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'시냅토태그민'에 해당되는 글 2

  1. 2012.03.21 치매 발병원인 밝힐 핵심 열쇠
  2. 2010.12.08 부작용 없는 보톡스 대체 물질 개발(1)

뇌신경세포는 기억, 인지, 운동조절 등의 기능을 수행합니다.

이런 뇌신경세포가 기능을 수행하기 위해서는 다른 신경세포와의 교감이 필요한데, 이 때 사용하는 방법이 '신경전달물질'이라는 화학물질을 분비하는 것입니다.
 
이 화학물질 분비는 세포막 융합이라는 독특한 방법으로 이루어지는데, 이 현상이 어떠한 과정으로 조절되는지 지금까지 명확히 밝혀지지 않은 상태입니다.

■ 포스택 이남기 교수와 KIST 신연균 겸임연구원(아이오와주립대 교수) 공동 연구팀이 융합과학을 이용해 뇌신경세포에서 신호를 전달하는 과정을 단계별로 정확히 측정해 치매 등 질환에 뇌신경세포가 손상되는 원인을 규명하는 새로운 가능성을 열었습니다.

연구팀은 단일분자관측 방법으로 기존에 알려지지 않은 신경세포의 신경물질전달 과정을 단계별로 명확히 규명했습니다.

연구팀은 화학물질분비 과정에서 생체막 단백질(시냅토태그민)이 세포막의 특정 지질(PIP2) 및 세포막 융합 단백질(SNARE)과 단계적으로 결합하면서 세포막 융합을 조절한다는 사실을 밝혀냈습니다.

단일분자측정방법을 이용한 세포막 융합 과정을 관측하는 것이 가능하다. (a) 단분자 측정 현미경의 간략도. (b~e) 단분자 현미경을 통한 여러 세포막융합단계의 측정

 


특히 이번 연구는 물리학에서 활용하는 단일분자 방법과 신경분자생물학에서 사용하는 세포막 융합 방법을 이용해 도출한 연구성과입니다.

이번 연구는 뇌세포의 신경전달과정을 명확히 규명한 성과로, 향후 이 방법을 통해 뇌신경세포가 손상되는 치매 등 뇌질환의 정확한 발병원인을 규명할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

연구결과는 분자생물학 분야의 권위 있는 학술지인 '유럽과학지(EMPO Journal)'에 온라인 속보(3월 10일)로 게재되었습니다.
(논문명: Solution single-vesicle assay reveals PIP2-mediated sequential actions of synaptotagmin-1 on SNAREs)

뇌신경 세포에서 중요한 역할을 하는 시냅토태그민 (노란색)이 세포막 융합 단백질과 특정 지질간의 연속적인 상호작용을 통해서 세포막 융합에 관여하는 과정을 모식도로 보여준다

(왼쪽부터) 이남기 포스텍 교수, 김재열 박사과정, 최봉규 박사과정



 용  어  설  명

시냅토태그민(Synaptotagmin-1) :
인체 신경세포 내에서 신경물질을 포함하는 신경소낭에 존재하는 막 단백질로서, 칼슘이온과 결합하고 막 융합 단백질과 상호작용하여 빠른 신경전달을 유도하는 것으로 그 기능이 알려져 있다.

단일분자 관측방법(single molecule technique) :
실험 시료를 매우 작은 분자 하나의 움직임 수준까지 관측할 수 있는 방법으로, 단일 분자에 형광표지를 하고 형광의 움직임 및 변화를 관찰한다. 최근 학제간 융합과학, 특히 생물과 물리학의 융합 과학 분야에서 급속도로 발전하는 최첨단 방법이다.

엠보 저널(EMBO journal)지 :
유럽분자생물학기구에서 발행하는 학술지로서, 분자생물학 분야에서 세계적으로 영향력 있는 학술지(피인용지수 10.124) 중 하나이다.

<연 구 개 요>

사람의 뇌와 같은 신경기관은 뉴런이라 불리는 수많은 단위체들의 연결로 이루어져 있다.
이러한 단위체 간의 정보교환에는 아세틸콜린, 세로토닌, 도파민과 같은 신경전달물질들이 관여하고 있으며, 이러한 신경전달물질은 세포막 융합이라는 독특한 방법을 이용하여 세포 밖으로 방출하게 된다.
학계에서는 이러한 세포막 융합은 수많은 막 단백질간의 상호작용으로 이루질 것으로 제시하는 연구 결과가 보고되고 있다. 하지만 구체적으로 어떠한 방법으로 세포막 융합이 일어나는지 밝혀내지 못하였다.
특히 신경전달물질을 함유하는 신경소낭의 생체막에 존재하는 시냅토태그민 단백질은 신경전달에서 매우 중요한 신호물질로 알려진 칼슘이온과 강하게 결합하는 특성을 가지고 있어서, 시냅토태그민의 정확한 역할에 대해 많은 과학자들의 활발한 연구대상이었으나, 그 기능이 명확히 밝혀지지 않은 실정에 있었다.
 
최근 분자 하나의 움직임을 정밀하게 관찰할 수 있는 단일분자 수준의 측정방법이 확립 되면서, 생물학과 물리학 간의 융합과학의 급격한 발전이 이뤄지고 있다.
이러한 발전은 세포 밖 시험관 내에서 인공적인 신경세포 환경을 최대한 뇌세포와 동일하게 만들어 줌으로써 좀 더 정밀한 신경전달을 연구할 수 있게 하였다.

포스텍 이남기 교수와 아이오와주립대 및 KIST 신연균 교수 연구팀은 수용액상에서 확산하고 있는 소낭간의 융합을 단일분자 측정법에 적용 하는데 처음으로 성공하였다.
이는 실제 뉴런세포 내에서 수용액 상태로 확산하는 환경을 조성하여 줌으로써, 좀 더 실제 세포에 가까운 조건에서의 실험을 가능하게 하였으며, 여러 반응들을 분류하고 정량분석 할 수 있게 한데, 큰 의의가 있다.
 
이 연구 방법을 통해 본 연구팀은 시냅토태그민이 세포막 융합 전에도 세포막 융합 단백질과 결합한다는 사실을 밝혀냈다.
그 이후 세포막 융합 단백질간의 결합이 이루어지고 칼슘의 유입에 의해 세포막 융합이 빠르게 촉진됨을 연속적으로 관찰하였다.
또 특정지질과 세포막 융합 단백질간의 적절한 비율이 시냅토태그민의 기능에 매우 중요하게 작용함을 처음으로 밝혀냈고, 나아가 정량적인 반응속도 분석을 통해 시냅토태그민이 세포막 간의 세포막 결합속도를 약 1000배 이상 빠르게 향상시킴을 밝혀내는 개가를 이루었다.


<이남기 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 포스텍 시스템생명공학부/물리학과 조교수
 
2. 학력
  ○ 1998 :  서울대학교 화학과 학사
  ○ 2000 :  서울대학교 화학과 석사
  ○ 2005 :  서울대학교 박사

3. 경력사항
○ 2006년 ~ 2008년 :  Harvard 대 Postdoctoral Fellow
○ 2009년 ~ 현재: 포스텍 시스템생명공학부/물리학과 조교수
 
4. 주요연구업적
1. J.Y. Kim, B. K. Choi, M. G. Choi, S. A. Kim, Y. Lai, Y. K. Shin, N. K. Lee, "Solution single-vesicle assay reveals PIP2-mediated sequential actions of synaptotagmin-1 on SNAREs", EMBO J. In press (2012).
2. C. H. Kim, J. Y. Kim, B. I. Lee, N. K. Lee, "Direct characterization of protein oligomers and their quaternary structures by single-molecule FRET", Chem. Comm. 48, 1138-1140 (2012).
3. N. K. Lee, H. R. Koh, K. Y. Han, and S. K. Kim, "Folding of 8-17 deoxyribozyme studied by three-color alternating-laser excitation of single-molecules", J. Am. Chem. Soc. 129, 15526 (2007).
4. N. K. Lee, A. N. Kapanidis, H. R. Koh, Y. Korlann, S. O. Ho, N. Gassman, S. K. Kim, and S. Weiss, "Three-Color Alternating-Laser Excitation of Single Molecules: Monitoring Multiple Interactions and Distances", Biophys. J. 92, 303 (2007).
5. A. N. Kapanidis*, N. K. Lee*, E. Margeat, T. Laurence, S. Doose, and S. Weiss, "Fluorescence-Aided Molecule Sorting: analysis of structure and interactions by alternating-laser excitation of single molecules", Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 8936 (2004).

<신연균 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : KIST 겸임연구원, 아이오와주립대 교수
 
2. 학력
  ○ 1982 :  서울대학교 화학과 학사
  ○ 1990 :  Cornell 대학교 박사

3. 경력사항
○ 1990년 ~ 1993년 :  UCLA의대 Postdoctoral Fellow
○ 1993년 ~ 2000년 :  University of California at Berkeley 조교수 (화학)
○ 2000년 ~ 2004년 :  Iowa State University 부교수
○ 2004년 ~ 현재: Iowa State University, 생명과, 물리학과 교수
○ 2008년 ~ 2011 :  포항공대 융합생명공학부 (WCU) 교수
○ 2011년 ~현재 : KIST 겸임연구원
 
4. 주요연구업적
1. Dynamic Ca2+-dependent stimulation of vesicle fusion by membrane-anchored synaptotagmin 1. Lee HK, Yang Y, Su Z, Hyeon C, Lee TS, Lee HW, Kweon DH, Shin YK, Yoon TY. Science. 2010 May 7;328(5979):760-3.
2. A scissors mechanism for stimulation of SNARE-mediated lipid mixing by cholesterol. Tong J, Borbat PP, Freed JH, Shin YK. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 Mar 31;106(13):5141-6. Epub 2009 Feb 27.
3.Supramolecular SNARE assembly precedes hemifusion in SNARE-mediated membrane fusion. Lu X, Zhang Y, Shin YK. Nat Struct Mol Biol. 2008 Jul;15(7):700-6. Epub 2008 Jun 15.
4. Complexin and Ca2+ stimulate SNARE-mediated membrane fusion. Yoon TY, Lu X, Diao J, Lee SM, Ha T, Shin YK. Nat Struct Mol Biol. 2008 Jul;15(7):707-13. Epub 2008 Jun 15.
5. A single-vesicle content mixing assay for SNARE-mediated membrane fusion. Diao J, Su Z, Ishitsuka Y, Lu B, Lee KS, Lai Y, Shin YK, Ha T. Nat Commun. 2010 Aug;1(5):1-6.


posted by 글쓴이 과학이야기

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보톡스는 클로스트리디움 보툴리눔이라는 미생물이 만드는 신경독으로, 현재까지 알려진 가장 강력한 독 가운데 하나입니다.

보톡스는 미국의 앨러갠이라는 회사가 이 독을 약으로 활용하는 기술을 개발해 상품화하면서 널리 알려졌습니다.

보톡스는 주름 제거 효과가 뛰어나 미용 제품으로 사용되면서 동시에 사시와 눈 주변 근육 경련, 목 근육 장애 등의 치료제로 FDA의 승인을 받았습니다.

또 최근에는 편두통 치료에도 효과적인 것으로 확인되고 있습니다.

이 외에도 보톡스는 사각턱, 요실금, 탈모, 통증 등 다양한 질병을 치료하는데 사용되고 있으며, 현재 보톡스 시장은 16억 달러에 달할 것으로 추정되고 있습니다.

그러나 보톡스는 잘못 사용하면 생명을 위협할 만큼 매우 위험한 물질입니다.

또, 각종 질병을 효과적으로 치료할 수 있지만, 크기가 상당히 커서 정신질환 치료제로는 적합하지 못합니다. 



보톡스는 뉴런 말단의 단백질 복합체(스네어, SNARE)만을 절단하는 단백질 분해효소로, 뉴런의 스네어가 절단되면 신경전달물질을 담고 있는 주머니가 세포막과 막융합(membrane fusion)을 이루지 못합니다.

스네어는 원래 막융합을 이루는데 필수적인 힘을 제공하는 것으로 알려져 있는데, 이 단백질이 절단되면 그 힘을 만들어내지 못하는 것입니다.

즉, 스네어가 절단되면 신경 전달물질이 밖으로 방출되지 못하고, 결과적으로 신경의 지배를 받는 근육도 수축되지 못하게 됩니다.

이처럼 근육이 이완된 상태에서 마비되는 것이 바로 보톡스의 주름 제거 원리입니다.
 

이런 가운데 성균관대 권대혁 교수가 주도하고 KAIST 윤태영 교수와 미국 아이오와주립대 신연균 교수가 참여한 연구팀은 효과는 보톡스와 같지만, 매우 작으면서도(보톡스의 0.001 크기) 먹거나 만져도 인체에 전혀 해롭지 않은 안전한 보톡스 유사물질을 개발했습니다. 

권대혁 교수

신연균 교수

윤태영 교수




 권 교수팀은 스네어가 막융합을 이루는 과정을 연구하면서, 몇 가지 저분자 화합물이 스네어의 형성을 저해한다는 사실을 발견했습니다.

보톡스가 스네어를 절단하여 신경전달을 중지시키는 것과 달리, 연구팀은 일부 저분자 화합물이 스네어 내부로 들어가 그 기능을 저해한다는 새로운 사실을 규명한 것입니다.

a) 저분자 화합물을 막융합 시스템에 처리하면, 시간이 지남에 따라 미리세틴, 델피니딘, 시아니딘을 처리한 군에서 막융합이 억제됨을 확인할 수 있다. b) 이러한 저분자 화합물은 스네어 복합체(SNARE complex) 형성을 저해하며, c) 스네어 복합체 형성 억제 효능과 막융합 억제 사이에 상관관계가 있음을 확인할 수 있다


이번 연구결과로 보톡스 화장품과 보톡스를 이용한 정신질환 치료제를 개발할 수 있는 가능성이 열였습니다. 

c) 스네어 지퍼링은 아미노 말단(N-terminal)에서부터 일어나, e) 막융합을 촉진하며 세포 내 칼슘농도가 증가하면 융합 공(fusion pore)이 열리고 신경전달물질이 방출된다. b) 저분자 화합물은 스네어 단백질에 결합할 수 있는 능력을 가지고 있는데, 특히 델피니딘, 시아니딘은 스네어 지퍼링을 형성과정에서부터 억제하고, d) 미리세틴은 지퍼링을 중간에서 정지시킨다. 이들 저분자 화합물은 신경전달물질 방출을 억제한다(빨간 점선).

 
연구팀이 개발한 저분자 화합물은 복용하거나 만져도 안전한 식물(녹차 등)의 폴리페놀 성분에서 찾아낸 것입니다.

또 보톡스의 1/1000 크기로 기존의 보톡스를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 정신질환 치료제로도 활용될 수 있게 된것입니다.

권 교수는 이번 연구의 결과물을 통해  주름제거용 화장품이나 다한증 치료제 등을 향후 2~3년 내에 개발할 수 있을 것으로 내다보고 있습니다.

 

성균관대 유전공학과 권대혁 교수가 막융합 현상이 제어되는 과정을 형광스펙트럼을 통하여 확인하고 있다.



 용어설명

1. 미리세틴, 델피니딘, 시아니딘(저분자 화합물)
   
식물에 다량 존재하는 폴리페놀 성분들로서, 분자량이 약 300Da에 이르는 아주 작은 저분자 화합물이다.
이들은 일반적으로 항산화 효과를 가지고 있는 것으로 알려져 있으나, 이번 연구에서는 이들이 단백질의 소수성 부위에 결합하는 성질을 이용, 스네어 단백질 복합체의 형성을 조절하는 기술을 개발했다.


2. 스네어 (SNARE)

스네어 단백질은 모든 고등생물체의 세포내에 존재하는 단백질 패밀리로서, 이들의 역할은 세포 내의 막융합을 매개하는 것으로 알려져 있다.
뉴런에서 신경전달물질의 방출은 신탁신1(syntaxin 1), 스냅25(SNAP25), 뱀프2(VAMP2)라고 하는 3종류의 단백질이 담당한다고 알려져 있다.
스네어 복합체라고 하는 알파 헬릭스 다발을 만들면서 신경 전달물질을 담고 있는 막주머니(synaptic vesicle)와 시냅스 말단의 세포막과 융합을 유도한다.


3. 막융합 (membrane fusion)
   
신경전달물질은 시냅스의 말단에 존재하는 주머니처럼 생긴 막(synaptic vesicle) 안에 포집되어 있는데, 신경전달물질이 방출되어 다음 뉴런에 자극을 주어야만 신경이 전달될 수 있다.
신경전달물질이 시냅스 말단에서 방출되기 위해서는 막주머니와 세포막의 융합되면서 생겨나는 구멍(fusion pore)이 생성되어야 하는데, 이러한 과정에서 스네어 단백질이 막융합의 힘을 제공하고 시냅토태그민(synaptotagmin)과 같은 단백질들이 그 시기와 정도를 조절하는 것으로 알려져 있다.
막융합 현상은 신경세포에서만 일어나는 것이 아니라 막과 막 사이의 물질 전달에는 항상 이용되는 생명체의 공통적인 현상이다. 서로 다른 종류의 막융합에는 서로 다른 종류의 스네어 단백질들이 관여하는 것으로 알려져 있다.
 한편, 바이러스가 숙주세포를 침투할 때에도 막융합 현상이 일어나며, 세포와 세포가 막융합을 할 때에도 막융합 현상이 필요한 것으로 알려져 있는데, 이러한 막융합에는 스네어가 아닌 다른 종류의 단백질들이 관여하는 것으로 알려지고 있다.


posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 오우 멋진일^^

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