현대 신약 개발에서 기존 약물은 대개 단백질의 기능을 억제하는 방식을 취해왔습니다. 하지만 이러한 방식은 단백질 구조 내에 약물이 결합할 수 있는 특정 포켓이 존재해야만 하며, 인체 내 질병 관련 단백질의 약 85%는 이러한 구조적 특징이 없어 '드러거블(Druggable)'하지 않은 것으로 간주되어 왔습니다. 이를 극복하기 위해 등장한 개념이 바로 프로탁(PROTAC)입니다. 프로탁은 질병 단백질과 E3 라이게이즈를 물리적으로 근접시켜 세포 내 유비퀴틴-프로테아좀 시스템을 통해 표적 단백질을 완전히 분해하여 제거하는 혁신적인 플랫폼입니다.

프로탁은 단순히 기능을 억제하는 것에 그치지 않고 질병 단백질을 아예 파괴해버린다는 점에서 기존 신약 개발의 패러다임을 바꾸고 있습니다.

프로탁 기술의 큰 장점은 모든 단백질을 타깃으로 삼을 수 있고, 약물이 재활용되기에 적은 농도로도 높은 효능을 발휘한다는 점입니다. 하지만 현재 가장 널리 사용되는 E3 라이게이즈인 CRBN이나 VHL은 모든 장기에서 발현되기에, 원치 않는 정상 조직에서도 단백질 분해가 일어나 독성을 유발할 수 있다는 한계가 있습니다. 이를 해결하기 위해서는 특정 조직이나 암세포에서만 선택적으로 작동하는 단백질 분해제가 필요합니다. 연구진은 바이오인포매틱스 분석을 통해 근육 조직에서만 특이적으로 발현되는 E3 라이게이즈인 KLHL41을 발견하고 이를 활용한 플랫폼 개발에 착수했습니다.

근육 특특이적인 단백질 분해를 위해 선택된 KLHL41은 아직 결정 구조가 밝혀지지 않은 상태였습니다. 이에 연구진은 알파폴드(AlphaFold)를 활용해 단백질 구조를 예측하고, 이를 바탕으로 약 23만 개의 물질에 대해 가상 스크리닝을 진행했습니다. 수만 번의 분자 도킹 시뮬레이션을 통해 최종적으로 34개의 후보 물질을 도출해냈습니다. 이후 열 안정성 변화를 측정하는 CETSA(세포 열 이동 분석법) 실험을 거쳐 단백질과 실제로 결합하는 히트 화합물인 EN10을 찾아냈으며, 이는 KLHL41 패밀리 내 다른 단백질인 KLHL40에는 붙지 않는 높은 선택성을 보여주었습니다.

리간드를 찾은 후 연구진은 표적 단백질인 BRD4를 분해하기 위한 프로탁 구조 최적화에 집중했습니다. 하지만 초기 모델인 KBD1의 경우 마이크로몰(μM) 수준의 농도에서만 분해 효능이 나타나는 아쉬움이 있었습니다. 이는 분해하려는 단백질과 E3 라이게이즈, 그리고 프로탁 화합물 세 분자가 동시에 만나 삼체 복합체를 형성해야 하는 확률적 어려움 때문입니다. 연구진은 이를 극복하기 위해 화학적 변형을 가하여 E3 라이게이즈와 강하게 결합하는 '투-바디 프로탁(Two-body PROTAC)', 즉 디프로이(DPROY) 전략을 새롭게 고안해 냈습니다.

디프로이 전략은 프로탁의 한쪽 끝에 공유 결합을 형성할 수 있는 모이어티를 달아 E3 라이게이즈와 아예 한 몸처럼 붙어버리게 만드는 방식입니다. 이를 통해 복잡한 삼체 역학 문제를 이체 복합체 형성 문제로 단순화하여 결합 가능성을 극도로 높였습니다. 그 결과, 기존에 마이크로몰(μM) 단위였던 분해 효능인 DC50 값이 무려 0.64 나노몰(nM) 수준으로 약 3만 배 가까이 개선되는 놀라운 성과를 거두었습니다. 이는 기존에 가장 성능이 좋다고 알려진 일반 프로탁들과 비교해도 약 10배 이상 우수한 수준의 활성입니다.

개발된 근육 특이적 프로탁의 성능을 검증하기 위해 다양한 세포주에서 실험을 진행했습니다. 실험 결과, KLHL41이 발현되는 근육 세포주에서는 단백질 분해가 매우 활발하게 일어난 반면, 해당 단백질이 없는 암세포주에서는 전혀 작동하지 않았습니다. 또한 점 돌연변이 실험을 통해 이 물질이 KLHL41의 특정 시스테인 잔기에 선택적으로 결합하여 작용한다는 메커니즘을 규명했습니다. 연구진은 근육 분화 과정에 따라 단백질 분해 능력이 조절되는 것을 확인하며, 이 플랫폼이 생물학적 환경 변화에 정교하게 반응할 수 있음을 입증했습니다.

마지막으로 생쥐를 활용한 동물 실험에서도 그 효능과 선택성이 다시 한번 증명되었습니다. 약물을 투여한 후 여러 장기를 적출하여 분석한 결과, 다른 장기에서는 표적 단백질의 변화가 없었으나 오직 근육 조직에서만 선택적으로 단백질이 분해된 것을 확인했습니다. 이러한 기술은 근감소증(Sarcopenia)과 같은 근육 질환 치료제 개발에 획기적인 전기를 마련할 것입니다. 나아가 최근 주목받는 비만 치료제 투여 시 발생하는 근육 감소 부작용을 억제하는 등 미래 헬스케어 분야에서 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.