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생명과학의 역사를 쓰는 사람들 Research Highlights

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인터뷰 김지훈
논문 Jihoon Kim*, Sangkyu Lee*, Kanghoon Jung*, Won Chan Oh, Nury Kim, Seungkyu Son, YoungJu Jo, Hyung-Bae Kwon & Won Do Heo (2019) Intensiometric biosensors visualize the activity of multiple small GTPases in vivo. Nature Communications, 10: 211 (*contributed equally). (https://doi.org/10.1038/s41467-018-08217-3)
한줄요약 신호전달계 중추적 역할을 담당하는 small GTPase 단백질의 활성을 생체 내에서 실시간으로 분석하기 위한 형광바이오센서 개발
그림1.png

<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 activity during sequential treatment of EGF (50 ng ml-1) and EGFR inhibitor, gefitinib (400 nM). (c) Simultaneous imaging of HRas and Rac1 activities in MDA-MB-231 cell co-expressing R-HRas, G-Rac1, and Lyn-miRFP. Fluorescence ratio images showing Ras and Rac1 activity during cell migration. (d) Schematic of Ras activation by blue light-mediated optoFGFR1 activation. (e) Visualization of local activation of HRas by OptoFGFR1. Light stimulation was applied to the peripheral region (indicated by red circle) of an MDA-MB-231 cell co-expressing R-HRas and optoFGFR1. Images showing local increase of Ras activity and membrane protrusion. All scale bars, 20 mm. (f) Schematics of virus injection and two-photon microscopy in mice running on a spherical treadmill. (g) Time-lapse in vivo two-photon imaging of G-HRas activity in the awake state. Arrow indicates example Ras signal punctum that shows fluorescence intensity increases. Scale bar, 2 μm. Images or quantified data are representatives of multiple experiments (N > 3).



1. 배경지식

   형광 단백질의 발견 개발은 세포 단백질 활동의 동적 변화를 추적하는 기술에 크게 기여해 왔습니다. 특히, 세포 항상성이 유지되어 있는 상태에서 단일 단백질의 기능을 관찰 있어 의미를 가지며, 질병연구에서 비정상적인 신호전달과정을 추적 있어 중요합니다. Ras Rho small GTPase 세포 분열, 이동 다양한 세포 과정에 기여합니다. 이러한 단백질의 시공간적 활동을 시각화 하기위한 광범위한 노력에도 불구하고, 생체 적용에 필요한 감도와 동적 범위를 보유하는 바이오센서의 개발은 제한적이었습니다. 따라서 생체 단일 세포에서 여러 small GTPases 활동을 시각화하고 고감도 성능을 보유한 intensiometric small GTPase 바이오 센서를 개발 하고자 도전하였습니다. 적색으로 개량된 바이오 센서는 청색광유전학 제어기술과 간섭없이 동시에 사용이 가능하다는 장점이 있으며 고도의 시공간적 단백질 활동을 조작하고 동시에 모니터링 할수 있습니다. 또한, 고감도 성능을 통해 Cdc42, Rac1 그리고 Ras small GTPase 단백질의 기능을 단일 수지상 돌기의 구조적 가소성 현상과 관련하여 해석 있었습니다. 이와 더불어 자유롭게 행동하는 생쥐의 뇌에서 다양한 세포 Ras 단백질의 활성을 최초로 관찰 하였습니다. 개발한 바이오센서는 생명체의 복잡한 신호 네트워크 상의 단일 단백질 기능을 시공간적으로 구획화 있었으며, 다양한 생명현상과 small GTPase 단백질 기능을 관련짓는 연구에 기여 것이라 기대 합니다.


2. 질문

   1) 개발한 센서가 동일한 small GTPase 단백질에 대해 기존 생화학적적 분석법과 비교하여 정량, 정성적 차이를 갖는지

       정확성 특이성 검증.

   2) 단일세포에서 동시에 여러 종류의 small GTPase 단백질을 서로 다른 파장으로(green or red) 관찰 가능한가.

   3) 적색계열 바이오센서 개발을 통해 청색광유전학(488nm) 기술과 접목될 유용성 확인.

   4) 살아있는 동물모델의 두꺼운 조직막을 통해 타겟 단백질의 활성을 관찰 있는 고감도 버전 개량.


3. 발견

   small GTPase 또는 다양한 세포내 단백질 활성 관찰을 위한 기존 바이오센서는 가지 형광 단백질을 사용하는FRET(Foster Resonance Energy Transfer) 이라는 기술에 대부분 국한되었습니다. 연구에서는 기존 기술과 달리 단일 형광을 이용한 개발로 다양한 장점을 확인 있었습니다. 특히 청색광유전학(optogenetics) 같이 특정 파장 (488nm) 활용하는 기술과 함께 용이하게 사용 있어 세포 이동과 같이 시공간적 구획화가 필요한 연구에 새로운 접근법을 제시 있었습니다. 개발과정에서 알게 pico수준의 예민한 감도 또한 두꺼운 조직막을 같는 동물모델 연구에 있어 유용함을 확인 있었습니다. 이외에도 녹색, 적색으로 센서를 개량 함으로써 단일세포에서 다수의 small GTPase 단백질 활성을 직접 비교분석 있었습니다. 특히 세포 마다 가지는 다양한 양상으로 야기 되는 실험적 오차를 극복 있고, 보다 세밀한 타이밍에서 단백질간의 상호작용을 비교 있어 신뢰성 높은 결과를 유도 있다고 기대 합니다. 또한, 고감도 성능을 통해 Cdc42, Rac1 그리고 Ras small GTPase 단백질의 기능을 단일 수지상 돌기의 구조적 가소성 현상과 관련하여 해석 있었습니다. 이와 더불어 자유롭게 행동하는 생쥐의 뇌에서 마이크로 크기의 공간에서 일어나는 Ras 단백질의 활성을 최초로 관찰 있었습니다. 종합하여, 개발한 바이오센서는 생명체의 복잡한 신호 네트워크 상의 단일 단백질 기능을 시공간적으로 구획화 있었으며, 다양한 생명현상과 small GTPase 단백질 기능을 관련 짓는 연구에 기여 것이라 기대 합니다.


4. 후속

   고감도 동물모 적용 가능성을 토대로 암세포전이연구, 신경세포발달 뇌신경회로 연구에 적용 기대. 기타 small GTPase 단백질 기능 질환 관련 연구그룹의 높은 활용 기대.


5. 소감

   새로운 기술은 기존 기술과의 엄밀한 비교를 요구합니다. 매번 기존 기술들과 비교 실험을 병행 해야 했던 점이 수고스러웠습니다. 기술이 가지는 장점을 보다 직관적으로 증명하기 위해 다양한 어플리케이션 실험을 시도하고 실패하며 힘들기도 했지만, 기존 기술보다 월등한 성능들을 순간 확인 있어 새로운 기술 개발에 한걸음씩 다가서는 희망을 가질 있었습니다. 또한, 소속 연구실에서 처음 시도 분야의 기술임에도 다양한 난관을 극복하고 도전했다는 점에서 새로운 연구주제에 대한 자신감을 얻는 계기가 되었습니다.

앞으로 많은 연구자들이 널리 이용 있는 생명과학분야의 유용한 분석기술이 되기를 희망합니다.


6. 기타

   물심양면 응원해주신 허원도 지도 교수님, 지칠 기쁠 함께 랩원 모두에게 감사 드립니다. 그리고 훌륭하게 연구를 마무리 있도록 Too Much John소리 해주신 이상규 박사님께 감사드립니다


  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...
    Date2019.04.03 By생명과학과 Views3256
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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...
    Date2019.04.19 By생명과학과 Views3947
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  3. 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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  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...
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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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    Date2019.12.26 By생명과학과 Views2430
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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...
    Date2020.02.03 By생명과학과 Views2728
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  8. 김경덕 (시냅스 뇌질환 연구실, 김은준 교수님)

     <전시냅스 단백질PTPσ에 의한 NMDA 수용체 안정성 조절 > 1. 배경지식 시냅스는 3,000 개 이상 종류의 단백질이 적절한 위치에 적절한 양 만큼 위치해야 제대로 기능할 수 있는 대단히 복잡한 구조체입니다. 시냅스가 형성되기 위해서는 두 뉴런의 신경 ...
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  9. 송유향, 황양선 (감각처리연구실, 이승희 교수님)

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  10. 박하람 (시냅스뇌질환 연구실, 김은준 교수님)

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  11. 신왕용 (시냅스뇌질환 연구실, 김은준 교수님)

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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)

    Date2021.01.07 By생명과학과 Views1978
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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 ...
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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...
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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...
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    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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    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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