1. 질산화 단백질의 중요성

질산화(nitration)는 단백질의 번역 후 변형(post-translational modifications, PTMs)의 하나로 tyrosine의 작용기에 존재하는 페놀(phenolic ring)의 ortho 위치에 NO₂가 결합하며 형성된다. 생체 내에서 어떤식으로 질산화가 발생하는지 아직까지는 그 정확한 메카니즘이 밝혀져 있지 않으나, 일반적으로는 과산화질소(peroxynitrite, ONOO¯)가 중요한 역할을 하는 것으로 여겨지고 있다. 신호기작분자인 일산화질소(NO)와 산화적 스트레스(oxidative stress)에 의해서 발생하는 과산화물(O₂¯)이 반응하며 과산화질소를 형성하고, 형성된 과산화질소에 의하여 이산화질소 라디칼(NO₂•)과 같은 활성 질소종(reactive nitrogen species, RNS)이 tyrosine과 반응하여 nitrotyrosine을 형성하게 된다.

[그림 1] 질산화 메카니즘

질산화는 세포 내 신호 전달, 염증 반응을 통한 발병, 알츠하이며 병(Alzheimer disease) 혹은 파킨슨 병(Parkinson disease)과 같은 산화적 스트레스에 의해 발생하는 퇴행성 신경질환(neurodegenerative diseases) 혹은 노화와 매우 밀접한 관련이 있는 것으로 보고되어 있으며, 최근에는 천식이나 당뇨 또는 암과 같은 질병에서도 몇몇 질산화 단백질이 존재하는 것으로 보고되고 있다. 따라서 질산화 단백질에 관한 연구는 생물학적, 임상학적으로 매우 중요한 역할을 수행할 수 있다. 특히, 질산화는 생체 내에서 또 다른 번역 후 변형의 하나인 인산화(phosphorylation)와 동일한 잔기에서 발생하기 때문에 질산화 단백질 분석의 중요성이 더욱 강조되고 있다.

2. 질산화 단백질 분석

1990년대 이후 질산화에 대한 연구는 꾸준하게 증가하였지만, western blot 혹은 immunoprecipitation 등의 면역학적 분석법을 사용하여 질산화 단백질의 존재 유무를 판별하는 수준에 그치고 있어 분석에 대한 신뢰도가 낮았으며, 질산화가 일어난 위치나 구조적인 정보를 거의 알 수 없다는 한계가 있어왔다. 2000년대 이후에는 질량분석기(mass spectrometry)의 본격적인 발전과 더불어 활발하게 연구가 진행되고 있으며, 이전의 한계점들을 잘 극복해 나가고 있지만 아직까지도 질산화에 대한 정확한 정보는 거의 밝혀지지 않고 있다. 이처럼 질산화에 대한 연구가 크게 진전되지 못하는 가장 큰 이유는 바로 생체 내에서 질산화 단백질이 매우 극소량으로 존재하기 때문이다. 일반적으로 약 100만개의 단백질 가운데 1~5개의 단백질에 있는 tyrosine만이 nitrotyrosine의 형태로 존재한다고 알려져 있으며, tyrosine이 일반적으로는 약 3.2% 존재하는 것으로 생각해 봤을때 이는 매우 극소량임을 알 수 있다. 그렇기 때문에 효과적인 분리분석방법이 개발되지 않고서는 질산화 단백질 분석에 한계가 있으며, 이로 인해 효과적인 방법들로 활발하게 연구가 진행되고 있는 인산화 혹은 아세틸화(acetylation) 등의 다른 변형들에 비하여 현재까지 진행된 연구가 많지 않다. 이런 문제를 해결하기 위하여 현재까지 10개 이상의 다양한 질산화 단백질 특이적인 분리분석방법이 개발되었으며, 우리 실험실에서도 플루오린화 탄소 태그(fluorinated carbon tag)를 사용한 질산화 단백질의 분리분석방법을 개발하여 출원하였다.

[그림 2] 일반적으로 사용되는 질산화 단백질 특이적인 분리분석방법의 모식도

3. 질산화 단백질 분석의 전망과 목표

앞서 언급한 바와 같이, 질산화 단백질에 특이적이고 효과적인 분리분석방법이 개발/응용되어 질산화 단백질의 분석이 용이해지면, 위에서 언급한 다양한 질병들의 진단과 표적치료에 사용할 수 있는 바이오마커 단백질을 발굴할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 노인인구의 증가로 인해 알츠하이머 병, 파킨슨 병과 같은 퇴행성 신경질환과 노화와 관련된 질병이 증가하고 있는 추세에서 질산화 단백질의 분석을 이용한 바이오마커의 발굴은 사회적으로도 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 질량분석기를 사용하여 질산화 단백질을 분석하게 되면 질산화의 위치와 서열, 구조까지 분석이 가능해지기 때문에 이를 활용하여 질산화 단백질의 motif를 찾고 생체 내의 신호전달 과정을 밝히는데도 기여할 수 있을 것이라고 생각된다.