[형광단백질] 1편 : GFP, 링커, 퓨전 위치

 

 

 

세포 안에서 특정 단백질이 어디에 위치해 있는지, 어떻게 움직이고 상호작용하는지를 관찰하고 싶을 때, 가장 널리 쓰이는 방법이 있어요. 바로 형광 단백질을 이용한 퓨전 단백질(fusion protein)을 만드는 방법이에요.

이 방식은 관찰하고 싶은 단백질(POI, protein of interest)에 GFP나 mCherry 같은 형광 단백질을 붙이는 것으로 시작해요.

 

 

그렇게 하면 세포 안에서 이 단백질이 형광을 띠게 되고, 살아있는 세포 안에서도 직접 관찰할 수 있는 강력한 도구가 되는 거예요.

 

그런데 아무렇게나 형광 단백질을 붙여서는 안 되겠죠. 오늘은 이 퓨전 단백질을 어떻게 잘 설계하면 좋을지, 어떤 점을 조심해야 하는지 함께 알아볼게요.

 

 

GFP는 만능이지만, 생각보다 크고 둔해요

 

 

형광 단백질 중 가장 유명한 건 단연 GFP(Green Fluorescent Protein)예요. 크기는 약 240개 아미노산, 약 28kDa로 꽤 큰 편이고, 베타-배럴 구조로 되어 있어요. 이 구조는 다른 단백질과 결합하지는 않지만, 크기가 크다 보니 단백질의 기능을 방해할 수 있어요.

이런 현상을 입체 장애(steric hindrance)라고 해요. 예를 들어, 효소의 활성 부위나 결합 모티프를 막아서 제대로 작동하지 않게 만들 수도 있어요.

그래도 GFP는 여전히 실험실에서 아주 자주 사용되고, 다양한 변형체들이 개발되어 있어서 선택의 폭이 넓어요.

 

 

 

단백질이 ‘붙어버리는’ 문제 - stickiness 피하기

 

 

 

형광 단백질 중 일부는 자기들끼리 뭉치는 성질(homodimerization)을 가지고 있어요. 이걸 stickiness라고 불러요. 형광 단백질이 뭉치면 원래 단백질보다 크기가 두 배로 커지고, 상호작용도 달라질 수 있어서 문제가 생겨요.

 

그래서 퓨전 단백질을 설계할 때는 단량체(monmeric)로 작용하는 형광 단백질을 선택하는 게 좋아요.

 

대표적인 좋은 예시로는

 

mTurquoise2

mEGFP

mNeonGreen

mScarlet(-I)

mCherry

 

이런 단백질들은 세포 안에서도 안정적으로 단량체로 존재해서 덜 “끈적끈적”해요.

 

 

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링커(연결 서열)는 짧을수록 좋아요

 

 

초창기에는 형광 단백질이 단백질 기능을 방해할까봐, 길고 유연한 링커 서열(linker)을 많이 사용했어요. 주로 글라이신, 세린 같은 유연한 아미노산으로 구성된 구조를 형성하지 않는 서열을 썼죠.

하지만 최근에는 구조 정보가 많아지면서, 링커 없이도 문제가 없는 경우가 많이 알려지고 있고, 오히러 너무 긴 링커는 단백질 분해(프로테아제 절단)를 일으킬 수 있어 조심해야 해요.

 

N말단, C말단? 어디에 붙일까?

 

형광 단백질을 단백질의 N-말단이나 C-말단에 붙이는 건 가장 기본적인 전략이에요. 하지만 단순히 C-terminal fusion이라고만 적으면 헷갈릴 수 있어요.

 

그래서 보통은 단백질1-형광단백질 또는 형광단백질-단백질2처럼 N→C 방향으로 서열을 표현해요. 예를 들어

Lifeact-mTurquoise2

mScarlet-tubulin

 

이런 식이에요.

 

단백질의 말단에 중요한 시그널이 있는 경우에는 어떤 쪽에 형광 단백질을 붙이느냐가 기능에 큰 영향을 줄 수 있어요.

 

예를 들어 APT1 단백질은 mVenus를 뒤에 붙였을 때는 골지체에 잘 위치하지만, 앞에 붙였을 때는 위치가 엉망이 돼요.
이런 경우가 있기 때문에 일반적으로는 N-termnal, C-terminal 두 방향에 fusion한 형태를 모두 만들어 보고 비교해보는 게 가장 확실해요.

 

 

2편에서는 형광 단백질을 단백질 내부에 삽입해야 할 경우, 랜덤 삽입 전략, 과발현 문제, 그리고 기능 보존을 확인하는 팁까지 이어서 알려드릴게요.