KAIST 생명과학과동창회
  • News & Events
  • 생명과학의 역사를 쓰는 사람들 Research Highlights

생명과학의 역사를 쓰는 사람들 Research Highlights

Extra Form
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. 김재호 박사 (생체방어 연구실, 이흥규 교수님)

    질문 고 포도당 음료 보충을 통해 뇌종양의 성장이 억제되는가? 억제 되면 기전은 무엇인가? 발견 • 교모세포종 실험 쥐 모델에서 고 포도당 음료 보충을 통해 뇌종양의 성장이 억제되는 현상을 관측했고 이에 더해 이러한 억제 효과가 장내 미생물의 특...
    Date2024.02.22 By생명과학과 Views29
    Read More
  2. 손승규 (광유전학 및 RNA 치료 연구실, 허원도 교수님)

    질문 시냅스의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있을까? 발견 살아있는 세포와 생쥐의 뇌에서 시냅스의 변화를 실시간으로 이미징 할 수 있는 SynapShot이라고 명명한 기술 기술을 개발하였습니다. 기존에 다른 시냅스 관찰 기술들이 있었지만 한번 시냅스에서 ...
    Date2024.02.22 By생명과학과 Views24
    Read More
  3. 김찬희, 권용민 (식물학 연구실, 최길주 교수님)

    질문 식물 광수용체인 파이토크롬은 포토바디라고 불리는 액체-액체 상 분리 응집체를 형성한다. 파이토크롬 포토바디는 어떤 단백질들로 구성되어 있을까? 발견 식물 광수용체인 파이토크롬은 포토바디라는 빛에 조절되는 액체-액체 상 분리 응집체를 형성한...
    Date2024.02.22 By생명과학과 Views30
    Read More
  4. 김수현 (동물세포공학 연구실, 이균민 교수님)

    질문: CHO 세포의 모든 유전자를 확인하여 항체의약품 생산성 향상을 위한 유전자를 찾을 수 있을까? 발견: 1. ATF7IP 및 SETDB1 유전자 발견 (후성유전 조절 관련) 2. Knock-out validation 결과 → 이중항체 생산성 2.7-fold 향상 → 단일항체 생산...
    Date2024.02.22 By생명과학과 Views39
    Read More
  5. 이한솔 박사 (치료 단백질 디자인 & 구조생물학 실험실, 오병하 교수님)

    질문 여러 종류의 단백질 센서를 만들 수 있는 플랫폼을 개발할 수 있을까 발견 개발된 단백질 시스템은 마치 레고 블록처럼 사용돼 여러 다양한 단백질 센서를 용이하게 제작하는데 쓸 수 있는 플랫폼을 제공한다. 이번 연구에서는 B형 간염 바이러스 단백질...
    Date2024.02.22 By생명과학과 Views21
    Read More
  6. 임소연 (신경발달 및 재생 연구실, 김진우 교수님)

    질문 신경 조직의 유한한 세포 수는 전구세포의 분열한계 때문일까? 발견 피부나 간 등과 달리 대부분 신경조직을 구성하는 세포는 발달 과정에서만 생성되고 성체에서는 만들어지지 않음. 이는 신경조직 내 줄기세포가 분열한계에 이르러 더 이상 신규세포를...
    Date2024.02.22 By생명과학과 Views16
    Read More
  7. No Image

    민광욱 박사 (신경발달 및 재생 연구실. 김진우 교수님)

    질문 눈에서 나온 시신경 다발이 양쪽 뇌로 연결되는 이유는 무엇일까? 발견 인간을 비롯한 대부분 동물은 두개의 눈을 가지고 인식한 외부 물체의 시각 신호를 뇌로 신호를 보내고, 뇌에서는 이 신호를 통합해 물체의 모양, 거리, 이동 방향을 파악함. 이때 ...
    Date2024.02.22 By생명과학과 Views13
    Read More
  8. 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
    Read More
  9. 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
    Read More
  10. 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
    Read More
  11. 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
    Read More
  12. 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
    Read More
  13. 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 ...
    Date2021.08.17 By생명과학과 Views2387
    Read More
  14. 김진은 (신경내부인지 연구실, 서성배 교수님)

    Date2021.01.07 By생명과학과 Views1978
    Read More
  15. 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...
    Date2021.01.06 By생명과학과 Views1573
    Read More
  16. 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 ...
    Date2020.12.29 By생명과학과 Views1348
    Read More
  17. 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...
    Date2020.05.29 By생명과학과 Views2498
    Read More
  18. 박하람 (시냅스뇌질환 연구실, 김은준 교수님)

    1. 배경지식 시냅스는 다양한 단백질의 집합체입니다. 시냅스의 정상발달을 위해서는 단백질들이 적재적소에 발현하여 단백질간의 적절한 상호작용이 있어야합니다. 시냅스 형성 초기에 이와 같은 중요한 역할을 하는 단백질에는 시냅스 접착 단백질이 존재합...
    Date2020.04.30 By생명과학과 Views3328
    Read More
  19. 송유향, 황양선 (감각처리연구실, 이승희 교수님)

     <소마토스타틴 (SST)의 작용 메커니즘을 나타낸 모식도 (좌)와 소마토스타틴 처리에 의한 시각 인지 능력 향상 효과(우)> 1. 배경지식 소마토스타틴은 시상 하부에서 뇌하수체 성장 호르몬의 분비를 억제하는 신경펩타이드로 처음 알려졌습니다. 이후 소마...
    Date2020.04.30 By생명과학과 Views2115
    Read More
  20. 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 ...
    Date2020.03.18 By생명과학과 Views2496
    Read More
Board Pagination Prev 1 2 3 4 5 6 Next
/ 6