사람의 유전체는 그 동안 간과되었던 수 천 가지의 작은 단백질을 만들 수 있다. 이들이 어떤 일을 하는지 알아보는 연구가 진행 중이다.

2009년 Jonathan Weissman은 실제 세포 안에서 어떤 일이 일어나는지 알아보는 새로운 방법을 찾고 있었다. 특히 분자생물학자로서 언제 어떤 단백질들이 만들어지는지 알고 싶었던 것이다. 그래서 그의 실험실은 단백질 공장이라고 할 수 있는 리보솜에서 직접 만들어지는 단백질을 분석하는 방법을 찾아냈다.

이 방법은 모든 세포에서 리보솜을 분리하여 여기에 붙어 있는 RNA를 염기분석하는데 관여했던 당시 post-doc인 Nicholas Ingolia(현재는 the University of California, Berkely에 근무)에 의해 개발되었다. 이 방법, 즉 리보솜 프로화일링(ribosome profiling)은 세포에서 만들어지는 모든 단백질의 정확한 양을 정확하게 알 수 있는 방법이다.

하지만 Weissman과 다른 이들도 이 방법을 쓰기 시작하면서 놀라운 사실을 발견하게 된다. 그들은 일반적인 유전자에서 나온 단백질만을 만드는 게 아니라 인간 유전체에서 당초 단백질을 만들지 못하는 것으로 알려진 부분에서 나온 것으로 생각되는 ‘암흑 단백질(dark protein)’을 만들어 내고 있다는 것을 발견하였다. “이때가 바로 ‘아!’ 하는 순간이었죠.” Whitehead Institute in Cambridge, Massachusetts에 근무하는 Weissman의 말이다. 이어진 연구에서 그와 다른 실험실에서도 조사한 거의 모든 생물에서 이런 예측 못했던 번역이 일어나고 있음을 발견하게 된다.

15년이 지난 지금도 과학자들은 이 단백질이 왜 만들어지는지 몰라 머리를 긁적이고 있는 셈이다.

암흑 단백질(dark protein)은 짧다-불과 수 십 개 또는 그 이하의 아미노산 길이이다. 그리고 대부분은 다른 생물체에서 유사한 것을 찾을 수 없다. 연구에 따르면 일부는 세포에서 필수적인 역할을 하며 사람의 건강에 영향을 줄 수 있다고 한다. 이들은 특정 암세포에서 많이 존재하며, 일부 회사들은 이 암흑 단백질을 표적 삼아 연구를 진행하고 있다. 하지만 이 신비로운 존재는 그들이 중요한 일을 하는지 또는 세포 안에서 아주 오랫동안 남아 있는지 등은 아직도 불확실하다.

University of Sherbrooke에서 단백질체학(proteomics)을 연구하는 Marie Brunet에 따르면 이 문제는 과학자들이 무엇이 문제인지조차 파악하지 못하고 있다고 한다. “만약 어떤 단백질이 보관함에 없다면 이걸 찾을 생각도 못하는 거죠.”

유전자수의 난제

Brunet은 사람의 유전체에 의해 만들어지는 모든 암흑 단백질을 조사 보고하는 글로벌 작업에 참여했다. 이 작업은 연구자들이 암흑물질에 관심을 갖게 하고, 이를 통해 이 단백질들이 무슨 일을 하는지 하나 하나 밝혀 나갈 수 있게 하는 것이다.

흥미로운 계획이라고 the PrincessMáxima Center for Pediatric Oncology in Utrecht, the Netherlands의 시스템 생물학자이며 이 프로젝트에 참여하고 있는 Sebastiaan van Heesch은 말했다. “여기에 새로운 생물학이 있는 건 분명했죠.”

사람 유전체가 2000년도에 처음 발표된 이후 연구자들은 단백질을 암호화하는 유전자 수가 몇 개 인지 알아내고자 열심히 조사하였다. 전형적인 방법으로 open reading frame(ORF)을 찾는 것이다. 즉, 특정 코돈(3개 염기)들이 단백질을 만들 수 있게 배열된 부분을 찾는 것이다. 유전체 학자들은 다른 단서도 살펴봤는데, 예를 들면 다른 생물들 간에 잘 보전되었는지 충분한 길이인지 등을 근거로 하는 것이다. 이들은 세포 안에서 기능을 가진 단백질이 만들어질 가능성에 대한 판단 기준이라고 할 수 있다.

이 기준에 미달된 많은 ORF들이 단지 생물학자들의 추측에 의해 무시되었다. 예비 유전자들의 명단을 만든 연구집단들, 예를 들면 GENCODE 프로젝트등이 제시한 단백질을 암호화한 유전자는 약 20,000개이다. 이중 약 90%가 실제로 만들어진 단백질 등을 통해 확인된 것이다(실제로는 각 유전자가 엑손을 포함시키는지 여부에 따라 다수의 단백질을 만들 수 있었다.). GENCODE를 비롯한 다른 연구 프로젝트에서도 데이터가 나오는 데로 예상치를 조정하고 있다.

하지만 University of Michigan Medical School in Ann Arbor의 암 생물학자인 John Presneer에 따르면 이런 추산은 부정확하다고 한다. 2001년까지 단백질에 대한 유전자를 모두 찾아 낼 수 있을 것이란 생각은 잘 못 알려진 것이라고 한다. “사람 유전체 프로젝트의 주도자들은 이게 단지 시작에 불과하다는 것을 알았습니다.” Prensner의 말이다.

리보솜에 결과물을 바로 측정할 수 있게 되면서 그 동안 간과되었던 ORF들과 이들이 만들어내는 단백질들의 기능에 대한 관심이 폭발적으로 늘어났다. Prensner, van Heesch 그리고 다른 연구자들이 합동하여 2022년 Nature Biotechnology의 논문에 ‘비-전형(non-canonical) ORF’ 7,000개를 발표하였다. 이들은 당초 단백질을 만들 조건을 충족시키지 못하여 데이터베이스에서 빠져 있던 것들이다. (van Heesch에 따르면 이 숫자도 최소로 잡은 것이라고 한다. 일부 연구에 따르면 사람 유전체에 의해 암호화된 암흑 단백질의 수는 만개가 넘을 것이라고 한다.

대부분의 비전형 ORF는 주로 기존의 전형적인 유전자 부근에 위치한다고 한다. 이중 약 1/3이 long non-coding RNA(lnRNA)의 유전자에서 발견된다-lnRNA는 조절의 역할을 하지 단백질을 만들 것 이라고는 여겨지지 않았었다.

단지 단백질이 만들어진다는 이유만으로 이 단백질이 안정하고 중요한 기능을 갖는 것을 의미하지는 않는다. 리보솜에 의한 비전형 ORF의 번역은 때론 인근 유전자의 발현을 조절하는데 활용되기도 한다. 예를 들면 빨리 분해되는 산물을 생산하게 하여 리보솜을 방해할 수도 있다고 Presner와 다른 이들도 주장한다. 이런 종류의 조절은 단백질 암호화 부위 앞에서 일어난다.

2022년의 논문에 앞서 내놓은 예비논문에서 Prensner, van Heesch 그리고 이 연구단에 가담한 유전체학과 단백질체학 전문가들은 -수십억개 데이터 점에 해당하는- 수많은 단백질체 데이터들을 샅샅이 조사하고 mass spectrometry 등의 방법을 통해 세포내 단백질들을 동정하였다(3). 이들은 약 1,700종의 비전형 ORF에서 나온 단백질조각들을 발견하였다. 이 중 15개는 단백질로 확인하기에 충분한 증거가 있어 정식으로 단백질 유전자로 등록되기도 하였다.

하지만 비전형 ORF가 단백질을 만든다는 확실한 증거는 없다. 문제는 여기서 나올 가능성이 있는 단백질의 크기가 작다는 것이다. 연구자들은 일반적인 단백질들의 크기는 평균 수 백개 아미노산에서 이 보다 긴 경우들이 대부분인데, 이들은 불과 100개 아미노산 보다 짧기 때문에 이들을 마이크로 단백질(micro protein)이라고 부른다. 이들의 작은 크기는 같은 조각을 찾는데 어려움을 준다-이 조각은 실험에서 단백질을 조각내어 만들어지는 것들이며 질량을 비교하여 동정한다. 세포를 깨서 만든 샘플은 긴 단백질의 조각들이 지배적으로 많다. 특히 마이크로 단백질의 양이 적을 경우 어려움이 더하다고 van Heesch는 말한다.

연구자들이 단백질 구조를 추측하는 AI-tool로 유명한 알파폴드(AlphaFold)를 이용하여 암흑단백질들의 구조를 추정해보면, 이 분자들은 잘 접혀진 고유한 단백질들의 구조는 찾기 힘들다. 하지만 Prensner에 따르면 “여기에는 우리가 놓쳤던 정형적인 단백질과 아주 닮은 예들도 분명히 있다.”고 한다. GENCODE와 그 밖에 기구들도 그 동안 간과되었던 단백질들을 다시 명단에 넣고 있다.

the European Molecular Biology Laboratory’s European Bioinformatics Institute in Hinxton, UK 에서 GENCODE 프로젝트에 참여했고 예비논문의 공동 저자이기도한 Jonathan Mudge에 따르면 리보솜 프로파일링을 통해 약 50개 정도의 서열이 밝혀졌고, 사람의 단백질 암호화 유전자로 새로이 등록되었다.

하지만 이들은 조심스럽게 움직이고 있다고 한다. GENCODE와 같은 곳에서 얻은 결과를 이용하는 사람은 생물학자들만이 아니다. 의료인들도 이런 데이터베이스에 의존하고 있으며, 만약 의심스러운 단백질 암호화부위를 다량 첨가해 버리면 유해한 변이를 찾는데 더 복잡하게 만들 가능성도 있다. Mudge는 “우리는 회의적이라기 보다는 그저 조심스러운 겁니다.”라고 말했다.

유전자 편집기술을 이용한 연구

암흑 단백질이 사람 유전체에서 발현될 가능성이 관심을 받을 때 즘에 CRISPR-Cas9 유전자 편집기술도 발전하였다. “갑자기 우리에게 비전형 유전자들을 선택적으로 제거할 수 있는 방법이 생긴겁니다. 이제 이들의 세포내 기능에 대해 질문을 할 수 있게 된거죠. ” Weissman이 말했다.

2022년 Science논문에서 Weissman의 연구 팀은 이를 보여주었다. CRISPR를 이용해 수 천개의 비전형 ORF를 인간의 유도 줄기세포와 암세포주 로부터 제거하여 번역되지 못하게 만들었다. 이 중 수 백 가지 경우에 CRISPR편집이 세포의 생장에 문제를 일으켰고, “많은 경우 마이크로 단백질이 세포에서 중요합니다.”라고 Weissman은 말했다.

이전 연구에서 이들은 왜 그런지 확인할 수 있었는데, 어떤 경우는 비전형 ORF에서 나온 단백질이 같은 mRNA 가닥에서 나온 단백질과 결합하기도 했다. 이는 박테리아에서 같이 조절되는 유전자들이 오페론이라는 단위로 인접하여 붙어 있는 것을 연상시킨다고 Weissman은 말했다. 암흑 단백질의 다양한 기능들을 알 수 있었는데: 그 중 하나가 세포분열주기와 관련된 것이고 다른 하나는 미토콘드리아 생리와 관계된 것이다.

암세포에는 특히 암흑 단벡질들이 많다. 소아 신경-암 전문의 이기도한 Prensner는 모든 인간 유전체에 존재하는 비전형 ORF가 일부 암에서 잘못 조절되면서 각종 치료에 대해 다르게 반응했을 가능성을 연구했다. “우리는 왜 암세포가 이들을 만드는지 핵심적인 질문을 한 것입니다.”라고 그는 말했다.

Weissman과 비슷한 실험에서, Prensner는 500개 이상의 비전형 ORF 중 약 10%가 CRISPR에 의해 불활성화되었을 때 세포생장에 문제를 일으켰다. Prensner와 그의 동료들은 유방암 세포주에서 증가된 암흑 단백질들을 밝혔고 이들은 세포분열을 조장하는 것으로 생각되었다.

작년에 출판된 논문에서 Prensner와 van Heesch 그리고 동료들은 치명적인 소아 뇌암(paediatric brain cancer)이 되는 medullablastoma 생성에 관여하는 암흑 단백질들을 밝혀냈다. 한 경우 연구자들은 세포분열이 아주 사나운 medulloblastoma 중에 암흑 단백질-인접한 부위의 전형적 ORF와는 독립적으로-발암유전자인 MYC가 과도하게 활성화된 아주 사납게 분열하는 medulloblastoma의 분열을 유도한다는 것을 보여주기도 했다.

이런 예는 빙산의 일각에 부과하다고 van Heesch는 말한다. 암흑단백질이 정상이거나 병든 세포에서 어떤 일을 하는지 이해하기 위해선 많은 노력이 필요할 것이라고 예상했다. “이 중 어느 하나만 연구해도 3-4년은 걸릴 겁니다. 여기 수 천개가 있어요.” 라고 말하며 “여기엔 발견되지 않은 수 많은 생물학이 있는 셈이죠.”

쓰레기를 버리다

하지만 이는 마치 검불더미에서 밀알을 골라내는 것처럼 어려운 일이다. “우리가 관찰한 수많은 단백질 중 믾은 종류의 단백질들이 안정하지 않고 기능도 없다는 것은 이들이 일종의 쓰레기일 가능성이 있다는 것이다.” Prensner의 말이다. “세포는 어떤 아미노산 서열을 만들고 이를 쓰레기 압착기에 넣어 반대편으로 배출하는 것과 같은 것이다.”

그 반대편에는 인간 백혈구 항원(human leukocyte antigen, HLA)이라고 부르는 면역 감시 시스템이 있어 이 단백질 조각을 세포막 표면에 노출시킬 수 있다. 이 시스템은 면역세포로 하여금 정상 조직을 공격하지 않고 바이러스나 암세포들의 위협을 알아체도록 한다. 세포가 만드는 대부분의 단백질들이 비롯 기능이 없다 해도 이런 방식으로 제시된다.

많은 양의 암흑 단백질들이 이 HLA에 의해 제시된 펩타이드를 분석하면서 밝혀졌다. 사실 연구자들은 이미 이들 대부분이 잘 못 만들어진 것이거나 단순히 번역을 조절하기 위해 만들어진 것이라는 몇몇 단서를 보아왔다고 Columbia University in New York City의 분자 생물학자인 Xuebing Wu는 말했다. 그는 많은 암흑 단백질들이 어떤 정해진 기능을 수행하기엔 너무 빨리 세포내 재활용 시스템으로 들어간다고 생각했다.

2023년도 Nature 논문에 Wu와 그 동료들은 암흑 단백질들이 리보솜에서 쓰레기 더미로 바로 가는 신호를 갖고 있다는 것을 발견하였다.

하지만 암흑 단백질 중 일부를 분해로부터 보호되며 기능을 수행할 가능성이 생기는 세포막으로 보내는 기작도 밝힐 수 있었다. 그리고 올해 발표된 리뷰논문에서 Wu의 연구팀은 기능이 있을 것 같은 약 1,000개의 암흑 단백질을 밝힐 수 있었다. 세포는 문제가 될 수 있는 암흑 단백질을 제거하는 것과 이들의 기능을 방해하지 않는 사이에 균형을 유지해야 한다고 그는 말한다.

비록 대부분의 암흑 단백질의 기능이 분명히 규명되지는 않았지만 과학자들은 이들의 존재가 중요하다고 한다. 이들의 존재가 면역계에서 조각의 형태로만 발견된다는 점에서 면역계에서의 역할을 생각해 볼 수 있다고 van Heesch가 주장했다. 리보솜은 에너지가 많이 필요한 소기관이다. 이런 단백질들의 생산하는데 드는 비용은 “상당하다.”고 본다. “왜 세포들은 이런 쓰레기를 계속 만들까요?” 그는 묻는다.

암흑 단백질들은 세포 안에서 과연 무슨 일을 하는 걸까? 제약회사들은 이들을 약품의 유력한 표적으로 삼기 시작하고 있다. 영국의EnaraBio in Oxford와 프랑스 파리의 Mnemo Therapeutics를 포함한 몇몇 생명공학회사들은 암세포에서 HLA와 결합된 ‘암흑 단백질’을 표적으로 하는 면역-세포 치료를 개발하고 있다. 올해 중국에서는 암흑 단백질체(dark proteome)를 표적으로 한 임상 실험이 시행될 예정이다. 이번 시도는 생쥐에서 고무적인 결과를 보인 것과 같이, 일부 유방암 세포에서 만들어지는 암흑 단백질체에 대한 면역세포의 변화를 유도하는 백신이 과연 치료 효과를 높일 수 있을지 알아보는 것이다.

Prensner가 고문으로 있는 ProFound Therapeutics in Cambridge, Massachusetts는 제약계의 거인 Pfizer와 이 암흑 단벡질을 표적으로한 비만치료제를 찾고 있다.

하지만 과학자들은 단지 생물학적인 면에 흥미를 보이고 있다. 일부 과학자들은 암흑 단백질을 진화에서 발생하는 유전적 변혁의 모래상자(sandbox)로 여기고 있다. “우리는 어쩌면 새로운 단백질의 탄생을 보고 있는 건지 모릅니다.” Weissman의 말이다.

2024년도에 Nature Cardiovascular Research에 발표된 논문에 따르면 van Heesch와 그 동료들은 영장류와 인간을 비롯한 다양한 영장류 계통에서 출현한 일군의 암흑 단백질들을 발견하였다. 이들은 심장에서 기능을 할 것으로 여겨지는데 여기에는 대가가 따른다. 이들 암흑 단백질들은 잘 보전되는 유전자 들에 비해 심장병 환자의 경우 잘 못 발현되는 경우가 많다. 일반 발생과정에 이들이 발현되면 특히 어린 아이에서 암으로 발전한다고 Prensner는 말했다.

암흑 단백질체를 밝힌 과학자들은 이들이 세포에서 하는 일이 어딘 가에 딱 맞아 떨어지는 것이 아닐 수 있다고 한다. 또한 답은 지저분하고 다른 생물현상으로 통합될 수도 있다고 한다.  하지만 Prensner와 van Heesch 그리고 뜻을 같이 하는 이들의 생각은 그저 이 단백질에 관심을 갖자는 것이다. – 이들을 어디로 분류하는지에 더는 신경 쓰지 말고, “우리가 주장하고자 하는 것은 이들을 더도 말고 상자에 넣자는 것입니다.”라고 van Heesch는 말한다.

<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>

Ewen Callaway, 2025, ‘Dark proteins’ hiding in our cells could hold clues to cnacer and other diseases. Nature Feature 29 January 2025.

<원문의 참고문헌>

1. Ingolia, N et al. Science 324, 218–223 (2009).

2. Mudge, J. M. et al. Nature Biotechnol. 40, 994–999 (2022).

3. Deutsch, E. W. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2024.09.09.612016(2024).

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5. Prensner, J. R. et al. Nature Biotechnol. 39, 697–704 (2021).

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