등이 단백질의 기능에 중요한 역할을 한다는 사실을 고려하더라도, 단백질이 20개의 아미노산만으로 이러한 복잡한 기능을 수행한다는 사실은 매우 흥미로운 현상이다. 그러나 특수한 경우에, 이 20개의 아미노산 외의 아미노산들이 단백질에서 발견되는데, 현재까지 셀레노시스테인 (L-selenocysteine, SeCys)과 피롤라이신(L-pyrrolysine, Pyl)이 알려져 있다 (그림 1). 셀레노시스테인은 1970년대에 발견되었고, 오팔코돈 (Opal codon, TGA)에 의해 인코딩 (encoding)이 되며, 세린이 tRNA에 먼저 아실화되고, 그 이후에 셀레로시스테인으로 변형되어 단백질에 도입되는 것으로 알려져 있다.1 피롤라이신은 비교적 최근에 발견되었는데, 이 아미노산은 생합성과 인코딩 과정이 SeCys과는 매우 다르게 진행되는 것으로 알려져 있다. 여기에서는 피롤라이신의 생합성, 인코딩 과정 등 생화학적 부분들과 이를 응용한 유전코드 확장 연구에 대해서 소개하고자 한다.

2. 피롤라이신의 발견

메테인 세균 (methanogen)은 산소가 부족한 환경에서 대사과정 중에 메테인 (Methane)을 생성하는 미생물이다. 이 메테인 세균에서 발견되는 메틸아민 메틸트랜스퍼레이즈 (methylamine methyltransferase) 유전자에는 예외없이 인프레임 (in-frame) 앰버멈춤코돈 (amber stop codon)이 발견된다. 이 앰버코돈에 의해서 번역되는 아미노산을 확인하기 위해 특정 메틸트랜스퍼레이즈를 분리해서 질량분석을 해 본 결과, 그 아미노산은 라이신 (lysine)인 것으로 판명되었다. 그러나 J. A. krzycki와 M. K. Chan 등은 질량분석 조건을 고려할 때 원래의 잔기가 변형될 수 있고, 또 인프레임 멈춤코돈의 경우 SeCys의 경우에서처럼 비천연 아미노산의 도입에 이용될 수 있다고 생각하고, 정확한 아미노산을 밝히기 위해 메테인 세균의 일종인 Methanosarcina barkeri에서 발견되는 메틸트랜스퍼레이즈의 X-선 결정구조를 보고하였다 (그림 2). 결정 구조에서 보이는 전자밀도와 전체 단백질의 질량 분석 등의 정보를 통해 앰버코돈에 의해 번역된 아미노산은 라이신의 입쉴론 아민 (ε-amine)에 (4R,5R)-4-methylpyrroline-5-carboxylate 가 아미드결합을 하고 있는 라이신 유도체임을 밝히고, 피롤라이신이라고 명명하였다. 그 이후에 관련된 생화학적 추가 연구를 통해서 피롤라이신은 자연에서 발견되는 22번째 아미노산으로 알려지게 되었다.

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