Korean Biophysical Society Newsletter · 2016-11-23 · 제5회 East Asian Biophysics Symposium (EABS2006)이 올해 11월12일부터 16일까지 일본의 오키나와에서 개최

한국생물물리학회 Korean Biophysical Society

Newsletter 제 12 권 제 1 호 2006 년 8 월

한국생물물리학회 Newsletter 제12권 제1호 2006년 8월 발행 361-763 충북 청주시 흥덕구 개신동 12번지 충북대학교 자연대학 화학과

발행인: 강영기 (Tel: 043-261-2285 Fax: 043-273-8328 e-mail: [email protected]) 편집기획: 허원기 (Tel: 02-880-9243 Fax: 02-873-4740 e-mail: [email protected])

신경내분비세포의 퓨린성 수용체를 통한

칼슘신호전달 기전 (p. 8) • 회 장 단

회 장 강영기 (충북대)

총무간사 이주련 (숭실대)

학술간사 오한빈 (서강대)

재무간사 구용숙 (충북대)

편집간사 허원기 (서울대)

회원간사 정성권 (성균관대)

• 운 영 위 원

강사욱 (서울대)

김경태 (포항공대)

김도한 (광주과학기술원)

김양미 (건국대)

김영기 (충북대)

김혜원 (울산대)

박철승 (광주과학기술원)

엄융의 (서울대)

유명희 (한국과학기술연구원)

유연규 (국민대)

채수완 (전북대)

• 감 사

엄대용 (성균관대)

학회소식

[학술상]

Structural and Functional Switches in Cellular Proteins Mediated by Reactive Oxygen Species 류성언 (한국생명공학연구원)

Stretch-Dependent Activation of K+ channels via Phospholipase C-Induced Depletion of Phosphatidylinositol 4,5-Bisphosphate in B cells 김성준(서울대학교 의과대학 생리학교실) [총설]

RNA polymerase II transcription machinery의 구조적 연구와 타 대형단백질 complex로의 응용 강린우(건국대학교 신기술융합학과)

광수용체 및 로돕신의 생물학적 기능 정광환(서강대학교 생명과학과)

[국내 생물물리학연구실 소개]

연세대학교 구조생화학 및

분자생물리학 실험실 이원태 교수 연구실

Page 2 Biophysical Society Newsletter

(1) 2006년도 한국생물물리학회 정기총회

2006년도 한국생물물리학회 정기총회가 6월 16일 숭실

대학교 한경직 기념관에서 개최되었다. 총회에서는 한국

생물물리학회의 차기 회장과 감사로 전북대학교 의과 대

학의 채수완 교수와 서울대학교 생명과학부의 강사욱 교

수를 선출하였다. 또한 구용숙 교수가 지난 2년간의 재무

보고를 하였다.

(2) 2006년도 한국생물물리학회 학술발표회

2006년도 한국생물물리학회 학술발표회가 6월 16일 숭

실대학교 한경직 기념관에서 개최되었다. 국내 연사 여덟

분과 학술상 수상자 두 분의 수상기념 강연이 있었다. 연

사진과 강연 내용은 다음과 같다.

• 허 용석 교수 (건국대 화학과)

Molecular Mechanism of the ACC Regulation through

Phosphorylation by AMPK and Allosteric Activation by

Cirate

• 이 주련 교수 (숭실대학교 생명정보학과)

Protein Folding Using Fragment Assembly and Physical

Energy Function

• 이 정원 교수 (서울대 암연구소)

Involvement of PKCδ in Integrin-Mediated Regulation of

Cellular Function

• 박 우진 교수 (광주과학기술원)

PICOT (PKC-Interacting Cousin of Thioredoxin) Inhibits

Cardiac Hypertrophy and Enhances Ventricular Function

and Cardiomyocyte Contractility

• 한 규훈 박사 (생명공학연구원)

Structural Details on Mdm2-p53 Interaction

• 석 차옥 교수 (서울대 화학과)

A Statistical Rescoring Scheme for Protein-Ligand Docking

That Incorporates Entropic Effect

• 정 성우 교수 (연세대 의대)

Functional Roles of Voltage-activated Ca2+ channels in

Regulating Excitability of Autonomic Major Pelvic Ganglia

Innervating the Urogenital System

• 최 한석 교수 (울산대 의대)

A Novel Hypothesis for the Binding Mode of HERG

Channel Blockers

학술상 수상강연

• 류 성언 박사 (생명공학연구원)

Structural and Functional Switches in Cellular Proteins

Mediated by Reactive Oxygen Species

• 김성준 교수 (서울대 의대)

Stretch-Dependent Activation of K+ channels via

Phospholipase C-Induced Depletion of Phosphatidylinositol

4,5-Bisphosphate in B cells

<2006년도 한국생물물리학회 포스터 발표장 모습>

학 회 소 식

Biophysical Society Newsletter Page 3

(3) 2006년도 한국생물물리학회 학술상 수여

류성언 박사(생명공학연구원)와 김성준 교수(서울대

의대)가 본 학회가 수여하는 2006년도 학술상 수상자로 결

정되어, 6월 16일 숭실대학교에서 개최된 학술발표회에서

강영기 학회장이 수여하는 학술상을 각기 수상하였다. 학

술상을 수상한 류성언 박사와 김성준 교수의 기념강연이

있었다.

(4) 제13회 한국생물물리학회 학술발표회 포스터상

6월16일 숭실대학교에서 개최된 학술발표회에서,

구조와 기능 분야에서 33편, 생체막과 이온 채널 분야에서

12편의 포스터 발표가 있었다. 학술대회에서 우수한

포스터를 발표한 4명의 대학원생에게 우수 포스터상을

시상하였다. 우수 포스터상 수상자는 다음과 같다.

• 이수현 (서울대학교 생명과학부)

The role of ApAF-ApC/EBP heterodimer in Aplysia LTF

• 최창훈 (서울대학교 생명과학부)

Redox-Dependent Regulation of Culmination by

Glutaredoxin System in Dictyostelium Development

• 고현숙 (건국대학교 생명공학과)

Dynamics of the DNA-binding Domain of Helicobacter

pylori 1043 studied by Spin Relaxation Experiments

• 임현호 (광주과학기술원 생명과학과)

Localization of Benzofuroindole-Receptor Site in Large-

Conductance Ca2+-Activated K+ channel

(5) EABS2006

제5회 East Asian Biophysics Symposium (EABS2006)이

올해 11월12일부터 16일까지 일본의 오키나와에서 개최

된다. 한국 측 기조 연사(plenary lecturer)로 한국생물물리

학회 회장인 강영기 교수(충북대학교 화학과)이 선정되었

으며, 그 밖에 정재훈 박사(한국기초과학지원연구원), 서

세원 교수(서울대학교 화학부), 김경규 교수(성균관대학

교 의과대학), 이봉진 교수(서울대학교 제약학과), 정광환

교수(서강대학교 생명과학과), 박종화 박사(국가유전체정

보센터) 최진호 교수(이화여자대학교 나노과학부)의 일곱

분이 한국측 연사로서 강연을 할 예정이다. 학회 등록 등

보다 자세한 사항은 EABS2006 웹페이지(www.ics-

inc.co.jp/eabs2006/ )를 참조하기 바람.


우리 몸속의 세포가 에너지를 얻을 때 산소가 필요하다.

이 과정에서 약간이지만 산소 찌꺼기가 나온다. 이 산소를

활성 산소라고 부르는데 불안정한 상태이기 때문에 여러

가지 돌출 행동을 한다. 체내에서 유해한 세균을 공격하는

긍정적 효과가 있는 반면 산화력이 아주 강해 인체에 해를

입기기도 한다. 활성 산소가 몸에 좋지 않다는 것이 밝혀진

것은 1990 년대 중반이다. 활성 산소는 인간의 각종 질병과

노화를 일으키는 물질로 낙인찍혔다. 또 활성 산소가

성장인자의 신호 전달이나 세포 사멸과 같은 세포기능을

조절하는 전령 역할을 한다는 것이 알려졌다. 이는 결국

암이나 치매와 같은 질병에 활성산소가 중요한 역할을

하는 것을 의미한다. 이에 따라 전 세계 연구자들이

활성산소의 기능에 대한 연구를 집중하고 있지만 작용

원리에 대한 정확한 이해와 접근은 부족한

상태였다. 연구단은 90 년대 후반 창의적연구지원사업에

선정 (세포스위치단백질구조연구단) 되어 활성 산소에

의한 세포 기능의 변환 기본 원리를 규명하고 이를 토대로

여러 가지 질병의 치료 방법 개발이나 생명 현상을

근본적으로 이해하려는 접근을 시도하였다.

기존의 일반적인 단백체연구는 정상 상태와 질병 상태,

또는 자극이 주어지기 전과 주어진 후의 세포 단백질 중

차별 발현되는 단백질들을 주로 선택해서 분석하고 이들의

기능을 연구해 왔다. 그러나 세포 기능을 종합적으로

이해하기 위해서는 단순히 차별 발현되는 단백질 뿐

아니라 단백질 발현의 역동적인 변화 프로파일 및

키네틱스, 신호 전달 경로 네트워크를 총체적으로

분석하고 이들을 정량적으로 모델링 하여 특정 상태에서의

세포기능을 예측하는 과정을 수행하여야 한다. 또한

단백질의 기능을 정확하게 이해하고 세포 기능을

효과적으로 조절할 수 있는 선택적인 조절제의 개발을

위해서는 유사 단백질군 전체의 삼차 구조적 정보를

확보하여야 한다. 이러한 시스템 생물학적 접근방법을

적극적으로 적용하기 위하여

세포스위치단백질구조연구단은 2003 년

단백질체시스템연구센터로 확대 발전하게 되었고 최근

단백체시스템연구단으로 개명되었다. 연구단의

연구목표는 세포스위치의 단백체시스템 연구를 통하여

질환 관련 표적단백질의 구조/기능을 고효율로 연구하고

이를 응용하여 차세대 질환치료 및 진단 기술의 원천

기술을 개발하는 것이다.

1. 연구단 개요

[학술상]

Structural and Functional Switches in Cellular Proteins Mediated by Reactive Oxygen Species

한국생명공학연구원

류 성 언


단백체시스템연구단은 15 명의 책임/선임 연구원을

포함 70 여명의 연구원으로 이루어져 있으며 세포 기능의

이상과 관련 질환을 단백질체 변화라는 관점에서 정량적,

전체적으로 분석하여 생명현상을 원천적으로 이해하고

이를 질병치료에 응용하는 연구를 수행하고 있다. 조직

면에서는 별도의 하부 연구실을 두지 않고 중점목표

수행에 따라 태스크 포스 형태로 유기적으로 협력하여

연구를 수행하고 있으며 박사급 연구원 1 명당 석사급

연구원 3 명 미만 수준을 유지함으로 박사급 연구원을

중심으로 모든 연구원이 함께 일하는 역동적인 조직으로

운영하고 있다. 연구단장은 류성언 박사가 맡고 있으며

대표 업적으로 국내에서는 최초로 ‘Cell’지에 게재되었던

활성산소와 관련된 Oxy-R 단백질의 세포 스위치 기능 규명

등이 있다. 센터장 류성언 박사를 중심으로 수행했던 최근

연구 결과는 ‘Nature 구조&분자 생물학’지의 표지로 발표

되었다. 센터의 최근 중점 연구 목표로는 허혈성 뇌졸중이

활성산소와 관련된 신경 세포 사멸과 관련되어있다는 점에

착안하여 단백체 발현프로파일링을 통한 표적 단백질 발굴

연구를 수행하고 있다.

2. 연구분야 소개

지금까지 연구단이 보유하고 있는

구조&분자생물학분야의 강점을 유지하면서 단백체의

시스템생물학적 통합 차원의 연구를 수행하기

위해서 인프라구축을 수행하였으며 계속해서

세포스위치의 전체적 분석 및 응용방법 개발, 단백질군

구조/기능 연구, 분석기술 개발 및 바이오마커 발굴 등의 세

가지 분야를 연구하고 있다.

<세포스위치의 전체적 분석 및 응용방법 개발>

허혈성 뇌졸중 세포에서 일어나는 세포 손상 과정의

역동적 단백체 변화를 여러 가지 분석방법을 이용하여

정량적, 전체적으로 분석하고 있다. 특히 형광물질표지,

세포소기관 분획, 질량분석을 이용한 대규모 프로파일링을

통하여 다수의 신규 표적 단백질을 발굴하였고 기능을

검증하고 있다(그림 1). 이 모든 정보를 종합하여

세포스위치 현상의 전체적 단백체 신호전달 네트워크를

구축하고 있으며 아울러서 검증된 표적 단백질의 고효율

화합물 약효검색 방법 개발, 세포를 대상으로 하는

선도물질 발굴, 표적 단백질의 구조 연구 등을 통하여

효과적인 뇌졸중 및 혈관계 질환의 치료제 개발의 기반을

마련하고 있다.

그림 1. 신경세포손상관련 표적단백질의 기능 검증


그림 2. 인간 PTP 단백질군의 발현 및 정제

<단백질군 구조/기능 연구>

티로신 인산화/탈 인산화는 세포기능의 스위치시스템을

이루고 있어서 많은 연구가 진행되어 왔으나 아직

단백질군 수준에서의 전체적인 연구는 초기

단계이다. 특히 탈 인산화를 매개 하는 PTP 효소

단백질군의 경우 인간에 약 110 개가 존재하는 것으로

생각되고 있는데 현재 약 20 여종에 대해서만 기능이

알려져 있다. 본 연구단에서는 PTP 단백질군 전체의

구조/기능 연구, 선택적 저해제 설계 연구, 세포기능 연구

등을 수행하고 있다. 또한 다양한 생명현상에서의 PTP

단백질군의 역할 및 새로운 질환표적 가능성 등을

포괄적으로 연구하고 있다. PTP 단백질군의 대부분을

대량 발현하는데 성공하였고(그림 2) 다수의 신규 구조를

규명하여 질환 선택적인 조절제를 설계하고 있다 (그림

3). 전체 PTP 에 대해서 단일클론 항체를 제작하고 있으며

이들 단일클론항체를 이용하여 PTP 의 새로운 기능연구를

수행하고 있다(그림 4).

그림 3. PTP 구조기반 선택적 신약설계

<분석기술 개발 및 바이오마커 발굴>

암으로 인한 사망률을 낮추기 위한 방법으로는 조기에

암을 발견하는 것이 가장 중요하나 많은 경우 암을 조기에

확증할 수 있는 바이오마커가 제한되어 있다. 따라서

효과적인 바이오마커의 발굴은 암으로 인한 피해를

줄이는데 획기적인 전기를 가져올 수 있다. 센터에서는

질량분석 기술을 포함한 다양한 단백질 분석 기술을

활용하여 극미량 단백질을 분석하는 기술을 개발하고 있다.

그림 4. PTP 단일클론 항체의 제조 및 선택성


이러한 기술과 임상병원의 협력을 바탕으로 효과적인

바이오마커를 발굴, 검증하는 연구를 진행하고 있다(그림

5). 특히 이 분야는 대전시-미국 허친슨 암 연구소와의

공동 연구 네트워크를 포함한 국제 콘소시움을 구축하여

활용하고 있으며 한국기초과학지원연구원, 원자력병원,

충남대병원, 을지대학병원 등이 참여하고 있다. 이

바이오마커 사업은 우리나라에서 가장 많이 발생하는

위암과 간암에 집중하고 있다.

3. 전망

국내 구조생물학분야는 포항가속기연구소의 방사광

빔라인 이용의 활성화로 상당히 발달 되어 있다. 본

연구단도 포항가속기연구소의 4A 빔라인(2005 년부터

운영시작)의 콘소시움 멤버로 참여하고 있으며

생명연(KRIBB)과 포항가속기연구소가 공동으로 건설

중인 6C 빔라인 (2006 년부터 운영예정)의 전용

빔타임을 담당할 것이다. 따라서 지금까지

구조생물학분야의 강점을 유지하면서 질환관련

구조단백체분야를 선도해 나갈 것이다. 본 연구단의

단백체시스템 연구의 궁극적인 목표는 세포사멸조절에

관련된 주요 단백질들의 개별 구조의 특성 및 상호작용을

이해함으로 세포 사멸조절이 중요한 역할을 하는 뇌졸중과

암등의 주요 질환 진단과 치료와 관계된 원천기술을

개발하는 것이다. 국내외의 유사한 연구그룹과는

차별화되는 선택과 집중을 통해 정부출연

연구기관으로서의 사명을 감당하고자 한다.

그림 5. 극미량 단백질의 검출용 질량분석기술 개발


Post-Doc 시기의 주요 연구대상은 pancreatic acinar

cell 에서 Cl-secretion 을 조절하는 K+ channels 의 정체와

활성화 기전이었다 (그림 1). 소위 polarized tissue 를

구성하는 epithelial cell 을 이해하는 것은, 생체 장기들

중에서 매우 많은 부분 (신장, 위장관 흡수분비, 호흡기,

비뇨기, 피부 등)의 생리를 연구하는데 있어서 기본이 되는

분야이다.

그림 1. 분비세포의 조절 모식도

성균관의대에서 연구실을 만들어가는 과정에서 3 가지

주요 과제를 진행하게 되었는데, 1) 췌장과 침샘의

분비조절에 관여하는 이온통로와 수송체 (transporter)의

상호작용, 2) 전립선 상피세포와 신경내분비세포의

이온통로와 수용체 신호전달, 3) B 림프구세포의

이온통로와 칼슘신호이다.

전립선 신경내분비세포의 연구결과는 이 세포가 ATP

수용체 (purinoceptor) 중에서 P2Y2 와 P2X1 을 모두

발현하며 각각 store Ca2+ release 와 Ca2+ influx activation 으로

나뉘는 칼슘신호를 활성화시킨다는 점을보였다 (그림 2).

그림 2. 신경내분비세포의 퓨린성 수용체를 통한 칼슘신호전달 기전

더욱 흥미로운 점은, fura-2 fluorimetry 에 의한

칼슘농도증가의 정도는 비슷함에도 불구하고 P2X1 을 통한

칼슘 유입만이 exocytosis 에 의한 serotonin

[학술상]

Stretch-Dependent Activation of K+ channels via Phospholipase C-Induced Depletion of Phosphatidylinositol 4,5-

Bisphosphate in B cells

서울대학교 의과대학 생리학교실 김 성 준


그림 3. 전립선 신경내분비세포에서 amperometry (윗단), capacitance measurement, membrane current, Ca2+ fluorimetry (아랫단)의 동시 측정 결과

release 를 일으키고, P2Y2 자극에 의한 칼슘증가는 오히려

endocytosis 를 촉진하는 상반된 결과였다 (그림 3). 이러한

차이는 칼슘신호의 시공간적 다양성이 세포반응에

있어서도 본질적으로 다른 결과를 가져올 수 있다는 점을

시사한다. 지금까지 국소적으로 매우 강한 칼슘신호가

신경말단에서 exocytosis 를 유발한다는 것은 잘 알려져

있지만, 비교적 광범위한 (diffuse) 칼슘신호가 동일한

세포에서 endocytosis 를 유발한다는 것은 처음 밝혀진

사실이라 할 수 있다.

2001 년부터 시작한 B 림프구의 전기생리학적 연구는

면역학자인 김태진교수(성균관대)와 공동연구에서

비롯되었다. 면역세포의 특성 중에 흥미로운 점은,

림프구의 발생 초기 (immature stage)에는 강력한

면역자극이 림프구의 세포사 (apoptosis)를 일으키는 반면,

충분한 성숙이 이루어진 세포에서는 동일한 자극이 원래

목적하는 면역반응 (예: 항체생산)으로 이어진다는

사실이다. 미성숙세포의 apoptosis 는 나름대로 합목적적인

이유를 갖는다. 발생초기의 자극은 개체가 갖고있는

자가항원에서 비록되는 것이기 때문에, 이에 대하여

반응성을 갖는 클론을 제거하지 않으면 자가면역질환으로

이어질 수 있기 때문이다. Immature B cell 과 mature B

cell 간에 있어서 면역자극에 대한 칼슘신호의 차이가

어떻게 다른지 알아보는 과정에서 우연히 새로 발견한

background-type K+ channel 은 지금까지 관심갖고 연구하는

주제가 되었다. Big-conductance background K+ channel

(BKbg)로 명명한 이 채널은 막지질성분 중에서

인산화이노시톨 (phosphatidyl inositol, PIP2)에 의하여

민감하게 억제되는 성질을 지녔다. 또한 면역신호전달에서

중요한 PI-3 kinase 에 의하여 만들어지는 PIP3 는 BKbg 에

대하여 더욱 강력한 억제효과를 보인다. 흥미로운 점은


BKbg 를 조절하는 국소적 PIP2 농도가 서로 밀접하게

자리잡은 lipid kinase, PIP2 phosphatase, PIP2-specific

phospholipase (PLC)등에 의하여 다양한 방향으로 조절되고

있다는 점이다. B 림프구는 세포막 신전 (stretch) 자극에

의하여 민감하게 활성화되는 PLC 2　 를 발현하고 있으며

세포막 신전자극은 PIP2 를 분해하여 BKbg 의 활성화를

초래한다 (그림 4). 이러한 결과가 lipid-dependent ion

channel regulation 과 mechanosensitive ion channel

regulation 이 통합되어 나타나는 특이한 예로서 기록되기

바란다.

그림 4. 림프구에서 BKbg channel 의 조절기전

Hyposmotic B cell swelling 에 의한 세포막 신전자극 또한,

PLC 를 활성화시킬 수 있었다. Tyr-phosphorylated PLCr2 에

대한 immunoblot assay 로도 확인하였지만, 보다 직접

확인하기 위하여, PIP2 에 선택적으로 결합하는 GFP-

coupled PH-domain protein 을 B 림프구에 발현시킨 다음

(그림 5 초록색 신호는 PIP2 에 결합한 GFP-PH 이다) 60%

osmolality 로 조건을 가하면 오른쪽 가운데처럼 membrane

signal 이 약해지는 것을 볼 수 있다.

그림 5. GFP-PH 를 이용한 PLC 활성 영상화(가운데 희미한 신호는 저삼투성 세포막신전에 따른 결과)

B 림프구는 흔히 생각하듯이 동그란 세포형태로만

존재하는 것이 아니라 복잡한 형태변화를 보인다. 특히, B

cell receptor (BCR) 자극은 그림 6 에서 보이는 것처럼 매우

가늘고 기다란 형태의 filopodial structure (membrane

nanotube)를 만들어낸다. 아직까지 이러한 구조적 변화의

의미가 다 밝혀지지는 않았지만, 생체내 혈류 조건에서

이러한 membrane nanotube 형태는 다양한 기계적 자극과

세포막 신전에 민감할 수밖에 없으리라 예상되며, BKbg가

stretch-sensitive PLC 에 의하여 조절되는 현상도 그러한

맥락에서 흥미로운 것이다.

그림 6. 수용체 자극으로 만들어지는 B lymphocyte 의 membrane nanotubes (Onfelt et al., J. Immunol. 173,

1511-1513 (2004))


2004 년 9 월에 서울의대 생리학교실로 옮긴 이후

연구내용의 큰 조정이 있게 되었다. 1) 기존의 B 림프구에

대한 연구와 함께, 2) 세포막 신전자극에 의한 이온통로

조절을 혈관평활근에서도 연구하며, 3) 동물세포의 생존에

필수적인 산소분압을 감지하고 이온통로 활성도 변화로

나타내는 기전에 대한 연구주제가 추가되었고, 4) 화학적

자극 (열, acidic pH)에 대한 피부각질세포의 반응을

이온통로신호를 중심으로 규명하는 과제를 수행 중이다.

이들 중에서 한 가지 흥미로운 예인 산소감지기전과

이온통로 조절에 대하여 설명하면 다음과 같다.

산소의존성 대사를 하는 생명체는 저산소 상태에서

다양한 반응 (hypoxic response)을 보인다. 급성 저산소

반응들 중에 호르몬과 신경전달물질의 분비를 일으키는

화학감수기세포들은 막전압 탈분극과 칼슘통로 활성화,

그리고 그에 의한 칼슘의존성 전달물질 분비반응을 보인다.

저산소 자극에 의한 탈분극의 분자적 기전으로는

산소분압을 감지하는 포타슘통로가 제안되었다.

화학감수기세포와 폐동맥평활근에 발현되어 있는 TASK-1

그림 7. Immediate hypoxic response via K+ channels

decrease

K+-chennel (이하 TASK-1) 은 저산소에서 활성이 억제되어

세포를 탈분극시키고 칼슘 유입을 촉진한다 (그림 7).

그러나 다른 세포에 발현된 TASK-1 은 그 자체로는 산소를

감지하는 능력이 거의 없기 때문에 별도의 산소감지자

(oxygen sensor)가 필요한 것으로 보인다. NADPH oxidase

(NOX)는 산소의존적으로 활성산소를 생성하는

막단백질이다. 최근 보고에서 혈관을 포함하는 다양한

조직에 발현된 NOX4 가 TASK-1 의 저산소 반응에

필요하다는 결과가 있다. 본 연구자의 예비연구에서 이와

같은 현상을 확인하였을 뿐만 아니라, NOX4 의 heme 기와

강력하게 결합하는 일산화탄소 (CO)가 TASK-1 의

저산소반응을 차단함을 보았다(그림 8). 그러나 비교정

안정화된 활성산소 대사물인 과산화수소의 직접 투여는

억제된 TASK-1 의 크기에 별 영향을 미치지 못하였다(그림

9). 이러한 결과를 볼 때, NOX4 를 매개로하는 TASK-1 의

저산소반응은 활성산소의 생산변화보다 더 직접적인

단백질 상호작용일 가능성과 함께 heme-binding domain 의

중요성이 제기된다.

그림 8. CO 에 의한 hypoxia 효과 차단


그림 9. 저산소 자극 후의 H2O2 추가 투여는 회복효과가

없음

향후 연구를 통하여, NOX4 의 주요 domain 들을

결손변이 또는 치환변이를 시키고서 TASK-1 channel 의

저산소반응이 어떻게 영향받는지 분석할 예정이다. 특히

heme domain 에 산소가 결합하는 것이 TASK-1 channel 의

조절에 있어 필수적일 가능성이 가장 높다.

그림 10. NOX4 의 구조

이상 소개한 내용들에서 나타나듯이 현재 연구방향을

요약하자면, “세포에 대한 물리-화학적 자극을 감지하는

센서이자 반응기로서 이온통로의 역할과

신호전달기전”이라 할 수 있다. 앞으로 보다 발전된

연구기법들을 적용하여 생리학적인 의미뿐만 아니라

생물리학적으로 더 흥미있는 결과들을 얻을 수 있기를

바라면서 노력하는 중이다.

<관련 주요 연구논문 >

1. Park et al. Differential distribution of mechanosensitive

nonselective cation channels in the systemic and pulmonary

arterial myocytes of rabbit. J. Vascular Res. 43, 347-354

(2006).

2. Lee et al. Muscarinic activation of Na+-dependent ion

transporters and modulation by bicarbonate in rat

submandibular gland acinus. Am. J. Physiol. 288, G822-

G831 (2005).

3. Kim et al. Purinergic receptors coupled to intracellular Ca2+

signals and exocytosis in the rat prostate neuroendocrine

cells. J. Biol. Chem. 279, 27345-27356 (2004).

4. Nam et al. Membrane-delimited regulation of background

K+ channels by MgATP in murine immature B lymphocytes.

J. Biol. Chem. 279, 20643-20654 (2004).

5. Nam et al. Slow and persistent increase of [Ca2+]c in

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FEBS Letters 535, 113-118 (2003).

6. Kim et al. Regulation of slowly activating potassium current

(IKs) by secretin in rat pancreatic acinar cells. J. Physiol. 535,

349-358 (2001).


Transcription은 DNA에서 mRNA의 precursor가 합성되

는 유전자 발현의 첫 단계이다. 대부분의 유전자 발현조

절이 이 단계에서 일어나는 만큼 중요하며, 전 과학 분야

를 통털어 가장 논리적이고 체계적으로 연구되어진 분야

들 중 하나이다. 이 과정을 수행하는 분자가 바로 RNA

polymerase II (Pol II)로 1955년에 Severo Ochoa에 의해 밝

혀져, 1959년 DNA polymerase를 발견한 Arthur Kornberg와

함께 의학/생리학 분야의 노벨상을 공동 수상하였다. 그

후 최근까지 대부분의 transcription 연구는 genetics와

biochemistry를 통해 연구 되었을 뿐, transcription machinery

에 대한 구조적 연구는 극히 제한되어 있었다. 그 가장 큰

이유가 핵심 분자인 Pol II의 순수 분리정제의 어려움이다.

Pol II는 12개 subunits에 550kDa에 달하는 거대한 크기로

모든 subunit 전부의 overexpression이 불가능하고, 세포내

에 존재하는 양도 미량으로 구조적 연구를 수행할 만한 다

량의 순수분리 정제된 Pol II를 얻기는 쉽지않다.

대형 단백질 complex 순수분리정제

이와 같은 대형단백질 complex 구조정보를 얻기에 기여

한 기술 중 가장 중요한 것이 바로 소량의 단백질을 native

complex 상태로 대량 순수분리정제하는 affinity-tag방법이

다 (그림 1)[1]. Yeast의 경우 homologous recombination을 이

용한 genomic DNA modification이 쉽고, 두 가지의 affinity

tag을 함께 가지고 있는 TAP(tandem affinity purification)-

tag이 매우 효과적이다. Tap-tag은 CBP(calmodulin binding

peptide)와 protein A가 Tev cleavage site를 사이에 두고 연결

되어 있다. 따라서 대상 단백질을 먼저 protein A와 IgG의

affinity를 이용해 분리하고, 두번째로 다시 CBP와

calmodulin domain의 affinity를 통해 순수분리 정제가 가능

하다.

그림 1. C-terminal/N-terminal TAP tags과 TAP purification strategy의 overview (Puig et al., Methods 24, 218-229 (2001))

[총설]

RNA polymerase II transcription machinery의 구조적 연구와 타 대형단백질 complex로의 응용

건국대학교 신기술융합학과 강 린 우


특히 yeast는 약 6000개로 예상되어진(현재는 약4500개로

예상) 모든 유전자가 이미 Tap-tagging되어져 있으며[2],

국내에서도 서울대 허원기 교수가 Tap-tag library를 tool로

써서 활발히 연구하고 있다. Protein A와 IgG의 상호작용은

매우 specific하여, yeast whole cell extract에 대한 IgG의

immunoblotting background가 아주 낮아 dot blot을

사용하면 실제 세포내에 연구하고자 하는 특정분자의

정확한 수까지도 측정 가능하다 [3]. 또, yeast는

오랜기간동안 많이 연구되어진 만큼 각 유전자의

연구정보가 database화 되어있어,

http://www.yeastgenome.org를 방문할 시 proteomics와 같은

각 유전자에 대한 많은 정보를 쉽게 access할 수 있다.

Pol II의 EM구조

Pol II에 관한 구조적 정보는 처음 발견된지 약 30년 뒤

인 1991년에 처음으로 Arthur Kornberg의 아들인 Roger

Kornberg에 의해 16Å의 resolution으로 electron

microscopy(EM)에 의해 얻어 졌다 (그림 2) [4]. 보다 정확

한 구조 정보를 얻기위해 Pol II의 2D crystals이 lipid layer

위에 만들어 졌다. 2D crystals 내의 Pol II 분자들은 모두 같

그림 2. Yeast RNA polymerase II(Pol II)의 EM 구조 (Cell, 1991). Yeast RNA Polymerase II의 image가 2D crystal로 부터 ~16 Å의 resolution으로 전자현미경을 통해 얻어지고, 3D reconstruction을 통해 스텐포드 Roger Kornberg lab에서 결정되었다.

은 방향으로 배열되어 있어서, 쉽게 각 분자의 image를

average하였고 high quality의 구조정보가 얻어졌다 (EM 구

조에서는 각 분자를 identification한 후 그 분자의

orientation을 확인하고 averaging하는 과정이 아주 중요한

단계임). 이 구조를 통해 처음으로 Pol II의 전체적 모양에

대한 대략적인 정보를 얻을 수 있었으며, 특히 25Å 크기

지름의 hole은 DNA double helix의 지름(20Å)과 비슷해 Pol

II의 transcription mechanism을 추측할 기초 자료가 되었다.

Pol II의 단백질결정 구조

2000년에 마침내 동일 그룹에 의해 3Å 내외까지

diffraction가능한 Pol II의 3D crystals이 얻어졌고, x-ray

diffraction 분석을 통해 그 구조가 밝혀짐에 따라 분자

수준의 Pol II 구조를 얻게 되었다 [5]. Pol II는 약 150Å의

지름을 가진 globular 단백질로서 그 중심에 positively

charged cleft가 존재해 dsDNA와 RNA/DNA hybrid가

binding되어지게 된다 (그림 3). 12개 subunit중 가장 큰

Rpb1 subunit은 dsDNA와 binding시 conformation 변화를

나타내는 clamp의 주를 이루고 있으며, Pol II 밑부분의

funnel로 부터 nucleotide가 Pol II분자 중앙의 hole을 통해

Mg2+근처 active site로 diffusion되어 들어오면서 DNA

template에 상보적인 RNA strand를 합성하게 된다.

Pol II/transcription factor complex 구조

Pol II의 분자수준 구조가 밝혀진 이후 eukaryotic

transcription machinery의 구조적 연구가 빠르게 발전해

왔다. 먼저 Pol II에 의해 DNA template로 부터 RNA가

합성되어지는 메커니즘이 활발히 연구 되었다 [6].

최근까지 Pol II의 transcription elongation complex

구조(DNA/RNA와 복합체를 이룬 Pol II의 구조)[6],

transcribed RNA가 DNA template로 부터 separation 되는


그림 3. 12 subunits 의 RNA polymerase II 중 Rpb4/7 을 제외한 10 subunits 의 RNA polymerase II backbone model. Free RNA polymerase II 와 DNA/RNA 와 binding 된 elongation complex 의 backbone model 로 7 개의 structural Zn2+ 이온은 연푸른색, active site 에 존재하는 1 개의 Mg2+ 이온은 자주색 볼로 나타내어 졌다. 오른쪽 그림의 clamp 는 DNA 와 binding 시 가장 큰 conformation 변화를 일으키며, 연두색의 bridge helix 는 RNA strand 로 nucleotide addition 후 translocation 에 역할을 한다고 추측되고 있다.

구조[7], nucleotide가 RNA strand로 addition되어지는

mechanism[8], Pol II가 transcription을 initiation하는

메커니즘을 밝히는 Pol II/TFIIB complex 구조[9],

transcription elongation step을 돕는 TFIIS와 복합체인 Pol

II/TFIIS complex 구조[10] 등이 그 예이다.

그림 4. 효모 RNA polymerase II 의 80% water content 단백질 결정 내 단백질 packing. 회색 선은 RNA polymerase II 의 backbone 을 나타내며, 80% 공간이 물로 차있음에 따라 큰 빈 공간이 보인다.

Transcription 핵심분자로서 Pol II의 구조적 중요성 뿐만

아니라, Pol II 단백질 결정은 대형 complex에서 기인한

특이성이 존재한다. 확보된 Pol II 결정의 water content는

보통의 단백질 결정의 50%보다 30%많은 80%이다. 즉,

보통 단백질 결정보다 30%나 많은 공간이 물로 채워져

있다 (그림 4). 그러므로 Pol II와 상호작용하는

transcription factor들과 complex의 구조를 얻으려 할때, 그

transcription factor와 Pol II의 상호작용 부위가 단백질 결정

내에 crystal packing 부위가 아니면, 이미 확보한 결정화

조건에서 타 단백질 복합체 결정형성이 가능하다. 이는

쉽게 말해서 이미 확보하고 있는 Pol II의 결정 조건에

따로 순수분리정제된 transcription factor를 soaking함으로

다른 종류의 complex들을 얻을 수 있다는 것이다.

실제 Pol II는 유전자 발현을 위해 여러 transcription

factor들에 의해 조절되어 지고, Pol II가 여러 transcription

factor에 의해 어떻게 조절되어 지는가는 현재 가장


활발하게 연구되어지는 분야이다. 수 십개에 달하는

transcription factors중에 현재까지 단 2개만이 Pol II와

complex 상태로 구조가 결정되어, 아직 많은 연구가

수행되어질 가능성이 존재한다. 이미 얻어진 두가지의

transcription factor와 Pol II의 complex 구조도 기존에

얻어진 Pol II의 단백질 결정에 특정 transcription factor를

soaking하여 얻어진 연구 결과이다 [9, 10].

최근에는 Pol II와 직접 상호작용하며 그 활성을

조절하는 transcription factor로 RNA가 밝혀지고 있다.

세포내 RNA에 대한 연구가 크게 부각 되면서 새롭게 수

백가지의 microRNA와 siRNA들이 밝혀지고, 이 중

microRNA와 siRNA을 포함한 non-coding RNAs

(ncRNAs)중 일부가 eukaryotic mRNA transcription 과정을

조절함이 밝혀 졌다 [11]. Eukaryotic ncRNAs는 genome

DNA로부터 세 가지의 DNA-dependent RNA polymerases

(Pol I, II or III) 중 하나에 의해 만들어지며, 단백질과 같이

기능을 수행하기 위해 secondary structure와 같은 특정한

higher-order 구조를 이룬다. 현재까지 ncRNAs는 gene

splicing, mRNA turnover, gene silencing 및 translation과

같은 유전자 발현에 관련된 다양한 과정에 작용한다고

알려지기 시작하고 있으나, 밝혀진 내용은 전체 기능 중

극히 제한된 부분에 불과하다.

Pol II transcription machinery의 중요성

이와 같이 여러 transcription factor 들에 의한

transcription 조절 메커니즘은 기초과학 연구로써 중요할

뿐 아니라 여러 난치병과 밀접한 연관이 있다. 먼저 암을

살펴보면, 매우 복잡한 질병으로 아직까지도 완전한

이해는 하지 못하고 있으나, genetic disease 로서 그 원인이

유전자 구조의 변화나 발현의 이상이라는 데는 이견이

없다 [12]. Transcription은 유전자 발현의 첫단계이며 가장

중요한 단계로 p53, stat3, NFκB, β-catenin, c-jun 등과 같은

많은 transcription factor 들이 oncogene 임이 이미 밝혀져

있다 [12, 13]. 이미 MLN944(phase I)[14], flavopiridol(phase

II)[15]와, R-roscovitine(phase II)[16]등의 임상실험단계

항암제가 transcription 과정을 저해해 오고 있음이 밝혀져,

Pol II 의 활성 저해제는 타 항암제와 보완하여 쓰여질 수

있는 큰 가능성을 가지고 있다. AIDS 를 일으키는 HIV 의

경우에도 바이러스 증식에 유리하도록 인간생체내

전사과정을 이용한다. HIV 자신이 coding 하는 단백질

Tat 가 Pol II/DSIF(negative transcription elongation factor)와

직접 binding 함으로서 자신의 유전자를 인간 유전자보다

빨리 발현시키는데 이용한다 [17]. 이 단계는 anti-HIV

drug 개발에 중요한 단계이다.

대형 단백질 복합체 구조결정의 의의

실제 생체내의 단백질들은 여러 motif 와 domain 들의

상호작용을 통해 이루어진 복합체로서 그 기능을

수행한다. 지금까지 단백질 기능과 작용메커니즘을

살펴보기 위한 최선의 방법중 하나가 삼차원 구조를

결정하는 방법이다. 많은 soluble 한 단백질의 삼차원

구조가 폭발적으로 결정되었음에도 불구하고 대형

단백질 복합체에 대한 정보는 아직 미비하다. 그 중 한

예로서 유전자발현에 핵심분자인 Pol II 의 구조가

결정되었다. Pol II 는 그 자체만으로도 550kDa 에 달하는

거대 단백질 복합체로서 수 십까지의 조절인자가

존재하며, 그 복합체들 중 단 두 가지의 구조가 풀렸을

뿐이다. 그 다양한 복합체들의 구조정보는 생물학/의학적

가치의 중요도를 넘어서, 기존에 삼차원 구조정보의

범위를 multi-subunit 대형 단백질 복합체로 확대하는

바탕이 될 것이다.


참고문헌

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생명체는 빛을 감지하고 빛의 특성변화에 빠르게

반응하여 적응한다. 예를 들어 빛의 세기 (intensity), 파장

(wavelength), 방향성 (directionality)을 구별할 수 있으며,

빛을 이용하여 에너지도 생산할 수도 있고, 세포에

조사되는 빛 신호변화를 감지하여, 세포성장 방식과

생체리듬을 결정해 주기도 한다. 이렇게 다양한 빛을

이용하기 위하여 생명체는 다양한 빛감지 단백질을

가지고 있다. (1-3)

1. 다양한 광수용체

가장 일반적으로 알려진 생명체의 빛의 이용은 식물의

광합성이며 빛에너지가 생체에너지로 전환됨으로서 모든

생명에너지의 근원이 된다. 다른 한편으로 빛은 환경변화

[총설]

광수용체 및 로돕신의 생물학적 기능

서강대학교 생명과학과

정 광 환


인지를 위한 신호로서 동물과 식물의 환경 적응 및 생존에

직접적인 영향을 준다. 동물의 경우 눈에 있는

로돕신(rhodopsin)을 이용하여 빛을 감지하고 그 신호를

뇌로 전달하여 외부환경에 몸을 움직여 대처한다. 식물은

이동성이 없기 때문에 외부환경의 정확한 인지는 생존에

필수적이며, 따라서 빛 환경 변화를 정확하게 인지하는

것은 필수적이라 할 수 있다. 그러한 인지 시스템으로

적색광/원적색광 수용체인 피토크롬(phytochrome), 청색광

수용체인 크립토크롬 (cryptochrome), 또 다른 청색광

수용체인 포토트롭핀 (phototropin)등이 알려져 있으며,

이들 광수용체는 빛을 흡수하여 광신호를 생체내의

화학적 신호로 전환시킨 후 다른 신호 전달 물질로

전달하는 역할을 한다 (4). 이러한 식물의 광수용체들 중

피토크롬이 다양한 기능으로 인해 세계적으로 가장

활발하게 연구되어 왔다. 빛에 의해 조절되는 식물의 모든

생장과 발달과정을 광형태형성 (photomorphogenesis)라고

하는데, 피토크롬 수용체는 식물 광형태형성의 거의 모든

과정을 조절하는 가장 중요한 광수용체로서 식물의 씨앗

발아에서부터 잎과 줄기 생장, 엽록소 합성,

광주기성(circadian rhythm), shade avoidance, 개화 등에

관여하는 유전자들의 발현을 조절한다. 한편

크립토크롬은 피토크롬과 함께 식물의 줄기 생장과

광주기성 개화와 같은 광형태형성 과정을 조절하며,

포토트롭핀은 식물 줄기의 굴광성에 관여한다. 또한, 최근

몇 년 동안 blue-light (청색파장 [440 - 480 nm] 빛감지)을

감지하는 flavin 유도체를 chromophore 로 가진 단백질의

기능 및 역할이 알려지고 있다(표 1). 더군다나, 이들과

연관성 있는 신호전달과정과 수송기능이 서로 다른

새로운 광단백질들이 지놈 프로젝트 결과로 다양한 동물,

식물, 미생물 종에서 많이 발견되었다(그림 1).

표 1. 잘 알려진 광수용체들의 특징

Photosensor Chromophore Photochemistry Function

Phytochrome phytochromobillin tetrapyrroles

trans ↔ cis Photo-morphogenesis, circadian, etc

Microbial Rhodopsin (type I)

retinal trans ↔ 13 cis Ion pump, phototaxis, etc

Visual Rhodopsin (type II)

retinal 11 cis ↔ trans Vision, circadian

Xanthopsin (PYP)

coumaric acid trans ↔ cis Phototaxis, control gene expression

Cryptochrome flavin Electron transfer? Circadian Phototropin flavin Cysteinyl adduct

formation Phototropism

BLUF protein flavin Proton transfer? Phototaxis, control gene expression


그림 1. 다양한 광수용체의 흡수파장 영역

2. 다양한 로돕신의 기능

일곱번의 막을 가로지르는 helix 로 이루어진

광리셉터 감지로돕신은 1999 년 이전까지는 오직

고세균계의 haloarchaea 와 고등 동물계(인간 포함)

에서만 발견되었으나 1999 년 이후 여러 생물계의 지놈

project 결과, 거의 모든 병원성 곰팡이류 (fungi)와 일반

세균류(eubacteria), 원생생물류(protists)에서

발견되었다. 또한 바다 플랑크톤 중 우리가 실험실에서

키울 수 없는 marine proteobacteria 에서도 environmental

genomics 결과로 아주 많은 종류의 로돕신들이

발견되었다(5). 기존의 archaeal 로돕신의 기능과

인간의 눈에 있는 로돕신은 많은 연구가 진행되어

다양한 특성을 알게 되었으며, 최근에는 X-ray crystal

구조도 알려져 모든 G-protein coupled receptor 의 모델

시스템으로 연구가 진행되고 있다 (6).

미생물 로돕신의 기능은 크게 두가지로 나뉜다.

첫번째로 이온수송펌프역할을 하며 세포내의 에너지

생산에 도움을 주는 로돕신으로 대표적인

Bacteriorhodopsin (BR), proteorhodopsin (PR),

Gloeobacter rhodopsin (GR)등이 있다. 두번째로는 신호

전달에 사용되는 로돕신으로 halobacteria 의 Sensory

rhodopsin I 과 II, Chlamydomonas (조류)의 CASRA 와 B,

Anabaena (남조류)의 Anabaena sensory

rhodopsin(ASR)등이 있다 (2,3). 이들의 신호전달

방법은 다양하며, 막단백질의 전달자 (transducer)를

이용하여 phototaxis 를 조절하기도하고, 칼슘채널을

통한 막전위차를 이용하여 세포의 움직임을 조절할

수도 있고, 특이하게 G-protein coupled receptor 처럼

세포내 수용성 전달자를 이용하여 신호를 전달하는

메커니즘을 이용하기도 한다. (그림 2)

3. 레이저를 이용한 광화학적 현상연구

광감지 수용체들은 빛을 흡수하여 중간

intermediate 들을 만든다. 이러한 photo-intermediate 들은

생체 내에서 다양한 역할을 수행한다. 로돕신의 경우 가장

긴 반감기를 가진 M intermediate 는 레티날의 proton 이

떨어진 형태로 존재하며, 빛감지 신호를 전달하는 중요한

기능을 하며. 이 intermediate 의 세포내 농도에 따라

신호전달의 세기가 결정이 된다 (1). 따라서 이 M

intermediate 의 생성속도 및 분해속도는 신호전달에 아주

중요한 요소가 된다. 이 intermediate 의 생성 및 분해속도를

알아내기 위해서 레이저와 UV/VIS spectrocopy 를

연결하여 만든 laser flash photolysis 시스템을 이용하면 fast

kinetics 를 측정할 수 있다 (그림 3). 이 흡수 파장의 조사를

각각 다른 조건에서 (pH 및 이온농도 변화) 분석하면 실제

세포내에서 과연 어떤 파장의 빛을 이용하는지 예상해볼

수 있다. 또한 이 로돕신 단백질이 감지기능 만으로

작용하는지 아니면 또 다른 기능 (proton pump) 이

있는지를 빛에 의한 수소이온 농도변화를 cuvette 에서


그림 2. 다양한 typeI 로돕신의 기능 모델.

측정해 볼 수 있다. 대부분 신호전달에 이용되는

감지로돕신은 proton pumping 능력이 거의 없거나 아주

미약한 반면, 물질수송에 관여하는 로돕신은 상당히 많은

양의 이온을 빛 에너지를 이용 하여 수송하게 된다 (5). 또한

proton pumping 시 사용되는 빛의 파장은 각 로돕신의

종류에 따라 다르므로 spectroscopic 연구가 가장 먼저

선행된 후 이 방법으로 조사되어야 한다.

4. Future

최근에 20 종류가 넘는 새로운 광단백질이 발견되어 그

기 능 이 연 구 되 고 있 으 며, 이 렇게 새롭 게 알려 진

광단백질들의 생화학적, 생물리학적, 그리고 생리학적

특성을 조사하고, 빛감지 메카니즘 및 신호발생과정 및

전달 방법의 차이를 알아낸다면 다양한 생명현상을

그림 3. Laser flash photolysis 시스템을 이용한 측정

모식도


이해하는데 많은 도움이 될 것이라 생각된다 (6). 현재 각종

광학적 응용을 위하여 각종 유기 및 무기 신소재들의

연구를 통한 신소재의 개발이 중요하나, 생명체가 수백만년

살아오며 자연에 적합하게 적응되고 진화적으로 보완된

광단백질들의 특성을 이용하여 광센서로 응용하는 것은 더

큰 장점이 있을 것으로 생각된다. 광감지 단백질들을

광센서로 응용시 먼저 광감응 생체물질들의 기능 및

생물리학적 특성을 자세히 연구하고, 표면에 광단백질들을

고정시키고 이를 전기적인 신호로 측정할 수 있게

구성하여야 한다. 더불어 성공적인 연구와 개발을 이루기

위해서는, 광단백질의 생물학적 기능을 연구하는 분야와,

광단백질의 생물리학적 특성을 연구하는 분야, 그리고

광단백질을 표면에 고정시켜 전기화학적인 신호로 측정할

수 있는 세 분야의 전문가들 사이에 긴밀한 공동연구체계가

선행되어야 한다.

참고문헌

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연구실개요

연구실이 문을 연지가 올해가 햇수로 10 년째인

연세대학교 구조생화학-생물리학 연구실은 1997 년 봄에

출발하였다. 처음 한명의 석사과정 학생으로 시작하여

현재는 연구교수 1 명, 박사후 연구원 2 명, 박사과정 2 명,

연구원 1 명, 석사과정 7 명이 연구를 수행하고 있는 중규모

이상의 실험실로 성장했으며 현재 과학기술부 국가지정

[국내 생물물리학연구실 소개]

연세대학교 구조생화학 및 분자생물리학 실험실

이원태 교수 연구실


연구실로 선정되어 연구를 수행하고 있으며 지금까지 총

3 명의 박사와 21 명의 석사 졸업생을 배출했고 매년 논문을

꾸준히 발표하여 현재까지 단백질 구조와 기능 및 신약개발

관련 100 여편의 논문을 발표하였다. 본 연구실은

핵자기공명분광학(NMR Spectroscopy)라는 실험기법을

주축으로 하여 대부분의 연구가 수행되므로 아무래도

장비가 가장 민감한 부분일 것이다. 연구에 핵심이 되는

핵자기공명분광기는 독일 Bruker 에서 제작한, 11.1T 의

초전도 자석으로 구성된 500MHz NMR 기기가 1998 년부터

도입, 운영되고 있고 올해 2 월 부터는 검출기 코일과

프리앰프의 온도를 수십켈빈으로 낮추어 열저항을

감소시킴으로서 실험감도를 재래 probe 보다 5 배이상

증가시키는 최신예 장비인 cryoprobe 를 장착하여 사람 및

고등생물의단백질의 삼차원 구조연구에 획기적인 전기를

마련하였다. 또한 16 개의 노드를 가지는 리눅스

클러스터를 자체적으로 구축, 운영함으로서 단백질

구조계산과 동력학 시뮬레이션, 모델링 등의 연구에

활용하고 있다.

연구주제 및 분야

본 연구실은 핵자기공명기법과 더불어 여러 가지 다양한

생물리화학적 기법 (Surface Plasmon Resonance, Circular

Dichroism, Isothermal Calorimetery, Mass Spectrometer)등을

이용하여 다음과 같은 주제를 연구하고 있다.

국가지정연구실 과제(초고속 단백질 구조규명 및

신약개발에의 응용)

(High-Throughput Structure Determination NMR)은 핵자기

공명분광학을 이용하여 단백질 구조를 결정하는데 있어

혁신적인 실험기법과 고성능컴퓨터를 이용한 자동

분석법을 통해 기존의 방법보다 3-4 배 빠른 속도로

용액상의 단백질 구조를 결정하는 새로운 개념의

신기술이다. 본 방법을 통한 고속 고효율의 단백질 구조

결정기술은 최근 post-genome project 의 일환으로 추진되고

있는 구조 유전체학(Structural genomics) 및 구조

단백질체학(Structural proteomics) 연구에 있어서 중심적인

역할을 수행하는 핵심기술이며(Christendat et al. Nat. Struct.

Biol. 7, 903-909 (2000)), 본 기술을 단백질 구조결정과정에

적용할 경우 생체용액상에서 짧은 시간 내에 여러 개의

단백질의 구조를 결정하는 것이 가능하게 되어, 단백질의

구조를 기반으로 한 단백질 공학, 신약 탐색 및 생명공학

기술에 광범위하게 적용, 파급효과를 가져올 수 있는

기반기술이라 할 수 있다.

Response Regulator 의 삼차원 구조와 기능연구

원핵세포들은 two-component system 이라는 체계를 통해

진핵세포와 유사한 신호전달과정을 보이며 외부자극에

대해 유전정보의 발현을 조절한다. HP1043 은 Helicobacter

pylori 에서 유래한 단백질로 receiver domain 과 DNA

binding domain 이라는 two-component system protein 의

전형적인 구조를 가지고 있으며 H.pylori 에서 생장밀도를

조절하는 것으로 알려졌다. 본 연구실에서는 dimer 의

크기로 50kDa 에 달하는 이 단백질의 구조를 NMR 로

결정하였으며 인산화 없이 작동하는 기전을 최초로

규명하였다.

사람의 peroxiredoxin 구조와 기능연구

유기체는 산소호흡의 산물로서 활성산소를 내어놓는다.

활성산소는 노화의 원인으로 여겨지고 있으나 최근에는

세포내 대사상태를 알려주는 신호전달물질로서의 역할이

알려지기 시작했다. 이러한 활성산소종을 조절하는

단백질의 하나로 peroxiredoxin(prx)이라 불리는 단백질들이

있다. 본 연구실에서는 prx 중의 하나인 human prx

6(hPrxVI)의 삼차원 구조와 기능연구를 NMR 과 X 선

결정학을 통해 수행하고 있다.


그림 1. MSH-MC4R complex model

Proteoglycan syndecan 단백질 및 이와 상호작용하는

단백질의 기능연구

Syndecan 은 proteoglycan 의 한 종류로 암의 전이나

상처의 재생, 신경세포 회복 등 다양한 세포활동에

관여하고 있다. 본 연구실에서는 syndecan 의 transmembrane

domain 과 cytoplasmic tail 에 대한 구조연구를 수행하고

있으며 syndecan 과 상호작용하는 다른 여러 단백질과의

상호작용 및 구조도 연구하고 있다. 이들의 구조 및

결합구조는 세포가 세포외기질과 결합을 매개하는 부분인

focal adhesion 에서 일어나는 신호전달기작을

분자수준에서 이해하는 데 도움을 줄 것이다.

펩타이드 호르몬 구조연구를 통한 신약개발 연구

단백질 구조 연구과정에서 빼놓을 수 없는 것이

신약개발일 것이다. 본 연구실에서는 보건복지부에서

연구비를 지원받아 펩타이드 호르몬인 melanocortin

stiulating hormone(MSH)와 parathyroid stimulating

hormone(PTH)와 이의 유사체의 구조를 규명하고 이를

바탕으로 이 호르몬들의 작용에 관여하는 신약개발 연구를

수행하고 있다. 이 들 호르몬에 대한 연구는 각각 비만과

골다공증에 대처할 수 있는 신약의 개발로 이어질 수 있을

것이다. 한편 호르몬의 구조만을 연구하는 한계를

돌파하기 위해 각각 호르몬의 수용체들을 homology

modeling 기법을 통해 모델링하고 기질-수용체 복합체의

구조를 추정하여 새로운 형태의 신약 후보물질을 개발하고

있다(그림 1).

맺음말

본 연구실은 지난 10 년간 한국에서 NMR 을 이용한

단백질의 삼차원 구조와 기능 연구 분야에 작은

힘으로나마 기여했다고 자부하고 있으며 앞으로도 이러한

노력은 계속 될 것이다. 한편으로 실험실 대부분을

구성하는 연구인력이 학생이므로 연구뿐만 아니라

교육에도 힘을 쓰고 있다. 대학병원이 환자를 대하고 병을

치료하는 임상뿐만 아니라 새로운 의사들을 키워내는

교육기관인 것처럼 대학내에 위치하고 있는 본 연구실은

학자로서 연구에 매진할 뿐만 아니라 미래의 학자가 될

학생들의 교육에도 많은 비중을 두고 있다. 이러한

교육기관으로서의 특징이 연구성과를 내는데에는 다소

느리고 불리하게 작용할 수도 있겠지만 연구소와는 다른

교육기관으로서의 소임을 충족할 수 있는 우수한 연구실이

되도록 노력할 것이다. (정진원박사: solwind@

spin.yonsei.ac.kr/ 고성건: [email protected]. kr).


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Korean Biophysical Society Newsletter · 2016-11-23 · 제5회 East Asian Biophysics Symposium (EABS2006)이 올해 11월12일부터 16일까지 일본의 오키나와에서 개최

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