활성 물질 : "무질서한" 단백질에서 새롭게 발견된 질서 : 창조 설계-생명 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

2026-07-07

활성 물질 : "무질서한" 단백질에서 새롭게 발견된 질서

(Active Matter : Newfound Order in “Disordered” Proteins)

David Coppedge

단백질의 본질적으로 무질서한 부분들이 생각만큼 기능이 없는 것이 아닐 수도 있다는 것이다. 최근 PNAS(2026. 5. 18) 지에 발표된 "인간의 본질적으로 무질서한 단백질체의 기능 지도(A functional map of the human intrinsically disordered proteome)"라는 제목의 새로운 연구에 따르면, 이러한 부분들은 다기능적(multi-functional) 역할을 하는 것으로 보인다는 것이다.

단백질(proteins)들은 과거에는 촘촘하게 배열된 안정적인 구조로 여겨졌었다. 실제로 2018년 알파폴드(AlphaFold)는 생화학 및 유전학 분야의 주요 난제였던 아미노산 서열로부터 단백질의 최종 구조를 높은 정확도로 예측하는 과제에서 최초로 성공을 거둔 프로그램 중 하나였다. 50년 동안 "단백질 접힘 문제(protein folding problem)"는 계산으로는 해결하기 너무 어려운 문제로 여겨졌다. 레빈탈의 역설(Levinthal paradox)에 따르면, 무작위 과정으로 단백질이 우연히 접혀져서 기능적 구조를 형성하는 데에는, 우주의 나이보다 더 오랜 시간이 걸릴 것으로 추정되었지만, 세포는 수많은 단백질들을 단 몇 밀리초 만에 접는다.

이러한 성공 속에서 간과되었던 것은 본질적으로 무질서한 단백질(intrinsically disordered proteins, IDPs, 비정형 단백질)이었다, 즉 안정적인 형태로 접혀있지 않은 수수께끼 같은 폴리펩티드(polypeptides)들이었다. 연구자들이 안정적인 구조를 찾고 있었기 때문에, 유연한 폴리펩티드를 관찰하고 연구하는 것은 더 어려웠다. 이러한 단백질들은 세포 내에서 단순히 떠다니는 찌꺼기처럼, "진짜" 단백질의 기능을 방해하는 오류였을까? 어떤 단백질들은 본질적으로 무질서한 영역(intrinsically disordered regions, IDRs)을 가지고 부분적으로 접혀있는데, 언뜻 보기에는 스웨터에서 풀려난 털실처럼 쓸모없어 보인다. 이는 안정적인 접힘만이 기능을 할 수 있다는 순진한 가정에 기반했던 것이다.

미지의 영역이 탐험되다.

최근 몇 년 동안 IDRs의 일부 기능이 밝혀지고 있다. 이번에 토론토 대학을 중심으로 한 연구팀이 "무질서 속에 인코딩된 정보의 숨겨진 논리"를 발견했다.

인간 단백질체(proteome)의 상당 부분은 안정적인 구조를 갖고 있지 않으며, 본질적으로 무질서한 영역(IDRs)으로 구성되어 있다. IDRs은 세포 신호 전달, 유전자 발현, 세포 조직화에 중요한 역할을 하지만, 빠른 서열 진화로 인해 표준 도구를 사용하여 연구하기가 매우 어렵다. 본 연구는 위치적 서열 보존보다는, 보존된 전체적인 분자적 특징에 초점을 맞춰, 인간 무질서 단백질에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. 수천 개의 인간 IDRs에 걸쳐 이러한 특징들을 매핑함으로써, 본 연구는 어떤 보존된 무질서 측면이 특정 단백질 기능이나 상호작용 네트워크에 기여하는지, 그리고 어떤 측면이 질병 위험 유전자와 연관되어 있는지를 밝히고자 하였다. 연구는 단백질체 과학(proteome science)의 오랜 난제였던 무질서 속에 숨겨진 정보의 논리를 규명하고자 하였다.

연구팀은 서열 보존도(sequence conservation)로부터 IDRs을 매핑한 이전 연구들을 바탕으로 이번 연구를 진행했으며, 그 과정에서 "예상치 못하게 많은 수의 기능 그룹들"을 발견했다. 연구자들은 인간 단백질체의 3분의 1이 IDRs을 포함하고 있으며, 그중 약 5%가 본질적으로 무질서한 단백질(IDPs)이라고 지적한다.

세포가 이러한 소위 "무질서" 속에서도 작동한다는 사실은 더 높은 차원의 질서가 존재함을 시사한다. 이 부분에서 "숨겨진 논리"를 발견하는 것은 단백질체 과학에서 오랫동안 미개척 분야였던 영역을 개척하고, 단백질체의 작동 방식과 기능에 대한 이해를 증진시킬 수 있다. IDRs은 "기존의 구조-기능 패러다임을 거스르는" 것처럼 보이지만, 수십 년간 생화학 분야에서 이루어진 발전이 거듭 증명해 왔듯이, 과학자들이 적절한 조정을 한다면, 잡음 속에서도 더 많은 의미를 찾아낼 수 있다.

본 연구에서는 진화적으로 보존된 IDRs의 분자적 특징들이 인간 무질서 단백질체(IDRome)를 기능적으로 풍부하게 나타내는 지도로 클러스터링하는 데 활용될 수 있음을 보여준다. 우리는 보존된 IDR 특징들이 기능적 용어들과 어떻게 상관관계를 가지는지 정량화하고, 특정 용어들에 대해서는 단백질체 전체에 걸쳐 IDRs에 대한 주석을 예측한다. 나아가 IDRs의 보존된 특징들이 다양한 생체분자 응축체로의 단백질 국소화를 예측하고, 응축체 관련 IDR에서 증가된 클러스터 내 연결성을 설명하며, 상호작용 파트너들 사이에서 짧은 선형 모티프 결합 도메인을 풍부하게 나타냄을 보여준다. 우리는 기능이 알려지지 않은 무질서 단백질들과 질병 위험 유전자들에 의해 코딩된 단백질들이 풍부한 클러스터에서 나타나는 보존 패턴을 강조하여 보여준다. 본 연구에서 제시하는 인간 IDRome 지도는 새로운 IDR 생물학 연구에 유용한 자료가 될 것이다.

"진화적으로 보존된(evolutionarily conserved)"이라는 말은 늘 그렇듯이 진화하지 않았다는 뜻이다. 이 점을 명확히 했으니, 이제 또 다른 "-옴(-ome)"(게놈이나 프로테옴처럼 유사한 요소들의 집합)인 "IDR-ome"을 소개한다. 기능성 프로테옴이 이전에는 무질서하다고 여겨졌던 것들을 포괄하여, 새로운 차원의 질서가 발견되는 것은 매우 흥미로운 일이다.

질서적으로 처리되는 무질서

연구팀은 IDR-ome에서 번역 후 변형되는 증거를 발견했다. 이는 무질서 영역이 DNA에 완전히 코딩되어 있지 않다는 것을 나타낸다 :

특히 생체분자 응축물 맥락에서 IDRs과 IDPs의 기능적 중요성이 점점 더 인식되고 있다. 더 일반적으로, IDR의 생물학적 기능은 단백질 위치(세포 내 및 세포 외), 번역 후 변형에 의해 조절되는 세포 신호전달 상호작용, 그리고 기타 단백질 조절 측면과 관련이 있다.

번역 후 변형(posttranslational modifications)은 스플라이싱(splicing) 과정에서 발생할 수 있으며, 이는 인트론과 대체 스플라이싱이 이들의 생성 및 표적화에 관여함을 시사한다. 연구팀은 IDRs이 집중적으로 나타나는 20가지 생물학적 기능 범주를 확인했다 :

가장 많은 빈도로 나타나는 클러스터 중 일부는 DNA 결합(23%), 크로마틴/크로마틴 결합(33%), RNA 대사(22%), 세포골격(12%), 신호전달(11%), 막횡단 수송(7%), 생식(7%)과 관련이 있으며, 이는 IDRs을 포함하는 단백질(예: 전사 인자, 스플라이싱 인자, 신호전달 단백질)에 자주 기인하는 분자 기능 및 세포 과정이다. 또한 IDR-ome 기반 지도에서 빈도는 낮지만, 유의미하게 과대하게 대표되는 용어들, 예를 들어 "히스톤 변형"(4%), "세포 형태 형성"(2%), "선천면역 반응"(2%), "핵공 복합체"(1%), "클라트린 결합"(1%)과 관련된 용어들도 주목할 만하다.

일부 단백질은 여러 개의 IDRs을 포함하고 있기 때문에, 단일 기능 범주에 깔끔하게 들어맞지 않는다는 것을 시사한다. IDRs은 다양한 단백질과의 연결성 증가라는 이점을 내포하고 있을까? 아니면 한 가지 기능만 가진 외톨이가 아니라, 여러 기능을 수행하는 집단적인 존재일까?

장점으로서의 유연성

연구자들이 IDRs과 응축물(condensates) 사이의 연관성을 발견했다는 점에 주목해야 한다. (응축물 발견에 대한 자세한 내용은 여기, 여기, 여기, 그리고 여기를 참조하라.) 저자들은 IDR이 유연성 덕분에 응축물(condensates), 핵 반점(nuclear speckles), 응력 과립(stress granules)과 같은 일시적인 분자 집합체들과, 핵소체(nucleolus)와 같은 보다 안정적인 중심체 내에서 다양한 단기 상호작용에 참여할 수 있음을 발견했다. IDRs은 응축물을 생성하고 분산시키는 상 분리 현상의 물리적 과정에서도 역할을 할 수 있다.

질서정연한 구조적 요소가 부족함에도 불구하고, IDRs은 핵심적인 세포 과정에서 기능하며, 종종 일시적이고, 다가 상호작용(multivalent interactions)을 통해, 상 분리를 촉진하고, 생체 분자 응축물에 관여함으로써, 단백질-단백질 상호작용 네트워크의 허브 역할을 한다.

이것만으로도 이미 흥미진진하지만, 여기서 끝이 아니다. 스티븐 이아코보니(Stephen Iacoboni)가 2026년 3월(여기)과 5월(여기)에 쓴 글처럼, 새로운 패러다임이 등장하고 있다. 그는 IDPs와 IDRs에는 "무질서"라는 것은 전혀 없으며, 오히려 세포 내 "활성 물질(active matter)"의 예로서, 그 유연성 덕분에 "세포 내 세계의 나노초 단위 요구에 반응"할 수 있다고 말한다. "무질서(disordered)"라는 부적절한 명칭은 마치 오해를 불러일으켰던 DNA 조각에 붙여졌던 "쓰레기(junk)"라는 모욕적인 표현처럼 들린다.

현재까지 20,000여 개의 인간 IDRs을 매핑한 저자들은 "보존된 IDR 분자 특징의 조합이 특정 단백질 수준의 기능적 주석 및 세포 내 위치와 상관관계가 있음을 보여준다"고 밝혔다.

여기서 소개하는 인간 IDR-ome 지도는 지금까지 표준 생물정보학적 접근 방식으로는 밝혀내지 못했던, 인간 프로테옴의 광범위한 부분에 대한 기능적 요소들을 발견하기 위한 자료가 될 수 있다.

우리의 예측은 IDR 관련 기능의 풍부한 복잡성을 반영하며, 서로 다른 IDR 기능 범주와 밀접하게 연관된 IDR 특징의 발견 및 비교를 뒷받침한다.

이것은 뭔가 큰 일의 시작일지도 모른다.

연구자들이 분자생물학(molecular biology)을 더 깊이 탐구함에 따라, 더 높은 차원의 개념이 밝혀지는 추세에 발맞춰, 과학자들의 눈앞에서 발견의 지평이 넓어지고 있다. 논문에서 발췌한 다음 구절들을 주목해 보라 :

"다양한 유형의 기능적 IDRs을 구분할 수 있는, 보다 원칙적인 IDRs 세분화는 향후 연구의 중요한 방향이다."

"관련 분자 특징 목록은 앞으로 계속 증가할 가능성이 높으며, 자기 지도 학습 방식의 딥러닝 접근법을 사용하여, 체계적이고 편향되지 않은 방식으로 기능적으로 관련된 특징을 발견하기 위한 노력이 이미 진행되고 있다."

"IDR 연구의 활발한 분야는 상 분리 및 생체분자 응축물 형성에 있어 특정 IDRs의 역할에 초점을 맞추고 있다. 응축물이 어떻게 특이성을 획득하는지, 그리고 특정 단백질이 특정 응축물에 국소화되는 이유는 무엇인지가 핵심적인 질문이다.“

저자들은 IDRs에서 진화가 활발하게 진행되었지만, 아마도 부정적인 방식으로만 진행되었을 것이라고 추측하고 있었다. 그들은 보존되지 않은 IDRs은 돌연변이에 의해 손상되었을 가능성을 시사하고 있었다 :

이러한 결과를 바탕으로, 우리는 해당 클러스터에서 IDRs의 보존된 특징을 파괴하는 돌연변이가 병리학적 영향을 미칠 가능성이 더 높다는 가설을 세웠으며, 이는 향후 연구의 중점 사항이 될 것이다.

그렇다면 초록에서처럼 기능에 대한 논의와 질병에 대한 논의를 결합할 이유는 없다.

본 연구에서는 기능이 알려지지 않은 무질서 단백질들과, 질병 위험 유전자에 의해 코딩되는 단백질이 풍부하게 존재하는 클러스터에서 나타나는 보존 패턴을 강조하고 있다. 본 연구에서 구축한 인간 IDR-ome 지도는 새로운 IDR 생물학 연구에 유용한 자료가 될 것이다.

보존(conservation)이라는 용어 대신 "원래 설계(original design)"를, 질병 위험 유전자에 의해 암호화된 단백질(proteins encoded by disease-risk genes)이라는 용어 대신 "퇴화(devolution)"를 사용하면, IDPs와 IDRs에 대한 논의에서 진화론적 요소를 제거할 수 있다. 다윈주의적 접근 방식 대신, 설계론 옹호자들은 기존의 중심 교리로는 이해할 수 없었던 더 높은 수준의 지적설계를 상상할 수 있다. 젊은 과학자들은 단백질체의 소위 "무질서한" 영역에 대한 연구를 발전시키고, 더 나아가 이 개념에 더 적절한 이름을 붙이는데 기여할 수 있을 것이다.

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