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생명과학의 역사를 쓰는 사람들 Research Highlights

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인터뷰 김기정
논문 Gijeong Kim, Liyana Azmi, Seongmin Jang, Taeyang Jung, Hans Hebert, Andrew J. Roe, Olwyn Byron & Ji-Joon Song (2019) Aldehyde-alcohol dehydrogenase forms a high-order spirosome architecture critical for its activity. Nature Communications, volume 10(1), 4527. doi:10.1038/s41467-019-12427-8
한줄요약 초저온전자현미경을 이용한 알데히드-알코올 탈수소효소의 구조 규명 및 기능적 이해
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<알데히드-알코올 탈수소효소의 구조 기능적 연구 >


1. 배경지식

박테리아에 널리 보존되어 있는 알데히드-알코올 탈수소효소(AdhE) 발효과정에 관련된 효소이다. 알데히드-알코올 탈수소효소는 개의 도메인, 알데히드 탈수소효소와 알코올 탈수소효소로 구성되어 있고, 최초 기질인 아세틸조효소A (acetyl-CoA) 도메인에 의해 아세탈알데히드를 거쳐 에탄올로 바뀐다. 뿐만 아니라 알데히드-알코올 탈수소효소는 병원성 대장균의 독성이나 바이오연료 산업에서 에탄올 수율과 밀접한 관련이 있기 때문에 응용가능성을 주목받아왔다. 그럼에도 불구하고 알데히드-알코올 탈수소효소는 나선형의 다량체(spirosome) 만들기 때문에 구조와 기능을 이해하는 한계가 있었다.


2. 질문

알데히드-알코올 탈수소효소가 만드는 다량체는 어떤 모습일까? 다량체의 형성은 알데히드-알코올 탈수소효소의 기능에 어떤 역할을 할까?


3. 발견

알데히드-알코올 탈수소효소의 구조 생화학적 연구를 통해 연구팀은 효소의 다량체 형성 원리와 다량체가 갖는 생물학적 함의에 대해 이해할 있었다. 첫째로 연구는 초저온전자현미경을 사용하여 최초로 알데히드-알코올 탈수소효소의 원자 수준의 해상도 구조를 규명하였다. 규명한 구조로부터 알데히드-알코올 탈수소효소가 어떤 방식으로 다량체를 형성하는 있었을 뿐만 아니라 알데히드 탈수소효소와 알코올 탈수소효소의 활성 자리가 각각 나선형 다량체의 밖과 안쪽에 위치하는 것을 확인하였다. 이러한 배치를 가짐으로써 전체 반응은 다량체 밖에서 안으로 진행될 것이며, 개의 연속된 반응이 끝까지 완료될 있도록 것이라 예측된다. 특히 중간산물인 아세탈알데히드는 확산이 용이하며 독성을 가지고 있는데 세포내로 확산되는 것을 방지함으로써 알데히드-알코올 탈수소효소는 안전한 방식으로 기질을 처리할 있어 보인다. 둘째로 연구팀은 다량체의 구조를 갖는 것이 알데히드-알코올 탈수소효소의 작용에 중요하다는 것을 밝혔다. 탈수소효소에는 이온과 NAD+ 같은 보조인자가 활성에 필요한데 이러한 보조인자를 처리하였을 알데히드-알코올 탈수소효소의 다량체 구조가 변하는 것을 확인하였다. 앞서 확인한 것과 같이 위치적으로 분리되어있는 활성 자리가 다량체의 구조변화를 통해 상호작용을 있을 것이라 예상된다. 돌연변이를 도입하여 알데히드-알코올 탈수소효소의 다량체 형성을 억제하면 어떻게 될까? 연구팀은 구조를 기반으로 하나의 아미노산 변화만으로도 알데히드-알코올 탈수소효소 돌연변이가 다량체를 형성하지 않는 것을 확인하였고, 다량체를 형성하지 못함으로써 효소의 활성이 극적으로 감소하는 것을 보였다. 결론적으로 알데히드-알코올 탈수소효소는 나선형의 다량체를 형성함으로써 발효과정을 효과적으로 수행할 있게 한다는 것을 이번 연구를 통해 알게 되었다.


4. 후속

나선형의 알데히드-알코올 탈수소효소 다량체가 보조인자와 결합한 경우 구조 변화가 생기는 것을 확인하였다. 보조인자와 결합한 알데히드-알코올 탈수소효소의 구조를 밝힘으로써 효소 활성의 메커니즘을 이해할 있을 것이라 기대된다. 실제로 이를 위해 후속 연구를 진행하고 있으며 보조인자가 있을 때와 없을 때의 차이가 어떤지 확인한다면 더욱 의미있는 연구가 것이라 기대한다. 동시에 영국 글래스고 대학교와의 협업을 통해 다량체 형성을 저해하는 물질을 찾고, 병원성 대장균 치료제 개발을 위한 연구를 해보고자 한다.


5. 소감

알데히드-알코올 탈수소효소는 사실 저희 연구실에서 주요하게 다루는 단백질이 아니었습니다. 우연한 발견과 만남을 통해 논문을 성공적으로 마무리 있었습니다. 지원과 지도를 아끼지 않으신 송지준교수님, 글래스고 대학교 Andrew교수님, Olwyn교수님, 무엇보다도 함께 옆에서 고민해준 연구실 선후배님께 감사드립니다.


6. 기타

효소활성 측정을 위해 조병관교수님 연구실에서 많은 도움을 받았습니다. 특히 최동희, 김강산 선생님께 고맙다는 말씀을 자리를 빌어 전합니다.




  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 Views2728
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  2. 서예지 (바이오이미징&광유전학 연구실, 허원도 교수님)

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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 Views2497
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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 Views3657
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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...
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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...
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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...
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  8. 박진아 (대사신호전달 연구실, 김세윤 교수님)

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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...
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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 Views4095
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  11. 인선아 (진핵세포전사 연구실, 김재훈 교수님)

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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...
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  13. 유병준 (바이오나노의약 연구실, 전상용 교수님)

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    Date2019.01.09 By생명과학과 Views4938
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  15. 유이슬 (생체분자공학 연구실, 김학성 교수님)

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  16. 전종철 (진핵세포전사 연구실, 김재훈 교수님)

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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 Views4476
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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 Views3781
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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 Views4503
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