막단백질 연구를 위한 벤젠 중심구조를 지닌 양친매성 분자의 개발: 새로운 분자 설계 원리에 대한 고찰

Abstract

막단백질은 인지질 장벽을 가로 질러 존재하며 정보와 분자의 전달을 조절함으로써 많은 세포 과정에서 중요한 역할을 수행한다. 그러나, 막단백질의 구조 및 기능에 대한 우리의 이해는 많이 부족한데 이는 본래의 지질 이중층 환경 외부에서 이들 단백질을 취급하는 것이 어렵기 때문이다. 이러한 막단백질을 수용액과 같은 극성 용매 속에서 용해 상태로 유지하기 위해서는 친유성 부분을 감쌓을 수 있는 양친매성 분자의 사용이 요구된다. 지금까지 막단백질의 용해성 및 안정화를 위한 새로운 양친매성 화합물의 개발에 많은 노력이 기울여져 왔지만, 개발된 화합물의 특성 한계로 여전히 많은 단백질을 분리하거나 연구하기 어렵다. 전통적인 양친매성 분자들이 막단백질의 연구에 자주 사용되지만, 이러한 양친매성분자들에 의해 캡슐화된 막단백질은 종종 변성되거나 응집된다. 양친매성 분자의 막단백질에 대한 효능을 향상시키기 위해, 우리는 분자의 중심부에 벤젠 고리를 갖는 여러 종류의 탄수화물 포함한 양친매성 분자들을 고안하고 합성하였다. 이러한 신규 양친매성 분자는 중심코어/링커의 화학 구조 및 친수성기의 그룹 (글루코즈 또는 말토오즈)의 변화에 따라 5개의 종류로 나눌 수 있다: 파라 자일렌 기반의 P-XMAs, 메타-/올소-자일렌 기반의 M-/O-XMAs, 메시틸렌 기반의 MGAs, 메타 자일렌 기반의 M-XGAs 그리고 가지 사슬을 가진 파라 자일렌 기반의 bM-XMAs. 초기에 고안한 양친매성 분자는 두개의 알킬 사슬과 말토오즈 친수성 그룹을 포함하는 양친매성 분자로 막단백질 안정화 효과에 대해서 DDM과 비교했을 때 그리 효과적이지 못했다. 따라서, 우리는 이러한 양친매성 분자의 구조적 변형을 통해 양친매성 분자의 특성을 개선하려고 노력했다. 첫번째 전략으로 분자의 소수성 그룹으로 두개의 알킬 사슬 대신에 세개의 알킬 사슬을 가지는 MGA를 만들어 알킬 사슬의 수를 늘여 소수성 밀도를 증가시키고자 하였다. 이 종류의 양친매성 분자는 다양한 막단백질의 안정화에 있어서 우수한 특성을 보여주었다. 또 다른 전략으로 기존의 M-XMA의 기본 구조를 유지하면서 말토오즈 대신에 글루코즈를 친수성 그룹으로 도입하여 분자의 친수성을 감소시키거나, 말토오즈 친수성 그룹을 유지한채 가지형 알킬 사슬을 도입하여 분자의 소수성을 증가시키고자 하였다. 이를 통해 M-XGAs와 bM-XMAs를 고안하고 합성하여 기존 M-XMA의 친수성-소수성 균형을 크게 개선하였다. 구조적으로 변형된 양친매성 분자(즉, M-XGAs 및 bM-XMAs)를 다양한 막단백질에 평가해본 결과 모두 우수하였지만 M-XGAs가 bM-XMAs보다 막단백질 안정화에 있어서 더욱 뛰어난 성질을 보이는 것을 알수 있었으며, M-XGAs는 G 단백질 수용체 (GPCR) 및 G-단백질 복합체를 안정화 시키는데에도 현저하게 효과적이었다. 따라서, 이러한 결과에 기초하여 양친매성 분자의 친수성과 수소성 사이의 균형(HLB)이 막단백질 안정성을 위한 중요한 분자의 특성임을 확인 할 수 있었다. 또한, 두 알킬 사슬 간의 거리와 함께 알킬 사슬 길이가 막단백질 안정화의 중요한 요소임을 발견할 수 있었다. 따라서 저의 박사과정 연구결과는 막단백질 연구에 우수한 효능을 가진 새로운 양친매성을 제공할 뿐만 아니라, 미래의 양친매성 개발을 위해 필수적으로 요구되는 여러 가지 분자 설계 원리들을 소개하는데 기여하고 있다.; Integral membrane proteins (IMPs) serve as critical membrane components in many cellular processes by controlling the transfer of information and molecules across lipid barriers. However, our understanding of IMP structure and function is hampered by the difficulties associated with handling these proteins outside their native lipid bilayer environments. Bringing such proteins into aqueous solution generally requires the use of a detergent to shield the large lipophilic surfaces displayed by IMPs in their native forms from polar solvent medium. Considerable efforts have been devoted to the development of new amphiphiles for solubilization and stabilization of IMPs, but many proteins remain difficult or impossible to isolate and study because of the inadequacies in the biochemical toolbox. Conventional detergents are commonly used for membrane protein manipulation, but membrane proteins encapsulated by these agents often undergo denaturation and aggregation. In order to improve detergent efficacy, we have designed and synthesized several classes of carbohydrate-bearing amphiphiles with a benzene ring in the central region. These classes of novel detergents could be divided into five categories depending on the chemical structures of central cores/linkers and identity of head group (glucoside or maltoside): para-xylene-linked maltoside amphiphiles (P-XMAs), meta-/ortho-xylene- linked maltoside amphiphiles (M-/O-XMAs), mesitylene-cored glucoside amphiphiles (MGAs), meta-xylene-linked glucoside amphiphiles (M-XGAs) and branched alkyl chain-bearing meta-xylene-linked maltoside amphiphiles (bM-XMAs). Initial designs (i.e., P-XMAs and its isomeric amphiphiles (M-/O-XMAs)) commonly containing two alkyl chains and maltoside head groups were not so much effective at stabilizing membrane proteins although some of these XMAs were compared to DDM in terms of membrane proteins stabilization efficacy. Thus, we have tried to improve detergent properties by structural modifications of these agents. The first strategy for this direction was to increase the number of alkyl chains, which generated MGAs with three alkyl chains instead of two chains. This class of amphiphiles showed favorable behaviors toward stabilization of multiple membrane proteins tested here. Another strategy was to decrease hydrophilicity by introducing glucoside head group instead of maltoside or increase hydrophobicity by utilizing branched alkyl chains with maltoside head group kept in M-XMA scaffold. This structural modification produced M-XGAs and bM-XMAs, respectively. We found that these structurally modified agents (i.e., M-XGAs and bM-XMAs) conferred marked stability to most of targeted membrane proteins tested here, with the M-XGAs generally better than the bM-XMAs. In particular, the M-XGAs were remarkably effective at stabilizing a G protein-coupled receptor (GPCR) and its complex with G-protein. Thus, based on these results, balance between detergent hydrophilicity and hydrophobicity (i.e., hydrophile-lipophile balance (HLB)) is critically important in determining detergent properties toward membrane protein stability. We also found that the numbers of alkyl chains and alkyl chain length, along with inter-alkyl chain distance are critical factors for membrane protein stabilization. The current study not only describes new amphiphiles with favorable efficacy for membrane protein research, but also introduces multiple new design principles for future amphiphile development.