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리서치 브리프 2022-05호 : 갯벌 퇴적물 박테리아 유래 신규 천연물의 구조와 생리활성 규명

□ 개요

서울대학교 약학대학 천연물과학연구소 오동찬 교수팀은, 오이도의 갯벌 퇴적물에서 분리한 방선균으로부터 새로운 신남산-포함 非리보좀 펩타이드 (cinnamoyl-containing nonribosomal peptide, CCNP)인 epoxinnamide를 분리하였다. 해당 물질의 구조를 분광분석, 화학반응, 양자역학적 컴퓨터 계산 및 전장 유전체분석을 통하여 규명하였고, 단백질 서열 분석 및 구조 예측을 통해 에피머화와 거대고리화 기능을 모두 가질 것으로 예측되는 이기능성 (二機能性) thioesterase domain을 발견하였다. 이전에 발견된 다른 신남산 포함 非리보좀 펩타이드 (CCNP)인 nyuzenamide C와의 생리 활성 비교 실험 진행 결과, 더 높은 항염증 활성을 가짐을 확인하였다.

본 연구결과는 천연물 분야의 저명학술지인 Marine Drugs에 게재되었다. (2022, https://doi.org/10.3390/md20070455. 논문명: Epoxinnamide: An Epoxy Cinnamoyl-Containing Nonribosomal Peptide from an Intertidal Mudflat-Derived Streptomyces sp. 제1저자: 서울대학교 강상욱 연구원, 교신저자: 서울대학교 오동찬 교수).

□ 연구배경 및 결과

수많은 천연물 유래 생리활성물질들은 非리보좀 펩타이드 생성효소 (nonribosomal peptide synthase, NRPS)와 폴리케타이드 생성효소 (polyketide synthase, PKS)에 의해 생합성된다. 그중에서도 신남산 포함 非리보좀 펩타이드 (CCNP)는 非리보좀 펩타이드의 한 종류로 구조적으로 특이하며 다양한 생리활성을 가진다. 본 연구팀에서도 이전에 mohangamides, WS9326H, coprisamides, nyuzenamide C와 같은 CCNP 물질들을 발견하였다. 이들은 항진균, 항결핵, 항혈관신생, 항염증 등 다양한 생리활성을 나타냈으며, 특이적인 생합성 기작을 가지고 있다. 신규 CCNP 물질 발굴을 위해, 다양한 생물 종들의 서식지인 서해 오이도 갯벌에서 퇴적물을 채집 후 연구를 진행하였다. 192종의 방선균 균주에 대해 LC/MS 스크리닝을 실시한 결과, 이전에 발표된 신남산 포함 非리보좀 펩타이드 (CCNP)와 유사한 UV 스펙트럼을 가지는 분자량 1297의 신규화합물을 발견하였다. 해당 물질을 생산하는 Streptomyces sp. OID44 균주를 대량 배양 후 유기용매로 추출하였고, 추출물에 대하여 여러 단계의 분리·정제 과정을 거쳐 신규화합물을 순수하게 분리하였다. 질량분석법 (mass spectrometry, MS)와 핵자기공명분광법 (nuclear magnetic resonance, NMR) 등의 분광분석 기법들을 통하여 해당 물질의 평면구조가 에폭시 신남산 (epoxy cinnamic acid)을 포함하는 두고리형 데카-뎁시펩타이드 (bicyclic deca-depsipeptide)임을 규명하였으며, epoxinnamide라고 명명하였다 (그림 1).

 

Epoxinnamide의 입체배열은 NMR 분석, advanced Marfey's method, DP4 계산 및 유전체 분석을 통하여 규명하였다. β-수산화 아미노산 입체배열의 경우, 인접 수소-수소 간의 결합 상수와 ROESY (rotating-frame overhauser effect spectroscopy) 분석의 화학적인 방법으로 결정하였고, β-수산화를 촉매하는 사이토크롬 P450 (cytochrome P450) 효소의 유전체 및 계통 분석을 통해 이를 뒷받침하였다. Epoxinnamide를 생산하는 OID44 균주의 전장유전체 분석 결과 epoxinnamide의 생합성 경로를 예측할 수 있었다 (그림 2). 특이적으로 생합성 유전자 내의 thioesterase 도메인에 대해 단백질 서열 분석과 3차원 구조 예측을 진행한 결과, 에피머화와 거대고리화 기능을 동시에 가지는 이기능성 (二機能性) 도메인임을 밝혀낼 수 있었다.

본 연구팀에서 앞서 발표된 물질인 nyuzenamide C와 epoxinnamide는 유사한 구조를 가지나, 구성 아미노산에 일부분 차이가 있었다. 두 가지 물질에 대한 생리활성 비교 실험을 진행한 결과, 신규 물질인 epoxinnamide의 경우 nyuzenamide C보다 더 높은 quinone reductase 유도 작용 (5 μM 농도에서 1.6배 증가 유도)을 나타내어 의미 있는 항염 활성을 보였으나, 항혈관신생 활성은 조금 낮게 나타났다 (IC50 = 13.4 μM).

 

□ 연구결과의 의의

천연물 구조에서 특정 모핵들은 생리활성과 밀접한 연관성을 가진다. 신규 천연물 발굴에 있어 이러한 모핵을 표적으로 하여 스크리닝을 진행하는 것은 중요한 방법 중 하나다. 본 연구에서는 신남산을 포함하는 펩타이드 물질을 표적으로 하여 방선균의 이차대사물질에 대한 화학적 스크리닝을 진행하였고, 신규 물질인 epoxinnamide를 발견하였다. 해당 물질의 입체구조 결정에 있어 기존의 화학적인 방법뿐 아니라 전장유전체 분석을 통한 생물정보학적 방법을 적용하여 규명하였다. Epoxinnamide의 전체 생합성 경로를 예측하였고, 생합성 효소의 서열 분석 및 계통 분석, 그리고 단백질 구조 예측을 통해 화학적으로 결정한 입체구조를 뒷받침할 수 있었다. 유사한 구조를 가진 nyuzenamide C와의 생리활성 비교 결과, 더 뛰어난 항염작용을 확인할 수 있었다. 본 연구는 신남산 모핵을 가지는 신규 믈질 발굴에 더하여 입체구조 결정 및 생합성 경로 예측을 통해, 유사한 모핵을 가지는 신약후보물질 발굴의 밑바탕이 될 수 있을 것으로 기대한다.

 

□ 기타

본 연구는 한국연구재단 기초연구실 (BRL) 과제 및 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었다.

 
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