중요성 DNA는 핵 내에 들어맞고 세포분열 동안에도 적절히 포장되어야 하며, 이때 기계적 분리를 위해 조밀한 염색분체가 형성된다. 이러한 과정은 단백질 복합체 콘덴신(condensin)에 의존한다. 콘덴신은 루프 익스트루전(loop extrusion)을 통해 DNA에 루프를 형성하고 확장시킨다. 본 연구는 ATP가 가수분해되지 않은 상태의 DNA 결합 콘덴신에 대한 원자 수준 구조를 규명한다. DNA는 Rad50, 코헤신(cohesin), MukBEF를 포함하는 다른 구조유지 염색체(SMC) 복합체들에서 이전에 보고된 바 있는 구획(compartment) 내에서 고정(clamp)된다. 중요한 차이점이 있다는 점을 전제로 하더라도, 이는 모든 SMC 복합체가 적어도 일부 유사한 상태를 거치며, ATP를 가수분해하고 DNA를 전위시키는 동안 머리(head) 모듈에서 유사한 형태 변화에 관여함을 의미한다.

응축소(CONDENSIN)는 유사분열 동안 DNA가 염색분체로 응축(compaction)되는 데 필요로 하는 염색체 구조 유지 복합체(Structural Maintenance of Chromosomes, SMC)이다. 응축소에 의한 길이방향 DNA 응축은 ATPase에 의해 구동되는 루프 압출(loop extrusion)에 의해 촉진되며, 이 과정은 대부분, 혹은 모든 SMC 복합체의 근본적인 기능으로 여겨진다. 분자 수준의 통찰을 얻기 위해, 우리는 천천히 가수분해되는 ATP 유사체와 선형 및 원형 DNA의 존재 하에서 효모 응축소(yeast condensin)의 cryo-EM 구조를 확보하였다. 그 결과, DNA는 앞서 보고된 DNA 결합 SMC 복합체 구조와 유사한 방식으로, 결합된 이량체 이종이량체(heterodimeric) SMC ATPase 머리(head)와 Ycs4 소단위 사이에서 “고정(clamped)”되어 있는 것으로 나타났다. 다른 비-SMC 소단위인 Ycgl은 복합체에 비교적 유연하게 결합되어 있으면서도 DNA를 강하게 결합하였고, 종종 머리 모듈(head module)로부터 떨어져 있는 상태를 유지하였다. 고정된 상태(clamped state)에서는 DNA가 kleisin Brn1과 Smc2 및 Smc4의 결합된 두 머리 도메인에 의해 둘러싸이며, 즉 위상적으로 가두어(topologically entrapped)지며, 이 삼자 고리(tripartite ring)는 Smc2의 목(neck)을 포함한 모든 계면에서 닫혀 있다. DNA가 없는 상태에서는 머리 결합 시 목 게이트(neck gate)가 열리지만, DNA가 존재할 때는 닫힌 상태로 유지됨을 보여준다. 본 연구는 응축소 및 기타 SMC 복합체가 ATPase 주기 동안 머리 모듈에서 유사한 형태를 거친다는 점을 입증한다. 이에 비해 응축소 복합체에서의 Ycgl 소단위의 거동은 압출 반응의 구현 방식에 차이가 있을 수 있음을 시사하며, 본 연구 결과는 SMC 복합체에 의한 루프 압출에 대한 추가 기계론적 모델을 제약할 것이다. 중요성 진술(Significance statement): DNA는 핵에 수용되기 위해, 그리고 기계적 분리를 위해 치밀한 염색분체가 형성되는 세포 분열 동안 극적으로 응축되어야 하며, 이 과정은 단백질 복합체 응축소(condensin)에 의존한다. 응축소는 루프 압출을 통해 DNA에서 고리를 형성하고 확장한다. 본 연구는 ATP가 가수분해되지 않은 상태에서의 DNA 결합 응축소의 원자 수준 구조를 규명한다. DNA는 Rad50, cohesin 및 MukBEF를 포함한 다른 SMC 복합체에서 이전에 보고된 바 있는 구획(compartment) 내부에서 고정(clamping)된다. 또한 우리가 발견한 중요한 차이점이라는 단서를 고려하더라도, 이는 모든 SMC 복합체가 적어도 일부 유사한 상태를 순환하며, ATP를 가수분해하고 DNA를 전위(translocate)하는 동안 머리 모듈에서 유사한 형태 변화를 겪는다는 것을 의미한다.

중요성 DNA는 핵 내에 들어맞고 세포분열 동안에도 적절히 포장되어야 하며, 이때 기계적 분리를 위해 조밀한 염색분체가 형성된다. 이러한 과정은 단백질 복합체 콘덴신(condensin)에 의존한다. 콘덴신은 루프 익스트루전(loop extrusion)을 통해 DNA에 루프를 형성하고 확장시킨다. 본 연구는 ATP가 가수분해되지 않은 상태의 DNA 결합 콘덴신에 대한 원자 수준 구조를 규명한다. DNA는 Rad50, 코헤신(cohesin), MukBEF를 포함하는 다른 구조유지 염색체(SMC) 복합체들에서 이전에 보고된 바 있는 구획(compartment) 내에서 고정(clamp)된다. 중요한 차이점이 있다는 점을 전제로 하더라도, 이는 모든 SMC 복합체가 적어도 일부 유사한 상태를 거치며, ATP를 가수분해하고 DNA를 전위시키는 동안 머리(head) 모듈에서 유사한 형태 변화에 관여함을 의미한다.

응축소(CONDENSIN)는 유사분열 동안 DNA가 염색분체로 응축(compaction)되는 데 필요로 하는 염색체 구조 유지 복합체(Structural Maintenance of Chromosomes, SMC)이다. 응축소에 의한 길이방향 DNA 응축은 ATPase에 의해 구동되는 루프 압출(loop extrusion)에 의해 촉진되며, 이 과정은 대부분, 혹은 모든 SMC 복합체의 근본적인 기능으로 여겨진다. 분자 수준의 통찰을 얻기 위해, 우리는 천천히 가수분해되는 ATP 유사체와 선형 및 원형 DNA의 존재 하에서 효모 응축소(yeast condensin)의 cryo-EM 구조를 확보하였다. 그 결과, DNA는 앞서 보고된 DNA 결합 SMC 복합체 구조와 유사한 방식으로, 결합된 이량체 이종이량체(heterodimeric) SMC ATPase 머리(head)와 Ycs4 소단위 사이에서 “고정(clamped)”되어 있는 것으로 나타났다. 다른 비-SMC 소단위인 Ycgl은 복합체에 비교적 유연하게 결합되어 있으면서도 DNA를 강하게 결합하였고, 종종 머리 모듈(head module)로부터 떨어져 있는 상태를 유지하였다. 고정된 상태(clamped state)에서는 DNA가 kleisin Brn1과 Smc2 및 Smc4의 결합된 두 머리 도메인에 의해 둘러싸이며, 즉 위상적으로 가두어(topologically entrapped)지며, 이 삼자 고리(tripartite ring)는 Smc2의 목(neck)을 포함한 모든 계면에서 닫혀 있다. DNA가 없는 상태에서는 머리 결합 시 목 게이트(neck gate)가 열리지만, DNA가 존재할 때는 닫힌 상태로 유지됨을 보여준다. 본 연구는 응축소 및 기타 SMC 복합체가 ATPase 주기 동안 머리 모듈에서 유사한 형태를 거친다는 점을 입증한다. 이에 비해 응축소 복합체에서의 Ycgl 소단위의 거동은 압출 반응의 구현 방식에 차이가 있을 수 있음을 시사하며, 본 연구 결과는 SMC 복합체에 의한 루프 압출에 대한 추가 기계론적 모델을 제약할 것이다. 중요성 진술(Significance statement): DNA는 핵에 수용되기 위해, 그리고 기계적 분리를 위해 치밀한 염색분체가 형성되는 세포 분열 동안 극적으로 응축되어야 하며, 이 과정은 단백질 복합체 응축소(condensin)에 의존한다. 응축소는 루프 압출을 통해 DNA에서 고리를 형성하고 확장한다. 본 연구는 ATP가 가수분해되지 않은 상태에서의 DNA 결합 응축소의 원자 수준 구조를 규명한다. DNA는 Rad50, cohesin 및 MukBEF를 포함한 다른 SMC 복합체에서 이전에 보고된 바 있는 구획(compartment) 내부에서 고정(clamping)된다. 또한 우리가 발견한 중요한 차이점이라는 단서를 고려하더라도, 이는 모든 SMC 복합체가 적어도 일부 유사한 상태를 순환하며, ATP를 가수분해하고 DNA를 전위(translocate)하는 동안 머리 모듈에서 유사한 형태 변화를 겪는다는 것을 의미한다.

단백질 코로나는 생체 내에서 나노입자를 피할 수 없이 감싸지만, 그 치료 잠재력은 현재까지 대부분 활용되지 못하고 있다. 본 연구에서는 PEGylated 금 나노스타에 면역글로불린 G를 흡착시켜 단일-단백질 나노코로나를 공학적으로 제작하고, 선천성과 적응성 면역을 결합하는 이중 양식의 항종양 전략을 규명한다. 나노코로나 형성은 IgG에서 β-시트와 α-헬릭스의 이차 구조를 재구성함과 동시에, 종양연관 대식세포를 M1 표현형으로 전환하여 염증성 사이토카인을 방출한다. AuS의 광열(photothermal) 특성을 활용하여 근적외선 조사와 함께 면역원성 세포사멸을 상승적으로 유도하고, 간질액 압력을 낮추며, 조절 T 세포를 고갈시키면서 세포독성 T 림프구의 심부 침윤을 촉진한다. 동계(동계) CT26 종양 모델에서, 나노코로나 및 광열 치료와 항-PD-L1 병용 요법은 확립된 종양을 유의하게 파괴하고 재도전 시 완전한 보호를 제공하여, 백신과 같은 면역 기억을 시사한다. 전반적인 혈액학 및 장기 조직학 분석은 경미하거나 무시할 만한 전신 독성을 보여준다. 이러한 결과는 단일-단백질 나노코로나를 단독 면역치료제로 자리매김하게 하며, 광열 나노물질을 다기능성 암 백신으로 전환하기 위한 일반화 가능한 설계도(blueprint)를 제공한다.

식이 섭취 동안의 호르몬 조절과 통증과의 연관성은 글루카곤 유사 펩타이드-1(Glucagon-like peptide-1, GLP-1)이 일시적 수용체 퍼텐셜 바닐로이드 1(Transient receptor potential vanilloid 1, TRPV1)에 미치는 영향을 조사하도록 이끌었다. 내인성 및 합성 GLP-1뿐 아니라 GLP-1R 길항제인 exendin 9-39는 순진(naïve) 마우스에서 열 감수성을 감소시켰다. GLP-1 유래 펩타이드(리라글루타이드(liraglutide), exendin-4, exendin 9-39)는 배양 감각 뉴런 및 TRPV1 발현 세포주에서 캡사이신(capsaicin, CAP) 유도 전류와 칼슘 반응을 효과적으로 억제하였다. 특히 exendin 9-39는 CAP 유발 급성 통증뿐 아니라 완전 프로이트 보조제(complete Freund's adjuvant, CFA)로 유발된 만성 통증 및 스페어드 신경 손상(spared nerve injury, SNI)으로 유발된 통증을 마우스에서 완화하였으며, 다른 TRPV1 억제제에서 흔히 나타나는 발열(hyperthermia)은 유발하지 않았다. 전기생리학적 분석 결과, exendin 9-39는 TRPV1의 세포외(extracellular) 측에 결합하며 CAP에 대한 비경쟁적(noncompetitive) 억제제로 기능하는 것으로 나타났다. exendin 9-39는 양성자(proton) 유도 TRPV1 활성에는 영향을 주지 않아, 선택적 길항 작용을 시사하였다. exendin 9-39의 여러 절편 중 exendin 20-29는 TRPV1에 특이적으로 결합하여, GLP-1R 기능을 방해하지 않으면서 급성 및 만성 통증 모델 모두에서 통증을 완화하였다. 본 연구는 GLP-1 및 그 유도체가 통증 완화에서의 새로운 역할을 가짐을 밝혀내었으며, exendin 20-29를 유망한 치료 후보로 제시한다.

ABSTRACT 코헤신(cohesin)은 SMC 단백질 한 쌍(Smc1 및 Smc3)을 포함하는 3량체 복합체로서, 긴 코일드 코일(long coiled coils, CC) 말단에 위치한 ATPase 도메인들이 Scc1에 의해 연결된다. 간기(interphase) 동안 코헤신은 Scc1이 SA(yeast: Scc3)로 불리는 두 개의 커다란 갈고리 모양(hook shaped) 단백질들과 및 Nipbl(Scc2)과 결합하는 것에 의존하는 방식으로 루프를 배출(extruding)하여 염색체 DNA 위상(topology)을 조직화한다. 후자의 대체가 Pds5에 의해 일어나면 Wapl이 모집되며, 이 과정은 Scc1의 N-말단 도메인(NTD)이 Smc3로부터 해리되어야 한다. Esco(Eco) 매개 Smc3 아세틸화에 의해 차단되는 경우, Pds5를 포함한 코헤신은 단지 기존의 루프를 유지하지만, DNA 복제 중에는 세 번째 운명이 발생하여, Pds5를 포함한 코헤신이 Sororin과 결합하고 자매(sister) DNA를 함께 붙잡아 두는 구조를 형성한다. Wapl이 유도하는 방출(release)과 Sororin이 이를 차단하는 메커니즘은 지금까지도 불가사의로 남아 있었다. 발견된 지 20년이 지난 지금까지, 그들의 역할에 대해 단 하나의 검증 가능한 가설도 제시되지 않았다. 여기서 AlphaFold 2(AF) 3차원 단백질 구조 예측은 Wapl, SA, Pds5 및 Scc1의 NTD 사이의 4자(사량) 복합체(quarternary complex) 형성을 제안하게 하였으며, 이때 후자는 Wapl의 C-말단 도메인(CTD) 내의 매우 보존된 열(cleft)에 인접(그리고 이어서 격리(sequestered)됨)된다. AF는 또한 SMC ATPase 도메인들의 결합에 의해 유도된 Smc3 CC의 왜곡으로 인해 Scc1이 Smc3로부터 해리되는 과정을 보여주고, Pds5에 의해 Smc3로 Esco 아세틸전달효소가 모집되는 방식, 그리고 Sororin이 Smc3/Scc1 계면(interface)에 결합함으로써 방출을 어떻게 방지하는지를 밝혀준다. 우리의 가설은 다수의 기존 돌연변이에 대한 표현형(phenotypes)을 설명하며, 고도로 검증 가능하다.

코헤신은 SMC 단백질 한 쌍(Smc1 및 Smc3)을 포함하는 삼중체 복합체로서, 긴 권상나선(coiled coil; CC) 말단의 ATPase 도메인들이 Scc1에 의해 서로 연결되어 있다. 간기 동안 코헤신은 Scc1이 SA(효모: Scc3) 및 Nipbl(Scc2)이라 불리는 두 개의 큰 갈고리 모양 단백질과 결합하는 데 의존하는 방식으로 염색체 DNA의 위상(topology)을 고리(loop)를 압출(extrude)하여 조직화한다. 후자의 경우, Pds5로의 대체가 Wapl을 모집(recruit)하며, 이는 Scc1의 N-말단 도메인(NTD)이 Smc3로부터 해리(dissociation)되는 과정이 필요함으로써 염색질로부터의 방출(release)을 유도한다. Esco(Eco) 매개 Smc3 아세틸화에 의해 차단되면, Pds5를 포함한 코헤신은 단지 기존에 존재하던 고리를 유지하지만, DNA 복제 동안에는 또 다른 세 번째 운명이 발생하는데, 이때 Pds5를 포함한 코헤신은 Sororin과 결합하여 자매 DNA를 함께 유지하는 구조를 형성한다. Wapl이 어떻게 방출을 유도하고 Sororin이 어떻게 이를 차단하는지는 지금까지 미스터리로 남아 있었다. 발견된 지 20년이 지난 지금까지, 그들의 역할에 대해 단 하나의 검증 가능한 가설도 제시되지 않았다. 여기서 AlphaFold 2(AF) 3차원 단백질 구조 예측은 Wapl, SA, Pds5, 그리고 Scc1의 NTD 사이의 사중(quarternary) 복합체 형성을 제안하게 하며, 이때 후자는 Wapl의 C-말단 도메인(CTD) 내에 있는 매우 보존된 틈(cleft)에 인접해 배치되고(그리고 이후 그 틈에 의해 격리(sequestered)된다). 또한 AF는 Scc1이 Smc3로부터 해리되는 과정이, SMC ATPase 도메인의 결합으로 인해 Smc3의 CC가 일그러짐(distortion)을 겪음에서 기인함을 보여주며, Pds5에 의해 Esco 아세틸전이효소들이 Smc3로 모집되는 방식, 그리고 Sororin이 Smc3/Scc1 계면(interface)에 결합함으로써 방출을 어떻게 막는지를 밝혀준다. 우리의 가설은 다수의 기존 변이(mutation)의 표현형을 설명하며, 매우 높은 수준의 검증 가능성을 갖는다.

Nasmyth 등(2023)에 기술된 바와 같은 AlphaFold 예측.

Nasmyth 등, 2023에 기술된 바와 같은 AlphaFold 예측.