뉴로펩타이드 Y (NPY)는 포유류의 중추신경계에서 가장 흔하게 발견되는 뉴로펩타이드이다. NPY는 G 단백질 연결 수용체 (GPCR)에 속하는 NPY 수용체 (NPYR)를 통해 세포 내부로 신호를 전달하며, 식욕, 스트레스 반응, 불안, 기억 유지 및 면역 반응 등 다양한 생리 현상을 조절한다. 인간의 체내에서는 다양한 NPYR의 하위 유형이 확인되는데, 그 중 Y₁R과 Y₂R은 특이하게도 같은 NPY에 의해 활성화되더라도 서로 정 반대의 반응을 보일 수 있다는 것이 알려져 있다. 또한 NPYR을 통해 작용하는 또다른 펩타이드인 펩타이드 YY (PYY)는 순환계에서 N 말단의 아미노산이 2개 잘려 나간 형태를 취하는데 (PYY(3-36)), 이 펩타이드는 Y₂R 만을 선택적으로 활성화할 수 있다는 것이 알려져 있다. 따라서 이 연구에서는 NPY와 결합한 활성 상태의 NPYR의 구조, 특히 Y1R과 Y2R의 구조를 규명하여 NPYR 활성화의 분자적 기전, 그리고 두 하위 유형 간에 어떠한 차이가 있는 지를 구조적으로 설명하고자 한다.
이 연구에서는 극저온 전자현미경 (cryo-EM) 방법을 활용하여 NPY-Y₁R-G 단백질 복합체, 그리고 NPY/PYY(3-36)-Y₂R-G 단백질 복합체, 총 3가지의 구조를 규명하였다. 또한 이 구조 들에서 발견되는 주요 상호작용들을 참고하여 다양한 Y1R 또는 Y2R 돌연변이를 제작하였고, 하위 신호전달을 관찰할 수 있는 생물 발광 공명 에너지 전달 (BRET) 분석 및 칼슘이온을 이용하는 세포-기반 기능 분석에 이용하였다. 그리고 NPYR 활성화에 대한 분자적 기전을 규명하기 위하여 이전에 보고된 바 있는 길항체 결합 구조와 NPY 및 PYY(3-36) 결합 구조를 비교하였으며, NPY 결합 Y₁R과 Y₂R 구조 또한 서로 비교하여 각 하위 유형 간의 차이점 및 하위 유형별 활성화 기전을 파악하고자 하였다.
이러한 구조 분석과 돌연변이를 이용한 기능 분석을 통해 NPY 혹은 PYY 결합 시에 Y₁R 및 Y₂R가 어떻게 활성화되는가에 대한 단서를 얻을 수 있었다. 또한, NPYR 하위 유형 간의 차이를 유발하는 다양한 결합을 확인할 수 있었는데, 그 중에서도 6.58 위치의 잔기의 중요성을 확인하였다. 이 잔기는 하위 유형 간에 보존되어 있지 않았으며, Y₁R에서는 NPY의 N, C 양 말단과의 결합에 모두 참여하는 반면 Y₂R에서는 NPY 결합에 참여하지 못하였다. 이 결과는 NPY-NPYR 상호작용과 이와 유사한 시스템을 갖는 다른 GPCR에 대한 전반적인 이해를 제공할 수 있으며, 추후 하위 유형 특이적 NPY 신호 조절 리간드의 개발 및 NPY 관련 질병의 약물 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.