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생명과학의 역사를 쓰는 사람들 Research Highlights

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인터뷰 허우성
논문 Woosung Heu*, Jung Min Choi*, Hyun-Ho Kyeong, Yoonjoo Choi, Hee Yeon Kim, and Hak-Sung Kim (2018) Repeat Module-Based Rational Design of a Photoswitchable Protein for Light-Driven Control of Biological Processes. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. (*contributed equally) doi: 10.1002/anie.201803993
한줄요약 LRR 단백질 기반으로 합리적 설계를 통해 광스위치 단백질 개발 및 이를 이용한 세포 신호전달 조절
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1. 배경지식

   빛을 이용한 세포의 다양한 신호전달 조절은 물리, 화학적 방법보다 침습적이고 빠르기 때문에 세포 기능 연구에 매우 효과적으로 활용될 있습니다. 그러나, 지금까지는 주로 자연에 존재하는 스위치 단백질에 의존하였기 때문에 많은 한계가 있었습니다. 특히, 이들 단백질을 각각의 신호전달 시스템에 맞도록 재설계해야 하는 복잡하고 힘든 과정으로 인해 실제 응용에 많은 제한이 있었습니다. 이를 극복하기 의해 최근에는 합성된 광스위치 분자를 단백질에 결합시켜 빛에 따라 기능을 조절하려는 연구가 진행되었으나, 경우도 빛에 따라 스위치처럼 작동하는 단백질의 설계 방법이 단백질 종류에 따라 다르고 복잡하여 활용에 한계가 있었습니다.


 

2. 질문

   우리는 복잡한 설계가 필요없이 광범위하게 사용 가능한 광스위치 단백질을 개발하고자 했습니다.


 

3. 발견

   우리는 Leucine-rich repeat( LRR)모듈로 구성된 반복 단백질을 바탕으로 구조 생물학과 분자동력학(molecular dynamics) 모델링을 이용하여 광스위치 분자를 반복 모듈사이에 결합시켜 접합면을 가역적으로 변형시킴으로써 궁극적으로 표적에 대한 결합력을 빛으로 조절 있는 단백질 설계기술을 개발하였습니다. 다양한 표적에 결합하는 LRR 단백질을 대상으로 설계기술을 적용한 결과 기대한 대로 각의 표적에 대한 결합력을 빛을 이용하여 효과적으로 조절할 있는 단백질을 성공적으로 개발함으로써 설계기술이 광범위하게 활용할 있음을 확인하였습니다. 특히, 빛에 의해 상피세포 성장인자 수용체 (epithelial growth factor receptor, EGFR) 대한 결합력 조절이 가능한 단백질을 개발하고 이를 이용하여 세포 EGFR 신호 전달을 빛으로 조절 있음을 증명하였습니다.


 

4. 후속

   이번 연구에서 개발한 설계 기술을 이용하여 다양한 세포 신호전달을 조절할 있는 광스위치 단백질을 개발하는 연구를 진행하고자 합니다.


 

5. 소감

   설계 기술을 개발하기 위해 다양한 분야의 연구자분들과 함께 연구하였고 좋은 결과를 얻었습니다. 다양한 분야의 연구에 관심을 가지고 의견을 나누는 것이 연구를 진행하는데 매우 중요한 부분이라고 느꼈습니다.


 

6. 기타

   연구가 마무리될 있도록 지도해주신 김학성 교수님께 진심으로 감사드립니다. 또한 함께 연구를 수행하신 최정민 박사님과 연구를 진행하면서 많은 도움을 경현호 박사님, 최윤주 박사님께도 감사드립니다.



  1. 김성수(바이오이미징&광유전학 연구실, 허원도 교수님)

    그림1. monSTIM1의 활성화 개념 그림설명(좌), 빛 세기에 대한 세포 내 칼슘 활성도(우) 그림2. 비침습적 광조사를 받고 있는 쥐 (좌), 빛 자극에 따른 칼슘 신호 마커, c-Fos발현 (우) <빛의 민감도를 증가시킨 monSTIM1의 활성화를 통한 비침습적 뇌세포 칼...
    Date2020.02.03 By생명과학과 Views2727
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  2. 서예지 (바이오이미징&광유전학 연구실, 허원도 교수님)

    <그림. 1> Graphical Abstract: 광유도 TrkB 수용체의 국소활성화를 통한 신경세포의 극성화 <그림. 2> 광유도 TrkB 수용체의 국소활성화에 의한 액틴파 형성 및 축삭 단백질의 축적 1. 배경지식 신경세포는 발달과정동안 여러 개의 미성숙 신경 돌기를 가지...
    Date2019.12.26 By생명과학과 Views2426
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  3. 유다슬이 (바이오이미징 & 광유전학 연구실, 허원도 교수님)

    <그림 1> 항체조각과 Optobody 모식도 <그림 2> 광활성화된 항체에 의한 항원의 비활성 및 기능 억제 1. 배경지식 항체는 면역반응의 핵심 물질이며 질병 치료제로도 사용 중에 있습니다. 항체를 직접적인 질병 치료제로 사용하는 경우 항체 단백질을 정제하...
    Date2019.12.26 By생명과학과 Views2495
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  4. 김기정 (에피제네틱스 구조생물학 연구실, 송지준 교수님)

    <알데히드-알코올 탈수소효소의 구조 및 기능적 연구 > 1. 배경지식 박테리아에 널리 보존되어 있는 알데히드-알코올 탈수소효소(AdhE)는 발효과정에 관련된 효소이다. 알데히드-알코올 탈수소효소는 두 개의 도메인, 알데히드 탈수소효소와 알코올 탈수소효...
    Date2019.10.21 By생명과학과 Views3651
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  5. 신왕용 (시냅스뇌질환 연구실, 김은준 교수님)

     < NMDAR 활성을 통한 NGL-3 돌연변이 생쥐의 비정상적 행동과 전기생리학적 특징 회복 > 1. 배경지식 시냅스는 신경계의 가장 작으면서도 핵심적이고 기능적인 요소로 신경세포 간의 정보전달에 필수적인 구조입니다. 시냅스는 이온통로, 수용체, 접착 단백...
    Date2019.06.11 By생명과학과 Views3840
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  6. 장성민 (에피제네틱스 구조생물학 연구실, 송지준 교수님)

    < Cryo Electrom Microscopy (Cryo-EM) 으로 규명한 DOT1L – 유비퀴틴 뉴클레오좀 복합체 구조 > < 정상적인 뉴클레오좀 (파란색, 녹색)과 비교했을 때, DNA가 풀려 사라지고 히스톤 2차 구조가 손실되는 불안정화 현상이 관찰됨 (빨강) > 1. 배경지식 Histon...
    Date2019.04.19 By생명과학과 Views3942
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  7. 정창욱, 하승민 (시냅스뇌질환 연구실, 김은준 교수님)

     <생후 7~21일 동안 memantine을 투여한 경우 Shank2 결손 생쥐의 사회성이 개선된다.> 1. 배경지식 자폐증은 어린 나이에 발병되는 신경발달장애 중 하나로 전 세계적으로 약 1%의 유병률을 보이며 최근 점점 환자 수가 증가하고 있습니다. 그러나 현재까지...
    Date2019.04.03 By생명과학과 Views3254
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  8. 박진아 (대사신호전달 연구실, 김세윤 교수님)

    <흥분성 신경세포 특이적 IPMK 녹아웃에 의한 공포기억 소거증진 효과> 1. 배경지식 포유류에게 있어 다가오는 위협에 대응하여, 관련된 사건을 기억하고 적절한 반응을 하는 것은 생존에 매우 중요합니다. 또한 필요 이상으로 과도한 공포를 느껴 수행능력이...
    Date2019.03.28 By생명과학과 Views4126
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  9. 이윤정 (에피제네틱스 구조생물학 연구실, 송지준 교수님)

     <그림. MRG15 binding to ASH1L releases the autoinhibitory loop, and activates ASH1L histone methyltransferase activity> 1. 배경지식 DNA는 히스톤 H2A, H2B, H3, H4가 각각 한 쌍씩 8개로 결합해 이루어진 octamer에 감겨, 크로마틴의 가장 기본 단...
    Date2019.03.28 By생명과학과 Views3251
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  10. 김지훈 (바이오이미징 & 광유전학 연구실, 허원도 교수님)

    <형광단백질을 이용한 실시간 small GTPase 단백질 센서의 개발과 생명연구의 적용 > (a) Schematic of ddFP-based small GTPase sensor. (b) (top) Schematic depiction of KRas (G-KRas) sensor construct. (bottom) Fluorescence images showing Ras activ...
    Date2019.02.07 By생명과학과 Views4092
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  11. 인선아 (진핵세포전사 연구실, 김재훈 교수님)

     <RNF20/40에 의한 열충격유전자 발현 조절 메커니즘> 1. 배경지식 진핵생물에서 DNA는 히스톤 단백질과 함께 ‘뉴클레오좀’이라는 단위로 존재합니다. 히스톤에는 Methylation, Acetylation, Phosphorylation, Ubiquitylation 등의 다양한 번역 후 수정(Post-...
    Date2019.02.07 By생명과학과 Views2724
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  12. 정현진 (바이오이미징 및 광유전학 실험실, 허원도 교수님)

    <광활성 Flp을 개발, 마우스 머리에 LED를 비추어 유전자 발현을 조절함> 1. 배경지식 유전자 기능 연구를 수행하는데 있어 가장 일반적인 방법인 유전자 변형 실험모델을 만드는 것은 많은 시간, 비용, 노력 등이 소요됩니다. 연구를 수행하는데 있어 필요한...
    Date2019.01.24 By생명과학과 Views3583
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  13. 유병준 (바이오나노의약 연구실, 전상용 교수님)

    < 펩타이드-항체 복합체 구성 및 항암 작용기작 > 1. 배경지식 펩타이드의약품이란, 약 40여개 이하의 아미노산으로 이루어진 물질로 주로 화학적인 합성을 통해서 생산하는 의약품을 말합니다. 펩타이드의약품은 질병 관련 표적에 특이적 결합으로 인해 임상...
    Date2019.01.09 By생명과학과 Views4934
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  14. 신안나 (행동유전학 연구실, 김대수 교수님)

    <졸음 행동 모델 제작과정과 T타입 칼슘채널 결핍 마우스 모델의 졸음행동 차이분석> 1. 배경지식 일반적 수면 행동에 비해 졸음행동은 관련 연구가 면밀히 진행되지 않았다. 높은 칼로리의 식품 섭취는 수면을 유도하고, 마우스 모델을 사육되는 상자가 아닌...
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  15. 유이슬 (생체분자공학 연구실, 김학성 교수님)

    <합리적 설계가 가능한 핵단백질 나노 입자와 암세포로의 표적화 및 치료 단백질 전달> 1. 배경지식 지난 수 십년 간 다양한 질병의 진행과 관련한 분자적 기작에 대한 연구 결과가 나오면서 세포 외부에 존재하는 생체 분자뿐만 아니라, 세포 내부의 다양한 ...
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  16. 전종철 (진핵세포전사 연구실, 김재훈 교수님)

    <효모 Set1 complex 의 H2B ubiquitylation 의존적 H3K4 methylation 기작> 1. 배경지식 핵산인 DNA와 단백질인 히스톤은 염색체의 기본 구성인자인 nucleosome을 이룹니다. DNA를 기반으로 하는 다양한 생명현상들 예컨데 DNA replication, DNA repair, DNA ...
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  17. 정화진, 박하람 (시냅스뇌질환 연구실, 김은준 교수)

    <Sexually dimorphic gene expression in Chd8-mutant mice> 1. 배경지식 자폐증은 1% 가량의 인류가 영향을 받는, 굉장히 큰 사회적 비용이 들어가는 정신질환입니다. 사회성 문제와 제한되고 반복적인 행동을 보이는 환자를 자폐증으로 진단합니다. 세계적...
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    <배고플 때 잠을 못 자는 이유: 아미노산 세린이 아세틸콜린 신호를 증진시켜 잠을 억제한다> 1. 배경지식 동물들은 성장과 신체의 다양한 대사 작용을 유지하기 위한 에너지와 영양소를 먹이로부터 얻으며, 굶게 되면 수면을 억제 시키면서까지 먹이를 찾는...
    Date2018.08.16 By생명과학과 Views4473
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  19. 허우성 (생체분자공학 연구실, 김학성 교수)

    1. 배경지식 빛을 이용한 세포의 다양한 신호전달 조절은 물리, 화학적 방법보다 비 침습적이고 빠르기 때문에 세포 기능 연구에 매우 효과적으로 활용될 수 있습니다. 그러나, 지금까지는 주로 자연에 존재하는 광 스위치 단백질에 의존하였기 때문에 많은 ...
    Date2018.07.30 By생명과학과 Views3779
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  20. 박은애 (식물학 연구실, 최길주 교수)

    <그림. 파이토크롬의 힘: 숲 속, 키 큰 나무 아래 그늘에 비추는 잠깐의 빛으로도 키 작은 식물은 푸르러진다> 1. 배경지식 파이토크롬B는 빛을 인지하여 식물의 발아, 새싹 발달, 개화 등을 조절하는 광수용체이다. 파이토크롬B가 식물의 광형태형성을 촉진...
    Date2018.07.26 By생명과학과 Views4498
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