블로그 이미지
과학이야기
최신 과학기술 동향

calendar

    1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26
27 28 29 30      

Notice

Recent Comment

Archive

'윤태영 교수'에 해당되는 글 2

  1. 2015.03.27 평생 계속되는 신경세포 생성의 비밀
  2. 2010.12.08 부작용 없는 보톡스 대체 물질 개발(1)
2015. 3. 27. 04:00 대덕밸리과학소식/KAIST

보톡스, 피부를 탱탱하게 만드는 물질로 잘 알려졌지요.

그럼 왜 그럴까요?

보톡스가 몸 속으로 들어가면 에너지를 전달하는 단백질인 '스네어(SNARE)'를 절단해버립니다.

그러면 소포가 세포막과 융합하지 못하면서 신경전달물질의 방출을 막고요. 이는 근육의 수축을 방해하는 결과를 가져와 피부에 주름이 생기지 않도록 작용하는 것입니다. 

2013년 노벨상의 주인공 '스네어(SNARE)'

'스네어(SNARE)' 단백질은 생체막 융합 현상에 가장 기본적인 작동 기계로, 제임스 로스먼(James Rothman), 랜디 셰크먼(Randy Shekman) 등이 1980년 대에 발견했습니다.

스네어 단백질은 신경전달물질이나 호르몬 등의 주요 물질이 자루 모양의 지질막인 소포(vesicles)에 담아 마치 택배처럼 전달하는 역할을 하는데요.  소포의 막을 열어 세포막과 융합하고 물질을 분출하는 방식으로 에너지를 전달하는 것입니다.

그리고 여기에 'NSF 단백질'이 작용해 스네어 단백질을 재활용할 수 있도록 만듭니다.

우리 몸 안에서는 이런  작용이 쉴새 없이 일어나기 때문에 단백질 등의 물질이 공급되면서 정상적인 기능을 할 수 있는 것입니다.

제임스 로스먼, 랜디 셰크먼, 토마스 쥐트호프 등은 이 같은 사실을 발견한 공로로 2013년 노벨 생리의학상을 수상했습니다.

하지만, 스네어 단백질과 NSF는 발견된지 30여 년이 지났음에도 NSF 단백질이 스네어 결합체를 어떤 방식으로 분해하고 재활용하는지에 대해서는 명확히 밝혀지지 않은 상태입니다.  


※ 하버드 대학에서 만든 세포내부의 모습을 재현한 영상 'The inner life of the cell' 중 세포 내부 골격 구조, ATP 결합, 걸어가는 키네신 이동 등을 표현한 부분입니다.  풀 영상은 여기로!

세계의 가설 뒤집은 KAIST 윤태영 교수

KAIST 물리학과 윤태영 교수 연구팀은 NSF 단백질이 스네어 결합체를 분해해 세포수송을 지속시키는 원리를 세계 최초로 규명했습니다.

신경전달물질의 분비가 끝난 후 NSF가 SNARE 단백질 복합체를 한 번에 분해하는 모습. 분해된 SNARE들은 다시 신경전달물질 분비를 일으키는데 이용됨신경전달물질의 분비가 끝난 후 NSF가 SNARE 단백질 복합체를 한 번에 분해하는 모습. 분해된 SNARE들은 다시 신경전달물질 분비를 일으키는데 이용됨

지금까지 과학자들은 NSF가 스네어 결합체를 분해할 때 끈을 조금씩 푸는 것처럼 점진적인 과정으로 진행되고, 따라서 하나의 스네어 결합체를 분해하는 데 연료 역할을 하는 유기화합물인 ATP가 수십 개가 필요할 것이라는 가설을 제기했었습니다.

ATP는 생체 단백질들의 연료원이 되는 물질로, 구성된 인산이 떨어지면서 ATP가 ADP로 변하면서 화학 에너지가 발생시키는데요. 세포의 여러 단백질들은 이를 에너지원으로 삼아 맡은 기능을 수행하게 됩니다.

하지만 윤태영 교수는 단분자 형광 기법과 자기집게 기술(magnetic tweezers)을 사용해 위 가설을 반박했는데요.

윤태영 교수는 단백질에 형광 염료를 달아 분자에서 나오는 신호를 파악하고 움직임을 관찰한 결과, ATP를 주입하면 NSF가 마치 매듭의 양 끝을 잡고 당기면 한 번에 풀리듯 스프링처럼 에너지를 저장했다가 스네어 결합체 전체를 단번에 폭발적으로 풀어내는 것을 확인했습니다.

 

다양한 단분자 생물물리 기법을 이용한 NSF/α-SNAP 에 의한 SNARE 복합체 분해 연구. NSF가 SNARE 복합체를 풀어내는 모델. 다양한 단분자 생물물리 기법을 이용한 NSF/α-SNAP 에 의한 SNARE 복합체 분해 연구. NSF가 SNARE 복합체를 풀어내는 모델.

 

이 같은 연구 성과는 스네어 단백질이 신경세포 간 통신과 인슐린 분비 등에 중추적 역할을 하고 있어 알츠하이머와 같은 퇴행성 뇌질환, 당뇨병과 같은 대사질환 관련 연구는 물론 보톡스 등 피부미용 연구에도 큰 역할을 할 것으로 기대되고 있습니다.

특히, 이번에 규명된 NSF는 근육의 이동이나 단백질 분해, DNA의 복제 및 이동 등 신체에서 중요한 역할을 하는 AAA+ 단백질 그룹에 속해 있는 것으로 확인됐는데요.

이에 따라  NSF와 비슷한 구조의 AAA+ 단백질 그룹이 함께 동작할 것으로 예상되면서 향후 생물 현상 이해의 주춧돌이 될 것으로 전망됩니다.

또 이번 연구 성과는 생물물리 분야에서 우리나라가 최고수준의 기초과학 연구력을 보유하고 있음을 증명한 것으로, 여러 대사질환을 분자수준에서 이해할 수 있는 토대가 될 것으로 기대받고 있습니다.

한편, 이번 연구는 윤태영 교수 연구팀의 류제경 박사, 민두영 박사, 나상현 학생 등이 주도했고, 고등과학원의 현창봉 교수팀, 독일 막스플랑크연구소 라인하르트 얀(Reinhard Jahn) 교수팀, KAIST 의과학대학원 김호민 교수팀이 참여했습니다.

이번 연구 결과는 사이언스지 3월 27일자에 게재됐습니다.

 

  용 어 설 명

세포 수송
세포 안에서 특정 물질이 세포 소기관 사이에 이동하기 위해서 그 물질들이 함유된 소포체가 전달되고, 타겟이 되는 소기관에 소포체의 생체막이 타겟 생체막과 융합이 되어 그 물질들이 전달되게 된다. 이 현상을 생체막 수송이라고 한다.

단분자 생물 물리 기법
단분자 생물물리 기법은 크게 단분자 형광 기법과 단분자 힘 분광계 기법으로 나눠 볼 수 있다. 단백질의 기능을 단분자 수준에서 관찰하기 위해 단백질에 형광 염료를 달아놓고, 형광 한 분자에서 나오는 신호를 읽어 들임으로 단백질의 움직임을 관찰하는 기법이다. 단분자 힘 분광계는 단백질에 DNA 핸들을 부착하고, 이 DNA 핸들에 큰 Bead를 부착하여 이 Bead 를 빛, 자기장 등으로 조절하여 단백질에 힘을 가해주거나 움직임을 주게 만드는 기법이다. 이 기법을 사용하면 단분자 수준에의 실시간 구조 변화를 예측할 수 있게 된다.

스네어(SNARE) 단백질 
스네어 단백질은 생체막 융합 현상에 가장 기본적인 작동 기계이다. 2013년 노벨상 수상자인 제임스 로스먼(James Rothman), 랜디 셰크먼(Randy Shekman)에 발견이 되었다. 스네어 단백질은 네 개의 스네어 모티프가 만나서 밧줄처럼 꼬여서 생체막 융합 현상을 일으킨다. 신경 전달에 관여하는 신경 스네어는 뱀프 (VAMP)와 스냅25(SNAP25), 신택신(Syntaxin) 이 있고, 이 중 뱀프(VAMP) 와 신택신(Syntaxin) 은 막단백질로 생체막에 투과된 부분이 있다.

NSF
NSF 는 AAA+ ATPase 단백질 그룹 중 하나이다. AAA+ 단백질들은 근육의 이동, 퇴행성 뇌질환을 막기 위한 단백질 분해 작용, DNA 의 복제 및 이동 등 아주 많은 기능들을 한다. 특별히 NSF 는 생체막 융합이 일어난 이후 스네어 복합체가 다시 재활용이 되도록 밧줄처럼 꼬인 스네어 복합체를 ATP 연료의 가수분해 되는 에너지로 풀어낸다. 하나의 NSF 에는 3 개의 구역인 N 말단 구역, D1 구역, D2 구역으로 되어 있고, 단일 유닛이 6개가 합쳐져서 육합체 NSF가 만들어지게 된다. D1, D2 구역에는 ATP 부착되는 곳이 있다.

ATP
ATP 는 생체 단백질들의 연료 원이 되는 것으로 인산 세 개와 리보오스, 아데닌으로 되어 있다. 하나의 인산이 떨어져서 ATP 가 ADP 가 되면 화학 에너지가 발생이 되는데 세포의 여러 가지 단백질들은 이 에너지 원으로 특정 기능을 수행해 내게 된다.

 

 윤태영 교수

1. 인적사항
 ○ 소  속 : KAIST 물리학과
 
2. 학    력
 ○ 서울대학교 공과대학 학사 1998
 ○ 서울대학교 공과대학 석사 2000
 ○ 서울대학교 공과대학 박사 2004

3. 경력사항
 ○ 2004~2005  서울대학교 반도체연구소, 박사후연구원
 ○ 2005~2006  어바나-샴페인 소재 일리노이 주립대학 하워드 휴즈       의학연구소, 박사후연구원
 ○ 2005~2006  어바나-샴페인 소재 일리노이 주립대학 물리학과,      박사후연구원
 ○ 2007~2010  KAIST 물리학과, 조교수 
 ○ 2010~2014  KAIST 물리학과, 부교수
 ○ 2011~현재  한국연구재단 미래창조과학부 창의적 연구 진흥사업,       단분자시스템생물학 연구단 단장
 ○ 2014~현재  삼성미래기술육성재단 기초과학부문 물리분야,
    연구책임자
 ○ 2014~현재  KAIST 물리학과, 영년직 부교수

4. 주요연구업적
 ○ Dynamic Ca2+-Dependent Stimulation of Vesicle Fusion by Membrane-Anchored Synaptotagmin 1: 생체막 단백질의 기능을 세포 밖에서 단분자 수준에서 관찰할 수 있는 연구방법을 개발.
 ○ Real-time single-molecule co-immunoprecipitation analyses reveal cancer-specific Ras signalling dynamics : 생체막 리셉터 단백질의 세포신호 전달을 정제하지 않고도 단분자 수준에서 관찰할 수 있는 연구방법을 개발.
 ○ Real-time single-molecule co-immunoprecipitation of weak protein-protein interactions: 위에서 개발된 방법을 많은 과학자들이 사용할 수 있도록 자세한 방법론을 설명한 논문. 기법에 사용되는 컴퓨터 프로그램을 패키지로 제작하여 동시에 배포함.
○ Mechanical unzipping and rezipping of a single SNARE complex reveals hysteresis as a force-generating mechanism: 자기집게를 이용하여 생체막 단백질에 pN 수주의 힘을 인가하여 그 역학적 특성과 반응을 측정할 수 있는 연구방법을 개발.
○ Programmed folding of DNA origami structures through single-molecule force control: 개발된 자기집게를 이용하여 DNA 나노구조를 프로그램하여 10분 안에 형성시킬 수 있는 연구방법을 개발.
○ 세포 환경 내에서의 단일 분자 수준의 단백질-단백질 상호작용 분석 방법: 개발된 단분자 연구방법을 바탕으로 개별 환자 조직에서 표적 단백질의 상호작용을 별도의 단백질 증폭이나 정제 없이도 측정하여 이를 개인맞춤형 암 진단에 사용하는 기술에 대한 특허.
○ 세포 환경 내에서의 단일 분자 수준의  단백질-단백질 상호 작용 분석 장치: 위의 특허와 연계하여 자세한 분석장치를 구현하는데 필요한 기술적 요소에 대한 특허.

류제경 박사

1. 인적사항                                               
 ○ 소  속 : 카이스트 물리학과 단분자 시스템 생물학 연구실
 
2. 학    력
 ○ KAIST 물리학과 학사 2006
 ○ KAIST 물리학과 박사 2014

3. 경력사항
 ○ 2007~2007 UIUC 방문 연구원 (Taekjip Ha Group)
 ○ 2014~현재  KAIST 물리학과 박사후 연구원

4. 주요연구업적
 ○ 생체막 융합과 관련된 NSF가 어떻게 SNARE 복합체를 풀어내는지 단분자 형광 기법을 이용하여 규명함.

posted by 글쓴이 과학이야기

댓글을 달아 주세요

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

댓글을 달아 주세요

  1. 오우 멋진일^^

prev 1 next