[논문]단백질 상호작용 네트워크와 KEGG경로 흐름 네트워크의 비교

조성진; 김학용

단백질 상호작용 네트워크와 KEGG경로 흐름 네트워크의 비교
Correlation Between Protein-Protein Interaction Network and KEGG Path Flow Network 원문보기

조성진 (충북대학교 생화학과) , 김학용 (충북대학교 생화학과)

단백질 상호작용 네트워크에 대한 분석은 거시적인 생물학적 현상을 이해하는 하나의 수단으로써 보편적인 연구방법으로 활용하고 있다. 매우 복잡한 단백질 상호작용 네트워크로부터 유용한 정보를 도출하는 연구의 일환으로 우리는 단백질 네트워크에 있는 단백질들이 KEGG 경로에 있는 생체대사와의 연관성을 분석하였다. 여기서 구축된 네트워크를 KEGG 경로 흐름 네트워크로 명명하고 두 네트워크 사이의 연관성을 분석하였다. 이를 위해 피루브산 탈수소 효소 및 알파-케토글루탐산 탈수소 효소 2차 상호작용 네트워크의 전체 단백질 목록을 기반으로 각각의 KEGG 경로들을 추출하였다. 각 KEGG 경로들에 나타난 단백질들을 통해 KEGG 경로 흐름 네트워크를 구축하였고 이 흐름 네트워크에 포함된 단백질의 분류를 통하여 유용한 정보를 추출하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 단백질 상호작용 네트워크로부터 KEGG 경로 흐름 네트워크를 구축하여 기존의 단백질 상호작용 네트워크에서 발견하지 못한 새로운 생물학적 의미를 도출하고자 하였다. 7개의 KEGG 경로를 기반으로 한 네트워크의 경우 전체적인 흐름은 신호경로에서 대사경로로 흐르는 경향성을 보였다.
이를 이용하여 우리는 단백질 상호작용 네트워크를 이용한 KEGG 데이터 베이스에 있는 관련 경로를 이용하여 흐름 네트워크를 구축하였다. 이 방법을 이용하여 기존 단백질 상호작용 네트워크나 KEGG 경로에서 발견하지 못한 생물학적 의미를 도출하고자 한다.

제안 방법

KEGG 경로 흐름 네트워크에 관여하는 전체 단백질을 포함하는 계통수 (Phylogenetic tree)를 구축하고 각 단백질들의 기능별 분포 특성을 조사하였다 (그림 4). 이는 흐름 네트워크와 단백질 기능간의 상관관계를 분석하기 위함이다.
단백질 상호작용 네트워크는 인간 피루브산 탈수소 효소 복합체 및 알파-케토 글루탐산 탈수소 효소 복합체 기반으로 하였다. 이들 효소 복합체와 2차 상호작용하는 단백질 데이터에서 단백질 상호작용 네트워크를 구축하였으며 피루브산 탈수소 효소 복합체와 알파-케토글루탐산 효소 복합체를 중심으로 모듈적 구조를 이루고 있음을 확인하였다 (그림 1).
여기서 일정 P-value 이상의 KEGG 경로 7개(Glycolysis/gluconeogenesis, TCA cycle, Pyruvate metabolisma, Insulin signaling pathway, ERBB signaling pathway, Tight junction, Focal adhesion)를 재추출하여 각 경로의 흐름 네트워크를 구축한 후 7개 경로의 통합 흐름 네트워크를 구축하였다 (그림 3).
이를 이용하여 우리는 단백질 상호작용 네트워크를 이용한 KEGG 데이터 베이스에 있는 관련 경로를 이용하여 흐름 네트워크를 구축하였다. 이 방법을 이용하여 기존 단백질 상호작용 네트워크나 KEGG 경로에서 발견하지 못한 생물학적 의미를 도출하고자 한다.
피루브산 탈수소 효소 복합체와 알파-케토글루탐산 탈수소 효소 복합체에서 이들과 2차 상호작용하는 단백질 데이터로 구성된 공통 KEGG 경로를 추출하였다.

성능/효과

본 연구에서는 단백질 상호작용 네트워크로부터 KEGG 경로 흐름 네트워크를 구축하여 기존의 단백질 상호작용 네트워크에서 발견하지 못한 새로운 생물학적 의미를 도출하고자 하였다. 7개의 KEGG 경로를 기반으로 한 네트워크의 경우 전체적인 흐름은 신호경로에서 대사경로로 흐르는 경향성을 보였다. 7개 두드러진 KEGG 경로에 관여하는 단백질들은 주로 대사 및 신호 전이에 관여하였는데, 대사에 관여하는 단백질과 신호전이에 관여하는 단백질이 구분되었으며 일부 단백질들이 서로 혼재하여 두 경로를 연결해주는 고리 역할을 수행하였다.
KEGG 경로 흐름 네트워크는 크게 대사와 신호 경로로 나뉘어 졌으며 경로의 흐름은 신호 경로에서 대사 경로로 흐르는 경향성을 보였다. 신호 경로에서 대사 경로로 흐르는데, FOXO1과 SREBF1 단백질이 두 경로를 이어 주는 역할을 하고 있는 것을 확인하였다. 이 흐름이 진화적인 선후의 관계를 의미하는 것은 아니며, 오히려 현 시점에서 외부 환경에 관여하는 신호들이 신호전이뿐만 아니라 대사경로도 조절할 가능성이 있는 것으로 추정된다.
단백질 상호작용 네트워크는 인간 피루브산 탈수소 효소 복합체 및 알파-케토 글루탐산 탈수소 효소 복합체 기반으로 하였다. 이들 효소 복합체와 2차 상호작용하는 단백질 데이터에서 단백질 상호작용 네트워크를 구축하였으며 피루브산 탈수소 효소 복합체와 알파-케토글루탐산 효소 복합체를 중심으로 모듈적 구조를 이루고 있음을 확인하였다 (그림 1).

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