세부과제 소개

연구개발 목표

• 소량의 세포막 단백질만으로 4세대 가속기(XFEL)를 이용하여 고 해상도 단백질 구조를 규명할 수 있는 기술을 개발하고
• 이 기술을 이용하여 일련의 세포막단백질들의 분자구조를 규명한 뒤
• 이를 기반으로 신약 선도 물질을 발굴할 수 있는 차세대 고효율 선도물질 검색 기술을 개발하는 것을 목표로 한다.

연구개발 내용

• 소량의 세포막단백질을 이용하여 4세대 가속기 구조규명이 가능한 “고정 크리스탈 스캔” 방법의 개발을 통해 현재 4세대 가속기에서 활용하는 data 수집 방법의 대 변혁을 유도: X-선 펄스에 나 노 결정 hit 가능성을 현제의 10%에서 50~80% 이상으로 개선
• 고정 크리스탈 스캔 체계”의 최적화를 위한 다양한 결정 샘플 홀더의 개발 및 자동화 시스템 도입
• 새로운 “결정 carrier matrix” 개발 및 이를 기반으로 한 결정 운송 시스템의 개선
• "고정 크리스탈 스캔 체계”를 이용한 세포막단백질 구조 규명
• 4세대 가속기를 이용한 차세대 선도물질 검색법 개발: 세포막단백질 대상 초고속 선도물질이 가 능한 XFEL 기반 fragment-based drug design 방법의 개발

• 마이크로 엑스선 빔라인과 XFEL을 이용한 당뇨 표적 세포막 단백질 입체구조 규명
• 작용제 또는 길항제가 결합된 GPCR, 트랜스포터, 인슐린 수용체 복합체 구조 규명
• 고해상도 구조에 기반하여 표적 단백질 활성화 메커니즘 및 약물 작용기전 규명
• 구조 기반 가상 스크리닝 및 유도체 합성을 통하여 당뇨 신약 선도물질 발굴

연구개발 내용

• 당뇨/비만 신약 표적 단백질인 GPCR, 트랜스포터, 인슐린 수용체를 중점 연구대상으로 함. GPCR 은 출시된 약물과 신약개발의 40%를 차지하는 가장 중요한 표적 단백질군임. 단백질 대량생산, 결정화의 기술적 어려움 때문에 현재까지 ~790여개의 GPCR 중에서 5%만 구조가 밝혀졌음. GLP-1R, FFARs을 포함한 일부 GPCR은 중요한 당뇨 신약표적이지만, 자세한 입체구조는 아직 밝 혀지지 않음.
• 트랜스포터들은 세포막에서 포도당과 같은 기질을 수송하는 역할을 하기 때문에 다양한 치료제 개발의 표적이지만 구조연구는 부진함. SGLT2는 콩팥에서 포도당 재흡수를 매개하는 트랜스포 터이며, ABC 트랜스포터는 트랜스포터 중에서 가장 큰 패밀리를 형성하는 다양한 신약 개발의 표적임. Citrate 트랜스포터는 해당과정 및 지방산 합성에 관여함. 이들 트랜스포터들은 당뇨병 치료제 개발의 주요표적이지만 고해상도 입체구조는 대부분 알려져 있지 않음.
• 인슐린 수용체의 기능을 향상시킬 수 있는 압타머는 당뇨병 치료제로서 개발되고 있으나, 자세 한 인슐린 수용체-압타머 결합구조와 조절 메커니즘은 여전히 불명확함.
• 표적 막단백질은 baculovirus, HEK293 세포를 이용하여 생산하고, detergent를 이용하여 정제할 예정임. 단백질 복합체 결정은 vapor diffusion, detergent micelle, lipid cubic phase 방법 등을 이용하여 얻고자 함.
• 결정화가 어려운 표적 단백질의 경우는 독자적으로 개발하고 있는 조합결정화 (combinatorial crystallization) 방법을 적용하여 결정화와 구조규명을 시도할 예정임.
• 회절데이터는 최근 가동이 시작된 포항가속기 11C 마이크로 엑스선 빔라인과 4세대 PAL-XFEL 가속기를 이용하여 얻을 예정임.
• 확보한 고해상도 구조를 이용하여 유효물질 가상 스크리닝 및 유도체 합성을 진행하고 세포 및 동물 실험을 통해 선도물질을 발굴할 계획임.
• 구조기반 치료제 초기물질 탐색은 1, 3 세부팀 및 외부협력기관과 협력하여 진행함. 2단계부터 는 각 표적/물질에 관심있는 기업들과 긴밀한 공동연구를 추진할 예정임.

연구개발 목표

• 4세대 가속기인 XFEL을 이용한 감염 및 면역질환 관련 세포막 단백질들의 3차원 결정구조 규명
• 유효약물의 탐색하고 이들과 결합한 복합체의 구조를 기반으로 하여, 분자수준에서 세포막 단백 질 활성 메커니즘과 약물 작용기전을 연구하여 신약 선도물질을 개발

연구개발 내용

• 항생제 내성균에 의한 감염성 질환은 인류의 생존을 위협하고 있으며, 과도한 면역반응에 의한 면역질환은 급증하고 있음.
• 약물의 세포내 이송이 필요 없이 표적할 수 있는 막단백질은 질병을 치료하는데 가장 유망한 표적 단백질임. 하지만 단백질 대량생산, 결정화의 기술적 어려움 때문에 매우 느린 속도로 구조 를 규명할 수 있어서 신약 개발의 큰 한계가 됨. 4세대 가속기와 막단백질 최근 결정 기술의 융 합연구로 이런 한계를 극복할 수 있음.
• 본 연구에서는 면역 및 감염질환 치료제 개발의 표적이 되는 세포막 단백질들과 저해제 물질과 의 결합구조를 엑스선 결정학적인 방법으로 규명하고자 함.
• 염증 질환 신약표적으로는 염증신호 전달에 핵심적인 역할을 하는 GPCR인 FPR1 (Formyl Peptide Receptor type 1), CXCR4, hvGPCR의 결정 구조와 저해제와 결합한 복합체의 결정 구조를 규명하고, 구조 정보를 기반으로 의약화학적 전문지식을 활용하여 선도물질들을 개발 하고자 함.
• 중요한 병원균인 황색포도상구균의 WTA(Wall Teichoic Acid)는 병원성과 항생제 내성에 관련 하는 중요한 물질임. 이의 합성경로에 중요한 막단백질인 TagO, TarGH, DltBD는 신약개발의 중요 표적임. 특히 이 신약은 내성 생성이 억제되는 신개념의 항독력제로서 개발될 것임.
• 간염, 간경변, 간암을 유발하는 C형 간염 바이러스에 대해서 표적 단백질로서 NS5A와 저해제 들이 결합한 복합체의 결정구조를 규명하고, 이 구조와 의약화학적 전문지식을 이용하여 기존 저해제에 대한 내성을 극복한 새로운 C형 감염 치료제 선도 물질을 개발함.
• 단백질은 baculovirus/SF9 시스템과 대장균 발현 시스템을 이용하여 생산하고, 다양한 detergent을 이용해서 정제할 예정임. 단백질 복합체 결정은 biphasic micelle, lipid cubic phase 방법 등을 이용하여 얻고자 함.
• 회절데이터는 포항가속기 4세대 XFEL 가속기를 이용하여 획득할 예정임. 앞선 기술의 해외 XFEL 가속기도 활용하여 포항가속기 XFEL에도 기술 도입할 것임.