생물리화학

1. 나노바이오 전자소자를 이용하여 세포막 단백질의 Dynamics 측정 구현

세포막 단백질은, 50%이상의 신약 개발의 타겟이 되며, 암 전이 등 의학 분야에서도 매우 중요한 의미를 가지고 있다. 그러나, 대부분의 세포막 단백질은 세포막을 벗어날 경우 망가지기 때문에, 기존의 기술로는 살아있는 세포막에 있는 단일 단백질의 작용을 실시간으로 모니터링하기는 매우 어려운 상황이다.

본 연구에서는, 나노바이오 전자소자를 이용하여 살아있는 세포의 세포막에 있는 단일 단백질의 작용을 실시간으로 연구할 수 있는 기술을 개발하여, 현대 바이오/의학 분야에 획기적인 발전을 이룰 수 있는 기술을 제공하고자 한다.

한 예로, 나노튜브/나노선 회로위에서의 세포를 생장하여, 단일 세포막 단백질에서 나오는 신호를 읽어들이는 기술을 개발하고자한다.

1차원 반도체의 특성을 가지고 있는 탄소 나노튜브/나노선을 기반으로 센서를 제작하여, 그 위에 세포막과의 거리를 줄이기 위한 표면 처리를 하여 세포를 키운 후에 세포막에서 나오는 신호를 읽어 들인다.

이렇게 세포를 키운 후에, 탄소나노튜브의 전도성을 모니터링함으로써, 단일 단백질에서 나오는 신호를 읽어들이게 된다.

또한, 단분자 분광학의 전문가인 Taikjip Ha 교수와의 공동 연구를 통해서, 단분자 분광학을 세포막 단백질의 Dynamics 측정에 적용하고, 그 결과를 나노바이오 전자소자를 이용한 결과와 비교 검증한다.

이렇게 개발된 세포막 단백질 모니터링 기술을 이용하여, ion channel, olfactory receptor, 포도당 전달체 등 세포의 신호전달 네트워크의 시작점이 되는 다양한 종류의 세포막 단백질의 Dynamics를 연구한다.

2. Signal Transduction Pathway 관련 단백질 네트워크의 구조 생물학연구

세포 신호 전달은 세포 밖으로부터 호르몬, 성장인자, 신경 전달물질, 그리고 사이토카인 등을 통해 전달된 정보를 세포내로 받아들여 유전자 발현, 세포 증식, 세포 사멸을 조절하는 모든 과정을 말하며, 대부분의 질병은 이러한 세포 신호 전달 네트워크의 장애로부터 나타나게 되므로 이 단백질들은 새로운 신약개발에 주 타겟이 되어 왔다.

세포 신호 전달 체계 중에 세포 사멸 (apoptosis)의 경우 암과 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라, apoptosis의 부적절한 조절로 인해 야기되는 알쯔하이머, 파킨슨씨병, AIDS등과의 연관성으로 인하여 신약개발의 주 타겟 pathway이 되고 있다.

세 포질 내 신호전달 체계에 대한 연구 중 NF-κB 관련 신호 전달 체계는 apoptosis이나 염증(Inflammation)의 발생과 밀접한 관련이 있기 때문에 세포 내 신호 전달 체계 연구에 있어 가장 각광받는 연구 분야 중 하나이다. NF-κB 신호 전달 체계는 다양한 경로를 통해 세포의 분열과 사멸을 조절하는 것으로 알려져 있으며, 이 과정에서 여러 종류의 단백질들이 관여한다.

최근에 보고된 FAF1 단백질 또한 NF-κB 신호 전달 체계에 관여하는 것으로 알려진 단백질이며, Fas signaling pathway에서 Fas 단백질과 직접 상호작용함으로서 Fas 단백질에 의해 유도되는 세포사멸을 촉진하는 것으로 밝혀졌다.

현재까지의 연구 결과 FAF1 단백질은 위암세포에서 발현양이 감소하는 것으로 알려져 있으며, NF-κB 신호 전달 체계의 IkappaB kinase의 complex 형성을 저해하고 NF-κB의 핵 내로의 이동을 저해함으로서 세포 생존을 저해하는 것으로 알려졌지만, 정확한 단백질 삼차원 구조의 부재로 인해 FAF1 관련 signaling pathway에 대해서는 정확한 기작이 알려져 있지 않다.

이에 본 연구에서는 FAF1 및 관련 단백질들, 그리고 이들 단백질간의 결합체에 대한 삼차원 구조 분석을 시도하고자 한다.

또한, NMR을 이용한 단백질 구조 분석의 전문가인 Hideo Akutsu 교수와의 공동 연구를 통해서, 세포막에 존재하는 NF-κB 신호 전달 단백질 및 결정화가 어려운 unstructured region을 포함하는 단백질들의 구조 분석을 시도하고자 한다.

이 연구 결과는 FAF1 관련 NF-κB 신호 전달 체계를 분자차원에서 이해하고 이를 통해 신경 세포의 사멸로 촉진되는 암 발생 및 신경 퇴행성 질환에 대한 새로운 치료제 개발의 기초 정보를 제공하게 될 것이다.

3. Translation Control 관련 RNA/단백질 결합체의 구조 연구

miRNA에 의한 translation repression을 통한 유전자 발현 조절 기작에 대한 연구는 최근 많은 과학자들의 관심을 받고 있는 분야로서 miRNA 합성 과정에 관여하는 단백질들이 새로이 밝혀지고 있으며 이들 단백질들의 기능 규명을 위하여 삼차원 구조 분석 등 다양한 연구가 필요하다.

let-7 miRNA는 세포의 주기를 조절하고, oncogene인 Ras의 비정상적 과다 발현을 억제함으로서 암의 증식을 억제하는 한편, cancer stem cell의 regulation에도 관여하는 것으로 알려진 tumor suppressor이다. (위의 그림 참조).

Lin28 단백질은 pre-let-7의 let-7으로의 maturation 과정을 조절하는 것으로 최근 알려졌으며, 간암 세포에서 과다 발현되는 것으로 알려졌다. 그렇지만 아직까지 let-7 maturation의 regulation과 암 발생에 있어서 Lin28의 정확한 기작에 대해서는 잘 이해하고 있지 않기 때문에 본 연구 과제에서 Lin28 단백질 및 Lin28-let-7 결합체의 삼차원 구조 규명을 시도하고자 한다.

이 결과는 아직까지 이해되고 있지 않은 Lin28을 통한 let-7 regulation 메커니즘을 이해하는 데 큰 도움이 될 것이며, let-7을 통한 cancer cell 및 stem cell에서의 유전자 발현 조절 기작에 대한 이해를 증진할 것이다. 또한 Lin28 및 let-7을 타겟으로 하는 새로운 항암제 개발을 위한 기초 정보를 제공하게 될 것이다.

PIWI는 Argonaute family에 속하는 단백질군으로서 germ line 세포에서 발현되는 단백질이다 (위의 그림 참조).

PIWI 단백질은 위암을 비롯한 여러 종류의 암세포에서 과발현되는 것으로 보고되어 있으며 세포 사멸을 억제하고 세포 증식을 촉진하는 발암 유전자로서 작용하기 때문에 항암 치료의 신규 표적 가능성이 있다.

특히 stem cell의 자기 갱신 과정의 조절에 관여함으로서 정상 줄기세포의 암 줄기세포(cancer stem cell)로의 전환에 관여하는 것으로 알려졌다. 그러나 아직까지 PIWI 단백질과 piRNA와의 결합체에 대한 삼차원 구조 정보가 밝혀져 있지 않다.

본 연구 과제에서 PIWI 및 PIWI-piRNA 결합체의 구조 규명을 시도할 것이고, 이 결과는 세포 사멸 및 암 줄기세포의 자기 갱신에 있어서의 PIWI 단백질의 기능에 대한 이해를 높일 수 있을 뿐만 아니라 신규 항암 물질로서 PIWI 단백질의 기능 억제 리간드의 발굴에 기여할 수 있을 것이다.

4. 세균에서 영양상태 신호전달기작 규명

포도당은 거의 모든 생명체가 가장 선호하는 탄소 및 에너지원이다. 따라서 영양분의 결핍과 같은 스트레스 환경의 인식은 대부분의 생명체에서 포도당 수송단백질 및 대사 단백에 의해 신호전달 과정을 거쳐 처리가 된다.

세균에 존재하는 포도당 수송체계는 phosphoenolpyruvate: sugar phosphotransferase system (PTS)라는 일련의 단백질들에 의해서 이루어진다. PTS의 경우는 수송기질이 존재하면 탈인산화가 되고 없으면 인산화가 된다. 현재까지 PTS는 당의 수송외에도 아주 다양한 생리활성을 조절하는 것으로 알려져 있다.

대장균을 비롯한 장내세균에는 탄수화물 PTS말고도 질소대사 관련 PTS가 존재한다. 이 PTS이 경우도 다양한 기능에 관여하는 것으로 밝혀져 있으나, 그 직접적인 기능이 밝혀진 예는 본 연구실에서 밝힌 세포내 K+ 이온 농도의 조절이 유일하다. 이 경우도 protein-protein interaction을 통해서 조절이 되는데, 이를 통해 다양한 세포내의 활성, 특히, sigma factor의 선택을 조절한다는 증거를 확보하였다.

단백질-단백질 상호작용 및 단백질-DNA 상호작용을 통한 포도당 수송단백질의 생리활성 조절을 규명함에 있어서 아래의 두 가지 연구에 초점을 맞추고자 한다.

세균은 왜 포도당을 가장 먼저 먹이 치울까?

포도당은 모든 생명체에서 가장 선호가 되는데, 대장균에서 특히 많은 연구가 이루어져 있음에도 불구하고, 현재까지 왜 여러 가지 탄소원이 존재할 때 포도당이 먼저 사용되는지에 대한 명확한 연구가 되지 않았다.

1959년대부터 많은 연구자들이 이 문제를 해결하기 위해 매달려 왔으며, 특히 Monod와 F Jacob는 이 기작을 밝히기 위해 연구를 하는 과정에서 lac operon이라는 것을 밝혀냄으로써 노벨상을 수상하기도 했다. 하지만 아직까지 이 기작은 밝혀지지 않았으나, 최근 본 연구실에서 adenylate cyclase 활성을 조절하는 regulatory factor가 존재한다는 단서를 확보하였기에, 이 기작을 밝히고자 한다 (아래 그림의 RF가 regulatory factor).

세균의 전사인자의 선택은 어떻게 이루어지나?

미생물학에 있어서 가장 핵심적인 의문점의 하나는 다른 생명체와는 달리 세균에는 단 한 종류의 RNA polymerase가 존재하는데 어떻게 다양한 유전자의 발현을 조절하는가이다.

물론 전사의 조절은 여러 개의 sigma factor가 RNA polymerase와 결합하여 이 complex가 발현을 시작함으로써 일어나지만, 이들 RNA polymerase가 어떤 경우에 어떤 sigma factor를 선택하는지에 대해서는 아직까지 거의 밝혀지지 않고 있다.

본 연구실에서는 sigma factor의 선택이 포도당 수송체계와 관련된 인산전달계에 의한 신호전달에 의해서 이루어진다는 증거를 확보하였으므로 이에 대한 연구를 고분자 상호작용의 측면에서 연구하고자 한다.