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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. 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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  2. 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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  3. 신왕용 (시냅스뇌질환 연구실, 김은준 교수님)

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  4. 김기정 (에피제네틱스 구조생물학 연구실, 송지준 교수님)

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  5. 유다슬이 (바이오이미징 & 광유전학 연구실, 허원도 교수님)

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  6. 서예지 (바이오이미징&광유전학 연구실, 허원도 교수님)

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  7. 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...
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  8. 김경덕 (시냅스 뇌질환 연구실, 김은준 교수님)

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  9. 송유향, 황양선 (감각처리연구실, 이승희 교수님)

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  11. 신왕용 (시냅스뇌질환 연구실, 김은준 교수님)

    <Grin2b 점돌연변이 생쥐의 비정상적 전기생리학적 특징과 특정시기의 NMDAR 활성을 통한 이상 회복> 1. 배경지식 소단위 단백질 GluN2B를 포함하고 있는 NMDA 수용체는 시냅스 장기 약화 (Long-term depression) 등 시냅스 가소성에 중요한 역할을 한다고 알...
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  12. 이진형, 김보람, 김병수, 황가영, 이유진 (신경내부인지 연구실, 서성배 교수님)

    1. 배경지식 초파리에서 GAL4-UAS system은 특정 부위에 특정 유전자를 발현시킬 수 있게 해 줍니다. GAL4는 yeast transcription activator protein이고 UAS는 GAL4가 특정적으로 붙는 enhancer인데 GAL4가 있으면 UAS를 enhancer로 가지는 유전자의 전사가 ...
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  13. 오양균 (NYU) (신경내부인지 연구실, 서성배 교수님)

    배경지식 동물들은 미각 이외에도 체내에 영양분을 인지할 수 있는 신경세포들을 가지고 있습니다. 이러한 영양분 인지 신경세포들은 대략 60 년 전에 전기생리학자들에 의해서 처음으로 발견되었습니다. 꽤 오래전에 발견 되었음에도 이들 신경세포들의 생물...
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  14. 김진은 (신경내부인지 연구실, 서성배 교수님)

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  15. 이준혁(신경교세포 연구실, 정원석 교수님)

    배경지식과 질문 성인 뇌는 기억형성이나 무언가를 인지할 때 시냅스를 만들고 없애는 과정을 끊임없이 반복합니다. 하지만 여전히 어떠한 기전에 의해서 시냅스가 없어지는지, 그리고 굳이 시냅스를 왜 제거하고 있는지는 잘 알려진 바가 없었습니다. 뇌의 ...
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  16. 김재현(감각처리 연구실, 이승희 교수님)

    배경 지식 인간을 포함한 모든 동물은 외부 환경에서 유입되는 다양한 감각 정보를 지각하여 상황에 맞는 행동을 수행합니다. 한 예로, 교통 신호등 앞에서 운전자가 붉은색 신호를 볼 경우 출발하지 않고 기다려야 하며, 푸른색 신호로 바뀔 경우 출발할 수 ...
    Date2021.08.24 By생명과학과 Views1677
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  17. 이승준_(분자신경생물학 연구소, 김은준 교수님 )

    1. 배경지식 자폐증(자폐 스펙트럼 장애, Autism spectrum disorders)은 뇌 발달장애의 한 종류로서, 세계 인구의 약 2%가 앓고 있습니다. 사회성 및 인지능력 저하가 주요 증상으로 꼽히지만 정확한 메커니즘은 알려지지 않았습니다. 이전에 저희 연구실에서...
    Date2021.09.01 By생명과학과 Views94540
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  18. 조혜림 (크로마틴 생물학 연구실, 이대엽 교수님)

    배경 지식 유전체는 단계적인 과정을 거쳐 특이적인 3차원 구조로 응축되어 있습니다. 최근 유전체가 지닌 3차원 구조의 기능적인 특징에 관한 연구 내용이 밝혀짐에 따라, 유전체의 3차원 구조가 어떻게 조절되고 조직화 되는지에 관한 연구가 활발히 이루어...
    Date2021.12.29 By생명과학과 Views3068
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  19. 박기현 (진핵세포전사 연구실, 김재훈 교수님)

    배경 지식 RNA 전사에 관련된 연구는 그동안 RNA polymerase가 주로 이동하는 방향이자 protein-coding 유전자 발현에 해당하는 sense 전사에 집중되어 있었습니다. 하지만 시퀀싱 기술의 발달로, 게놈의 상당 부분에서 반대 방향의 전사, 즉 antisense 전사...
    Date2022.05.02 By생명과학과 Views2031
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  20. 박준우 박사(신경발달 및 재생 연구실, 김진우 교수님)

    질문 한정된 공간인 세포핵 안에서 분해되지 않는 단백질을 세포는 어떻게 처리할까? 발견 세포핵에서 잘 분해되지 않는 전사인자 단백질인 OTX2가 세포핵 돌출 소막에 쌓여 세포질의 리소좀(lysosome)으로 이동하는 새로운 세포 내 단백질 이동 경로를 규명...
    Date2024.02.22 By생명과학과 Views19
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