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전상용 교수, 몸 속 물질 이용한 염증 치료제 개발
〈 전 상 용 교수 〉
우리 대학 생명과학과 전상용 교수 연구팀(1저자 이용현 박사)이 신체 내부의 항산화물질을 이용한 새로운 항염증 나노의약품을 개발했다.
빌리루빈이라 불리는 생리활성물질 기반 100나노미터 크기의 나노입자로 이뤄진 이 약품은 만성 및 급성 난치성 염증질환 치료에 쓰일 것으로 기대된다.
이번 연구는 화학분야 저명학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie international Edition)’ 5월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
고분자, 무기 나노입자 등의 많은 나노소재들이 질병 진단 및 치료용 나노의약품으로 개발되고 있다. 그러나 대부분의 약품들은 인공소재로 이뤄져 생분해성 및 생체적합성이 낮다. 이러한 약품들이 신체에 장기간 남을 경우 잠재적인 독성을 유발할 가능성이 있어 실제 임상적용이 되는 예는 소수에 불과하다.
연구팀은 문제 해결을 위해 이미 우리 몸속에 존재하는 항산화 및 면역조절 물질인 빌리루빈을 이용했다. 빌리루빈은 헤모글로빈에 존재하는 산소결합 물질인 헴(Heme)의 최종 대사체이다.
빌리루빈은 노란색 담즙 색소로서 혈중 농도가 높아지면 황달의 원인이 돼 예전에는 쓸데없는 물질로 여겨졌다. 하지만 근래 발표된 역학조사에 따르면 빌리루빈의 혈중 농도가 다소 높으면 심혈관 질환이나 암 발병 가능성이 현저히 낮아진다는 사실이 밝혀졌다.
또한 빌리루빈은 여러 활성산소들을 제거하고 염증과 관련된 면역세포를 조절하는 등의 기능을 해 세포와 조직을 보호한다는 사실이 동물 실험을 통해 확인됐다.
그러나 물에 거의 녹지 않는 특성 때문에 빌리루빈을 실제 치료에 적용하지 못했다. 전 교수 연구팀은 빌리루빈에 초 친수성 고분자인 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 결합한 ‘페길화된 빌리루빈’을 합성해 수용액에서 자가 조립돼 약 100나노미터 직경을 갖는 빌리루빈 나노입자로 재탄생시켰다.
이 빌리루빈 나노입자는 항산화 및 항염증 효능을 그대로 유지하면서 신체에 축적되지 않고 배설돼 빌리루빈의 장점만 갖는 나노의약품이 됐다.
효능 확인을 위해 대표적 난치성 만성 염증 질병인 대장염 모델을 쥐에게 투여한 후 빌리루빈 나노입자를 투여했다. 염증이 형성된 부위에 나노입자가 선택적으로 분포됐고 대장염 진행을 효과적으로 차단했다.
또한 장 길이가 짧아지고 혈변 등의 부작용이 생기는 대조군과 다르게 정상 생쥐와 비슷한 수준으로 회복됐고, 황달 등의 부작용이 발생하지 않아 높은 수준의 항염증 효과를 확인했다.
연구팀은 빌리루빈 나노입자가 대장염 모델 외에도 허혈성 간질환, 천식, 췌장소도세포 이식 동물 모델에서 우수한 효과를 보여 향후 범용 항염증 나노의약품이 될 수 있을 것으로 기대된다고 밝혔다.
연구팀은 “빌리루빈 나노입자는 우리 몸속에 존재하는 생리활성물질과 친수성 고분자가 접합된 간단한 화학물질로 구성됐다”며 “생분해성 및 생체적합성이 높고 대량 생산이 가능해 바로 임상 적용이 가능하다”고 말했다.
전 교수는 “향후 국내외 연구진들과 전임상 및 임상실험을 수행할 예정이다”며 “적절한 치료제가 없는 난치성 염증질환을 치료할 수 있는 새로운 나노의약품을 개발해 환자들의 고통을 덜어주고 싶다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 글로벌연구실 및 KAIST 시스템헬스케어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 형광물질 ICG가 로딩된 빌리루빈 나노입자가 염증조직(대장, Colon)으로 선택적으로 축적됨
그림2. 빌리루빈과 폴리에틸렌 글리콜의 축합방법 및 제조된 빌리루빈 기반 나노입자의 모식도
그림3. 고용량의 빌리루빈 나노의약품이 정맥주사되었을 때, 부작용이 없음을 나타내는 결과
그림4. 빌리루빈 나노입자를 처리한 염증그룹에서는 정상그룹과 비슷해진 대장을 관찰가능
2016.05.19 조회수 13831 -
최광욱 교수, 신체 세포조직의 성장 원리 규명
우리 대학 생명과학과 최광욱 교수 연구팀이 신호전달체계에 존재하는 ‘14-3-3’ 단백질이 신체 기관 발달 및 세포 조직 성장에 새롭게 관여함을 규명했다.
이번 연구는 네이처의 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: 14-3-3 proteins regulate Tctp-Rheb interaction for organ growth in Drosophila)
우리 신체에는 토르 신호(Tor signaling)라고 불리는 신호전달체계가 존재한다. 이 신호전달체계는 단백질 합성을 늘려 세포 크기를 키우거나 세포 숫자를 늘리는 역할을 한다. 토르 신호가 너무 많으면 암을 유발하기도 하고, 반대로 너무 적으면 신체 기관이 제대로 성장을 할 수 없게 된다.
이와 같이 토르 신호는 세포 조직의 성장과 밀접한 관련이 있다. 이 토르 신호를 조절하는데 Tctp(Translationally controlled tumor protein)와 Rheb 단백질이중요한 역할을 한다.
최 교수 연구팀은 과거 연구에서 토르 신호전달체계에서 Tctp 단백질이 Rheb 단백질의 기능 조절에 영향을 끼친다는 것을 밝혔다. 하지만 Tctp와 Rheb이 어떤 방식으로 조절되는지, 중간에 어떤 매개체가 필요한지 등은 밝혀내지 못했다.
연구팀은 문제를 해결하기 위해 초파리를 이용한 유전적 상호작용 분석 실험을 수행했다. 그리고 14-3-3 단백질이 Tctp와 Rheb 사이의 다리 역할을 해 두 단백질이 상호작용할 수 있음을 밝혔다.
초파리 체내에는 두 개의 14-3-3 동종형 유전자가 존재한다. 따라서 두 개 중 하나가 없어도 현저한 성장 장애는 나타나지 않는다. 그러나 연구팀은 Tctp 또는 Rheb의 기능이 부분적으로 손상된 상태에서 14-3-3의 결핍이 발생하면 기관 성장에 심각한 문제가 생기는 것을 확인했다.
이러한 상승효과의 원리를 통해 14-3-3 단백질이 Tctp와 Rheb 단백질 사이의 결합을 직접적으로 조절해 성장에 관여함을 규명했다.
이번 연구에 기초해 향후 고등 동물에서도 유사한 조절 기작이 존재하는지 확인하기 위한 연구가 진행될 것으로 예상된다. 고등 동물에서의 연구도 성공적으로 이뤄진다면 향후 암 조직의 조절이나 기관 발달 촉진 등의 효과도 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 14-3-3 유전자가 초파리 뿐 아니라 인체에도 존재하기 때문에 토르 신호전달체계의 문제로 인한 종양의 원인 규명 및 치료법 예방에 중요한 역할을 할 것으로 전망했다.
최 교수는 “인체에는 유전자 중복으로 인해 기능이 밝혀지지 않은 질병 관련 유전자들이 많다”며 “초파리 모델 동물이 질병 관련 유전자들의 생체 내 작용을 규명하는 데 기여할 것이다”고 말했다.
생명과학과 르 풍 타오 학생이 주도한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 글로벌 연구실지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 사진 설명
사진1. 14-3-3과 tctp 단백질 결핍으로 인해 초파리 눈이 소실된 사진
사진2. 14-3-3과 tctp 단백질 결핍으로 인해 초파리 날개가 소실된 그림
사진3. 14-3-3 결핍으로 인한 초파리의 두뇌부가 상실된 사진
2016.05.18 조회수 12741 -
허원도 교수, 빛을 통해 세포내 물질 이동 제어 기술 개발
〈 허 원 도 교수 〉
우리 대학 생명과학과 허원도 교수 연구팀이 막으로 이루어진 세포내 소기관들의 이동을 빛으로 자유롭게 제어하는데 성공했다. 이로써 세포내 물질 수송의 단계별 메커니즘을 규명해 암과 신경질환 치료에 새로운 해법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 세포내 물질 수송을 조절하는 새로운 광유전학 기술인 생체막 올가미(IM-LARIAT; Light-Activated Reversible Inhibition by Assembled Trap of Intracellular Membrane) 기술을 개발했다.
세포 내에는 엔도좀(endosome)이나 리소좀(lysosome), 엑소좀(exosome) 등 막으로 이루어진 다양한 막 구조 세포 소기관2)(intracellular membranes)들이 존재한다. 막 구조 세포 소기관들은 세포의 성장과 분열에 밀접한 세포의 기본 기능인 물질 수송과 물질 분비, 신호전달과정 등에 관여한다.
세포내 물질 수송은 매우 역동적으로 움직이는 세포 소기관들에 의해 이루어지는데, 복잡한 움직임을 제어할 방법이 거의 없어 세포 관련 연구가 제한돼 왔다.
이에 허원도 교수는 생체막 올가미 기술을 개발, 빛을 통해 세포 소기관들의 이동을 원하는 때, 원하는 위치에서 일시 정지시켜 세포 소기관들의 이동 메커니즘을 실시간으로 연구하는데 성공했다.
허원도 교수팀은 청색 빛에 반응하는 식물의 청색광 수용 단백질에, 세포 소기관들의 생체막에 존재하는 랩 단백질(Rab small GTPase)을 결합시킨 융합단백질을 개발했다. 이 융합단백질을 실험동물의 암세포와 신경세포에 발현시킨 뒤 청색 빛을 비춘 결과, 많은 막 구조 세포 소기관들이 서로 응집하여 이동이 일시 정지되는 현상을 확인했다.
특히 생체막 올가미 기술을 신경세포에 적용, 엔도좀들의 이동을 일시 정지 시켜, 뇌 신경 세포 성장원추(growth cone)의 성장을 제어하는데 성공했다. 청색 빛을 비추자 일시적으로 성장이 멈췄던 신경세포가, 빛을 끄자 다시 빠르게 자라나는 것을 추가로 확인했다.
이번 연구는 약물이나 전기 자극이 아닌 빛을 비추는 비 침습적(non-invasive) 방식을 고안, 최소 자극으로 막 구조 세포 소기관들의 이동을 제어할 수 있게 된 데 의의가 있다. 신경세포의 분화 및 암세포의 물질 수송을 빛으로 정지시킬 수 있는 생체막 올가미 기술을 응용하면, 다양한 암과 신경질환의 치료 해법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
허원도 교수는 “이번 연구는 살아있는 세포내에 존재하는 다양한 세포 소기관들을 빛으로 제어한 연구로, 적외선이나 소형 광원을 이용한 생체막 관련 질환 치료법이나 신경세포재생연구로 발전시킬 수 있을 것”이라며 “특히 뇌 신경세포 내 소기관들의 이동과 물질 수송 연구는 기억과 학습 관련 연구 분야에도 새 장을 열어줄 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 생명과학 분야 세계적 학술지인 네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology, IF 12.996) 온라인판 4월 12일자에 게재됐다.
허원도 교수는 지난 3년 동안 유명학술지에 독자적으로 개발한 광유전학기술들을 연속적으로 발표하고 있으며 현재 수편의 논문들도 해외유명저널에서 심사 중이다. 2014년에 Nature Methods, Nature Communications, Cell 자매지인 Chemistry & Biology 표지논문으로 발표를 시작했다. 2015년 Nature Biotechnology 표지논문에 이어, 이번에는 Nature Chemical Biology에 발표하는 등 세계적으로 광유전학분야를 선도하고 있다.
□ 그림 설명
그림1. 세포 내 물질 수송의 과정
2016.04.18 조회수 14115 -
최광욱 교수, 기관의 크기를 조절하는 유전자 발견
〈최 광 욱 교수〉
우리 대학 생명과학과 최광욱 교수 연구팀이 돌연변이 유전자의 세포분열이 증가하고 기관이 비정상적으로 커지는 현상의 원인을 밝혔다.
연구팀은 우리 몸의 각 기관이 정상적인 크기로 자라게 하는 히포네트워크(Hippo Network) 내에서 쉽원(Schip1)이라는 새로운 단백질을 발견하고 기능 원리를 규명했다.
이번 연구는 셀(Cell) 자매지인 ‘디벨롭멘탈 셀(Developmental Cell) 7일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: Drospohila Schip1 links Expanded to Tao-1 to regulate Hippo signaling)
생명체에는 각 기관들이 적절한 크기가 되도록 스스로 조절하는 능력이 있다. 이것을 가능하게 만드는 각 요소들은 서로 네트워크를 이뤄 작동하고, 그 네트워크를 히포 네트워크라 부른다.
이 히포네트워크에 유전적 혹은 후천적으로 문제가 발생하면 조절능력을 상실해 기관에서 종양을 만들게 되고 생명을 위협하는 요소가 된다. 따라서 네트워크를 구성하는 요소를 밝히고 완성시키는 것은 불확실한 종양의 발생원인 규명에 필수적이다.
과학계는 지속적 연구를 통해 히포네트워크의 구성요소들과 기능 및 역할을 발견했다. 하지만 이 네트워크에서 중심적으로 작동하는 두 요소인 ‘타오 원(Tao-1)’과 ‘익스팬디드(Expanded)’ 사이의 기작은 밝혀지지 않았다.
익스팬디드와 타오원이 네트워크 내에서 관련이 있다는 점은 밝혀졌지만 어떤 방식으로 연결됐는지, 직접적인 연관은 무엇인지에 대한 부분은 밝혀내야 할 숙제로 남아 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 히포 네트워크 유전자가 처음 발견된 초파리를 이용했다. 히포 네트워크는 초파리부터 인간까지 거의 동일한 유전자에 의해 조절되고 있기 때문이다.
연구팀은 초파리 히포네트워크 내 쉽원(Schip1) 요소가 익스팬디드와 타오원 사이의 매개체라는 사실을 규명했다. 쉽원은 타오원을 세포막으로 끌어들이는 역할을 하고 익스팬디드는 쉽원이 적절한 위치를 잡게 해 준다.
이 쉽원 유전자에 돌연변이가 생길 경우 세포분열이 크게 증가하고 결과적으로 기관의 크기가 비정상적으로 커지는 등 암 조직에서 나타나는 여러 형질이 발생한다.
연구팀은 쉽원 유전자가 초파리 뿐 아니라 인체에도 잘 보존돼 있기 때문에 종양의 원인 규명 및 치료법 개발에도 중요한 역할을 할 것이라고 밝혔다. 향후 고등 생명체를 이용한 추가적 연구가 진행될 것으로 기대된다.
최 교수는 “지금까지 단절됐던 상류와 하류 요소를 이어주는 중요한 고리를 찾았다”며 “이는 매우 의미있는 발견이다”고 말했다.
정형록 박사과정이 주도한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 글로벌 연구실지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 쉽원이 없을 때 초파리 눈 크기 변화
그림2. 이전의 완성되지 않았던 히포네트워크와 현재 본 논문을 통해 완성된 히포 네트워크
그림3. 쉽원 돌연변이에서 히포의 양이 급격하게 늘어나는 모습
2016.03.18 조회수 12270 -
효모 사용해 종양에 항암제 전달한다
〈 전 상 용 교수 〉
우리 대학 생명과학과 전상용 교수 연구팀과 GIST 생명과학부 전영수 교수 공동연구팀이 효모 기반의 바이오소재를 이용해 항암제를 표적 암에 효과적으로 전달할 수 있는 원천기술을 개발했다.
이번 연구결과는 지난해 12월 28일 미국학술원회보인 PNAS 온라인 판에 게재됐다.
이번 기술은 효모(yeast)에 존재하는 천연 소포체(vesicle)인 액포(vacuole)를 항암제를 전달하는 약물전달체로 이용했다. 동물 실험에서 높은 생체 적합성과 항암효능을 보여 기존 치료법의 대안이 될 것으로 기대된다.
약물전달시스템은 기존의 합성의약품 기반 항암 치료에 비해 독성을 크게 낮출 수 있다. 현재 美 식약청의 허가를 받아 치료에 사용되는 약물전달시스템은 리포좀(liposome) 제제와 알부민 나노입자(Abraxane)가 있다.
이러한 나노입자 기반 약물전달시스템은 특정 암을 표적해 치료하는 기술은 아니다. 따라서 최근에는 특정 암을 표적해 부작용을 낮추고 치료 효능은 개선시키는 표적형 약물전달시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
그러나 대부분의 표적형 약물전달시스템은 고분자, 무기 나노입자같은 인공소재 기반이다. 인공소재들은 생체 적합성이 낮고 몸속에 장기간 남아 잠재적 독성을 유발할 수 있다는 한계를 갖는다.
연구팀은 문제 해결을 위해 빵, 맥주의 발효에 사용되는 효모를 이용했다. 효모 안의 소포체인 액포를 항암제 전달 소재로 사용했다.
연구팀은 기존 효모를 유전자변형 시켰다. 유방암에 결합가능한 표적 리간드(ligand)가 도입된 표적형 효모액포로 제조한 것이다.
여기에 항암제로 사용되는 독소루비신(Doxorubicin)을 표적형 효모액포에 선적해 약 100나노미터 직경을 갖는 암 치료용 표적형 약물전달시스템을 구축했다.
이 액포의 구성성분은 인간의 세포막에 존재하는 지질 성분들과 비슷해 암 세포와의 막융합이 수월하게 이뤄진다. 따라서 항암제를 암 세포 안으로 효과적으로 전달할 수 있고, 생체 적합성이 높아 안전한 약물전달시스템이 될 수 있다.
실제로 유방암 동물실험에서 표적형 효모액포 약물전달시스템은 기존 독소루비신 치료 그룹에 비해 약 3배 이상의 항암제를 암 조직에 전달해 우수한 치료 효능을 보였다.
이 기술을 통해 다른 생물체 기반의 나노 소포체를 이용한 약물전달시스템 개발에도 활용 가능할 것으로 기대된다.
전 교수는 “이 기술을 통해 생물체 유래 천연 나노 소포체가 약물전달시스템으로 개발될 것으로 보인다”며 “전임상 연구 및 임상 적용 가능성을 평가해 궁극적인 암 치료 방안 중 하나가 되기를 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 글로벌프론티어 사업인 지능형바이오시스템 및 합성연구단과 광주과학기술원 실버헬스바이오연구센터의 실버헬스바이오기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 표적형 효모액포를 정맥주사 한 후 6시간 뒤 암 조직으로의 약물분포 결과
그림2. 유방암 생쥐모델에서 독소루비신 항암제가 선적된 표적형 효모액포 약물전달시스템의 항암 결과
그림3. 최종 항암 치료용 표적형 약물전달시스템을 제조하는 모식도
2016.01.12 조회수 19004 -
DNA 결합 단백질을 이용한 나노입자 클러스터 제작 기술 개발
우리 학교 생명과학과 김학성 교수와 류이슬 박사는 DNA 주형에 서열 특이적으로 결합하는 징크 핑거 (Zinc Finger) 단백질을 이용하여 크기 조절이 가능한 자성 나노 입자 클러스터 (Nanoparticle Clusters; NPCs)의 제작 방법을 새롭게 개발하여 국제적 권위의 학술지인 ‘앙게반테 케미 (Angewandte Chemie International Edition)’ 온라인 판에 발표하였다(2014년 11월 25일).
나노 입자 클러스터 구조체는 자성 나노 입자, 금 나노 입자, 양자 점과 같은 직경이 1~100 나노미터 (10-9 미터) 단위인 나노 입자들이 모여서 이루는 구조체를 말한다. 이 구조체는 단일 나노 입자와는 다른 독특한 집단적 특성을 가진다는 점에서 주목을 받고 있다.
구체적으로, 결합 플라즈몬 흡광도, 입자 간 에너지 전달, 전자 전달 및 전도성과 같은 광학적이거나 물리적인 성질이 다르다. 이러한 특성으로 인해 나노 입자 클러스터는 바이오 및 의료 분야 뿐 만 아니라 나노 전자 (nanoelectronic) 또는 나노플라즈몬 (nanoplasmon) 기기에 적용가능성이 매우 높다.
나노 입자 클러스터가 새로운 특성을 잘 나타내기 위해서는 클러스터의 크기와 조성이 정교하게 조절되어야 한다. 그러나, 기존의 방법은 주로 화학적인 결합에 의존하였기 때문에 복잡한 단계가 필요하고 크기와 조성을 조절하기 어렵다.
김 교수팀은 DNA 결합 단백질인 징크 핑거(Zinc Finger)를 이용하여 간단하고 용이하게 원하는 크기의 자성 나노 입자 클러스터를 제조하는 방법을 개발하였다. 징크 핑거 단백질은 DNA에 결합하는 단백질의 일종으로 구조상에 징크 이온 (Zinc ion)을 가지고 있으며 DNA 서열을 특이적으로 인식하여 결합하는 특성을 갖고 있다. 이러한 징크 핑거의 특성을 이용한 나노 입자 클러스터의 제작은 기존의 방법보다 생체 친화적이며 나노입자 클러스터의 크기와 조성이 잘 조절된다.
연구 결과 김 교수팀은 세 가지 길이가 다른 DNA를 주형으로 하여 징크 핑거 단백질을 이용하여 크기가 다른 자성 나노 입자 클러스터의 선형 구조체를 제작하였고, 만들어진 나노 입자 클러스터는 DNA 주형의 길이에 따라 크기와 형태가 잘 조절됨을 확인하였다.
제작된 자성 나노 입자 클러스터는 기존 MRI 조영제인 페리덱스 (Feridex)에 비해 3배 정도 향상된 T2 이완률 (T2 relaxation rate)을 보여주었고 특정 세포 내로 잘 전달되었다. 이러한 연구 결과는, 자성 나노 입자가 MRI 조영제, 형광 이미징, 약물전달 등 바이오 및 의료 분야에 활용 가능함을 보여준다.
김 교수팀의 연구는 단백질과 DNA의 특이적 결합 특성을 이용하여 무기물 나노 입자 (inorganic nanoparticle)의 초분자 집합체 (supramolecular assembly)를 간편하게 제작하는 새로운 방법으로 다른 나노 입자에 광범위하게 응용가능하며 향후 질병 진단과 이미징, 또는 약물 및 유전자 전달등 의 분야에 크게 활용될 것으로 기대된다.
그림 1. DNA 결합 단백질인 Zinc Finger를 이용한 나노입자 클러스터의 제작 모식도
그림 2. DNA 길이에 따른 자성 나노 입자 클러스터의 크기를 보여주는 전자투과현미경 사진
2014.11.26 조회수 13980 -
인공항체 기반 암 치료제 후보 개발
- 생명과학과 김학성 교수, Molecular Therapy에 표지 논문으로 발표
- 인공 항체 골격인 리피바디 기반 폐암 치료제 후보 개발- 리피바디 기반 단백질 신약 개발 가능성을 입증
우리 학교 생명과학과 김학성 교수는 충남대 의과대학 조은경 교수와 공동으로 인공 항체인 리피바디(Repebody) 기반 암 치료제 후보를 성공적으로 개발, 연구결과를 분자 치료(Molecular Therapy) 7월 호에 표지 논문으로 게재됐다.
김 교수팀은 암 유발 인자인 인터루킨-6 (Interleukin-6)와 강하게 결합하는 인공 항체인 리피바디를 개발했다. 또 리피바디가 비소 세포 폐암 동물 모델에서 암세포의 증식을 획기적으로 억제한다는 것을 확인했다.
많은 다국적 제약사 및 생명공학 기업들이 낮은 부작용과 높은 치료 효능을 갖는 단백질 치료제 개발에 천문학적인 연구비를 투자하고 있고 현재 20종 이상이 임상에 사용되고 있으며 100 여 종 이상이 임상실험 중이다. 이 중 항체 기반 치료제가 다수를 차지하고 있으며 많은 집중 투자가 진행되고 있다. 그러나 항체는 생산 비용이 매우 비싸고 큰 분자량과 복잡한 구조적 특성 때문에 설계가 어려우며 개발에 많은 시간과 비용이 소요된다.
이러한 기존 항체 기반 치료제의 한계점을 극복하고자, 김 교수팀은 신규 인공 항체 골격인 리피바디를 성공적으로 개발했다.(PNAS게재, 2012) 이를 기반으로 암 유발 인자인 인터루킨-6에 특이적으로 강한 결합력을 갖는 비소 세포 폐암 치료제 후보를 개발하는데 성공했다.
인터루킨-6는 면역 및 염증 관련 신호에 중요한 생체 내 물질로서, 비정상적으로 과 발현되는 경우에는 다양한 발암 경로를 활성화시켜 종양의 증식 및 전이를 촉진하는 것으로 알려져 있다. 이러한 중요성 때문에, 다국적 제약 업체들은 인터루킨-6에 의한 신호 전달을 억제할 수 있는 치료제 개발에 많은 연구를 집중하고 있다.
이번 연구에서 김 교수팀은 리피바디가 반복 모듈로 구성된 점에 착안, 질병 타겟에 대해 결합력을 효과적으로 증대시킬 수 있는 모듈 기반 친화력 증대 기술을 개발했다. 개발된 치료제 후보는 세포 및 동물 실험에서 낮은 면역원성과 비소세포 폐암의 증식을 탁월하게 억제한다는 것으로 확인됐다.
이와 함께 인터루킨-6와의 복합체 구조를 밝혀 리피바디의 작용기작을 규명해 치료제 개발 가능성을 입증했다. 김 교수팀은 현재 비 소세포 폐암 동물을 대상으로 임상 진입을 위한 전 임상 실험을 수행하고 있으며 향후 임상 시험을 통해 안정성 및 치료 효능을 입증해 단백질 신약으로 개발할 계획이다.
김 교수팀은 본 연구를 통해 인공항체 골격인 리피바디를 기반으로 단백질 신약을 개발할 수 있다는 것을 확인했고, 향후 국내의 단백질 신약 및 생명공학 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다.
이번 연구결과는 미래창조과학부가 주관하는 미래 유망 파이오니어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. Molecular Therapy 7월 호 표지 논문 선정
그림 2. 동물 모델을 통한 리피바디의 암 성장 억제 효능 입증
2014.07.09 조회수 18125 -
단백질의 생체분자에 대한 결합력 조절기작 규명
우리 학교 생명과학과 김학성 교수와 서문형 박사 연구팀은 단백질이 생체 내 분자를 인식하고 기능을 수행하는데 중요한 단백질의 생체분자에 대한 결합력을 조절하는 메커니즘을 새롭게 밝혀냈다 .
연구 결과는 과학 분야의 권위지인 ‘ 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 24일자 온라인판에 게재됐다.
연구팀은 지난해에 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 최초로 밝혀내 Nature Chemical Biology 에 발표한데 이어 , 이번 연구를 통해 단백질이 생체분자에 대한 결합력을 조절하는 핵심 원리를 규명함으로써 생체 내 단백질의 기능과 조절 기작을 보다 명확하게 이해하는 데 크게 기여할 것으로 전망된다 .
효소나 항체 , 호르몬 등으로 대표되는 단백질은 모든 생명체 내에서 다양한 생체 분자를 특이적으로 인식하여 신호전달 , 면역반응 등을 정교하게 진행시켜 생명현상을 유지하고 조절하는데 가장 중요한 역할을 담당한다 . 이런 과정에서 단백질이 생체분자에 대한 결합력은 두 분자 사이의 결합지속 시간이 정해지고 , 단백질의 생체 내 기능을 결정하고 조절하는 핵심 요인이다 . 이번 연구 결과를 바탕으로 단백질 활성을 보다 정교하게 조절하는 것이 가능해질 것으로 예상된다 .
연구팀은 단백질들이 생체분자를 인식하는 과정에서 , 단백질의 생체분자에 대한 결합력은 두 분자 사이의 비 공유 상호작용의 크기뿐만 아니라 단백질의 고유한 동역학적 성질도 긴밀하게 연관되어 있다는 점에 주목했다 .
김 교수 연구팀은 단백질의 생체분자에 대한 결합력을 결정하는 기본 기작을 규명하기 위해 , 단백질의 allosteric site 에 돌연변이를 가하여 동일한 화학적 접촉면을 가지고 있지만 수십 배에서 수백 배의 결합력 차이를 보이는 다양한 돌연변이 단백질을 제작하였다 . 단백질의 allosteric site 는 생체분자와 직접 결합하는 부위는 아니지만 생체 분자 인식에 영향을 미치는 부위를 지칭한다 .
제작된 돌연변이 단백질들의 고유한 동역학적 성질을 단 분자 수준에서 실시간으로 분석하여 , 생체분자에 대한 결합력이 단백질의 고유한 동력학적 특성인 구조 열림 속도에 직접적으로 연관되어 있음을 밝혀냈다 .
또한 , 단백질이 생체 분자와 직접 결합하는 부위가 아닌 allosteric site 에서 단백질의 고유한 특성을 변화시킬 수 있음을 증명함으로써 , 생체 내 단백질들의 기능을 조절하는 새로운 방법론을 제시하였다 .
연구팀의 이번 결과는 다양한 생명현상을 관장하는 단백질의 특성을 보다 깊이 이해하는데 큰 역할을 하였으며 , 단백질의 생체분자에 대한 결합력을 결정하는 원리를 단백질의 동력학적 관점에서 입증한 것으로 평가되고 있다 .
김 학성 교수는 이번 연구에 대해 “ 지금까지는 단백질의 생체분자에 대한 결합력은 두 분자 사이의 직접적인 상호작용에 의해 결정되는 것으로 알려져 왔지만 , 본 연구를 통해 단백질의 고유한 동력학적 특성 , 즉 구조 열림 속도도 결합력을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다는 새로운 사실을 밝힌 것이 큰 의미가 있다 ” 라고 의의를 밝혔다 .
그림 1. 단백질의 안정한 상태인 열린 구조 (open) 와 불안정한 상태인 부분적으로 열린 구조 (partially closed) 사이의 전환 속도 (kopening; opening rate) 와 결합력 (Kd) 사이의 상관관계 그래프
2014.04.25 조회수 16716 -
손상된 DNA의 돌연변이 수리과정 규명
- DNA 손상을 복구하는 암 관련 핵심 효소 ATM의 조절 메커니즘 밝혀 -
우리 학교 생명과학과 최광욱 교수와 홍성태 박사 연구팀은 생체정보를 저장하는 DNA가 손상됐을 때 이를 수리하는 핵심효소의 기능에 필수적인 단백질 ‘ATM(Ataxia telangiectasia mutated)’의 작동 메커니즘을 규명했다.
연구결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’ 19일자 온라인판에 게재됐다.
인간을 포함해 DNA를 갖고 있는 모든 생명체는 자신의 DNA정보를 지키기 위해 끊임없이 노력하고 있으며 이들이 살아가고 있는 자연환경에는 DNA를 손상시킬 수 있는 수많은 요소들이 존재한다.
예를 들면, 우리가 매일 섭취하는 음식물속에 들어있는 탄화물질이나 건물의 시멘트에서 나오는 라돈과 같은 방사선 물질, 강한 태양빛에 포함된 자외선 등 수많은 발암물질들과 함께 살아가고 있다.
생명체는 발암물질들로부터 DNA정보를 일정하게 유지하기 위해 복잡하고 정교한 DNA 수리작업을 항상 수행하고 있는데 이 과정에서 ‘ATM’이라고 하는 DNA 손상복구 단백질이 핵심적인 역할을 한다. 따라서 ATM이 제대로 작동하지 않으면 암 발병 확률이 높아진다.
지금까지 학계에서는 TCTP(Translationally controlled tumor protein)라는 단백질이 ATM의 기능을 조절하는데 중요할 것이라고 추정해 왔다. 그러나 이에 대한 주된 연구결과가 배양된 세포수준에서 확인했기 때문에 정확히 어떠한 방식으로 TCTP가 ATM의 기능을 조절하는지 알 수 없었다.
연구팀은 TCTP에 결합하는 아미노산 조각의 정보를 활용해 TCTP가 ATM과 결합을 할 수 있고, 다양한 분자생화학적인 방법들을 이용해 TCTP가 ATM의 효소기능을 높여준다는 사실을 밝혀냈다.
이와 함께 분자 유전학의 모델동물로 널리 사용되는 초파리를 이용해 TCTP와 ATM이 방사선에 의해 손상된 DNA를 수리하는데 매우 중요한 역할을 하고 있다는 점도 규명했다.
이를 통해 연구팀은 TCTP가 세포배양 수준은 물론 고등생명체에서도 DNA 정보를 일정하게 유지하는데 중요한 역할을 하며, TCTP가 ATM의 기능을 조절하는 방법에 대한 중요하고 구체적인 단초를 제시했다.
최광욱 교수는 이번 연구에 대해 “초파리 모델동물을 이용한 기초연구가 암 등 질병의 과정을 이해하고 치료방법을 개발하는데 중요한 기여를 할 수 있음을 보여주는 좋은 사례”라고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약 연구)과 일반연구자지원(대통령포스닥펠로우십)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 보충자료
1. ATM(Ataxia telangiectasia mutated)ATM 유전자의 이상은 Louis-Bar syndrome 이라는 희귀 퇴행성 신경질환을 유발하는 것으로 알려져 있다. 운동기능이상, 눈의 흰자위나 피부에 비정상적으로 나타나는 혈관 확장, 약화된 면역반응, 혈액암 (림프종, 백혈병) 과 같은 질병증상을 추가로 일으킬 수 있다. ATM 유전자는 인산화 효소(kinase)의 기능을 가지고 있으며, ATM 단백질은 DNA의 이중나선이 모두 끊어질 경우, 이를 연결하는데 중요한 역할을 수행한다.
2. TCTP(Translationally controlled tumor protein)1988년 처음으로 발견된 단백질로, 이 유전자의 이름은 종양 세포에서 그 양이 비정상적으로 많아지기 때문에 붙여졌다. 그 기능이 본격적으로 밝혀진 것은 2000 초반부터이며, 세포의 생존과 성장에 중요한 역할을 한다. 최근에서야 DNA 정보를 유지하는데 중요하다는 것이 밝혀졌다.
3. Nature communcations네이처를 출간하는 Nature Publishing Group (NPG)에서 발간하는 온라인 전용 과학저널. 생물학, 물리학, 화학, 공학, 천문학, 고고학 등 다양한 분야의 수준 높은 과학연구 주제를 다루고 있다. 2012년을 기준으로 하는 SCI (Science citation index, 과학분야 인용지수)는 10.015 이다.
4. 초파리1900년대 초반, Charles W. Woodworth, William E. Castle, Thomas H. Morgan등이 멘델유전학을 연구하기 위해 처음으로 사용하기 시작한 모델 동물. 진핵세포에서 일어나는 생명현상을 연구하기 위해 오랫동안 사용되어온 대표적인 모델 동물이다.
□ 그림설명
그림1. TCTP단백질의 양이 줄어들면 방사능에 의해 쉽게 초파리 눈 세포의 형태가 비정상적으로 변형된다. (화살촉). Scale bars = 200mm
그림2. TCTP 단백질의 양이 줄어들면, 방사능에 의해 초파리의 염색체가 쉽게 끊어진다 (화살촉 표시). Scale bars = 10 mm.
그림3. TCTP와 ATM의 유전자발현이 줄어들면 눈의 정상적인 발생에 큰 결함이 생긴다.(왼쪽 : 초파리의 정상적인 눈, 오른쪽 : 성장이 결핍된 눈)
그림4. ATM은 끊어진 DNA의 위치를 표시하며, TCTP는 이 작용이 원활히 일어나도록 돕는다. 세포 핵 안에 들어있는 DNA(파란 선)는 히스톤 단백질(녹색 원통)에 감겨있다. DNA가 끊어지면(붉은 번개표시) 끊어진 자리에 ATM 단백질이 인산기(P)를 부착한다. 다양한 DNA 수리 단백질들은 이 인산기를 DNA에 수리가 필요하다는 신호로 인식하고 모여든다.
2013.12.20 조회수 19895 -
오래가는 리튬황 이차전지 개발
- 리튬이온전지 보다 에너지밀도가 5배 이상 높은‘리튬황 전지’개발 -
우리 학교 신소재공학과 김도경 교수는 EEWS 최장욱 교수와 공동으로 현재 상용화중인 리튬이온 배터리의 수명 및 에너지 밀도를 크게 뛰어넘는 리튬황 전지를 개발했다.
연구결과는 나노소재 분야 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 3일자 표지논문(frontispiece)으로 실렸다.
개발된 리튬황 전지는 △단위 무게당 에너지 밀도가 최대 2100Wh/kg로 상용화 중인 리튬이온전지(최대 387Wh/kg)의 5.4배에 달하고 △기존에 개발된 리튬황 전지가 갖는 충·방전에 따른 급격한 용량감소 문제를 해결해 수 백 번 충·방전이 가능하다.
김 교수 연구팀은 나노 전극 재료합성기술을 활용, 두께 75nm(나노미터) 길이 15㎛(마이크로미터)의 황 나노와이어를 수직으로 정렬해 전극 재료를 제작했다.
제작된 황 나노와이어 정렬 구조는 1차원 구조체로 빠른 전자의 이동이 가능해 전극의 전도도를 극대화시켰다.
이와 함께 황 나노와이어 표면에 균일하게 탄소를 코팅함으로써 황과 전해액의 직접적인 접촉을 막아 충·방전 중 황이 녹아나는 것을 방지, 리튬황 전지가 갖는 수명저하 문제를 해결했다.
기존에 개발된 리튬황 전지용 전극은 초기에 높은 용량을 보임에도 불구하고 충·방전을 반복함에 따라 지속적인 용량감소를 보였다.그러나 개발된 전극은 빠른 방전속도(3분마다 1회 충·방전 조건)에서 300회의 충·방전 후에도 초기 용량의 99.2%를 유지했고 1000회의 충·방전 후에도 70%이상 용량을 나타냈다.
따라서 이차전지에서 가장 중요한 특성인 수명, 에너지 밀도 등에서 기존의 어떠한 전극보다 성능이 우수한 세계 최고 수준으로 평가받고 있다.
김도경 교수는 “개발된 리튬황 전지는 무인기, 전기자동차 및 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지의 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라며 “대표적인 차세대 이차전지인 리튬황 전지의 오랜 난제인 수명저하의 해결방안을 찾아 세계 최고 수준의 성능을 구현해 내 이 분야에서 우리나라가 기술 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.
한편, 연구팀은 관련 기술에 대해 국내 특허 1편과 PCT 국제 특허 1편의 출원을 완료했다.
□ 그림설명
그림1. 개발된 리튬황 전지수명특성 그래프, 300회의 충·방전 시에도 초기 용량의 99.2%의 성능을 낸다.(좌측) 1000회 충·방전에도 높은 성능을 유지한다.(우측)
그림2. 탄소 코팅된 황 나노 와이어 정렬 구조(좌측상단 1, 2 프레임), 단일 황 나노와이어(좌측 하단), 황 나노 와이어 정렬 구조 모식도(우측)
2013.12.03 조회수 15595 -
단백질의 생체분자 인식 메커니즘 규명
- “단백질이 생체분자를 인식하고 결합하는 기작을 규명해 50년 동안의 수수께끼 풀었다” - - 생명현상의 이해와 효능이 높은 치료제 개발에 활용 가능성 기대 -
우리 학교 생명과학과 김학성 교수가 서울대학교 물리학과 홍성철 교수와 공동으로 단백질이 생체 내 분자를 인식하고 결합하는 메커니즘을 규명했다.
연구 결과는 생명과학분야의 권위지인 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)’ 3월 18일자 온라인 판에 발표됐다.
단백질이 생체분자를 인식하고 결합하는 메카니즘을 밝혀낸 이번 연구로 인해 단백질의 조절기능을 보다 정확하게 파악할 수 있게 돼 앞으로 복잡한 생명현상을 이해하는데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
이와 함께 단백질의 생체분자 인식은 각종 질병의 발생과도 밀접하게 연관돼 있어 향후 효능이 높은 치료제 개발에도 기여할 것으로 전망된다.
핵산, 단백질 등으로 알려진 생체분자는 생물체를 구성하거나 생물의 구조, 기능, 정보전달 등에도 꼭 필요한 물질이다.
특히, 단백질은 생체분자를 특이적으로 인지하고 결합하면서 모든 생명현상을 조절해 생명현상을 유지하는데 가장 중요한 역할을 한다. 단백질의 생체분자 인식에 오류가 발생하면 비정상적 현상으로 각종 질병이 유발되기도 한다.
연구팀은 단백질이 다양한 구조를 갖는데 구조적으로 가장 안정한 ‘열린 구조’와 상대적으로 불안정한 ‘부분 닫힘 구조’를 반복한다는 점에 주목했다.김 교수 연구팀은 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 설명하기 위해 생체분자가 결합하면서 단백질의 구조가 변하는 현상을 단 분자 수준에서 실시간으로 분석했다.
연구결과 생체분자는 가장 안정된 구조의 단백질을 주로 선호하며 결합과 동시에 단백질을 가장 에너지 수준이 낮은 안정된 구조로 변화시킨다는 사실을 세계 최초로 규명했다.
이와 함께 생체분자는 불안정한 ‘부분 닫힘 구조’에도 결합해 단백질 구조를 변화시킨다는 사실도 밝혀냈다.
연구팀의 이번 결과는 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 설명하기 위해 현재까지 제안된 모델인 단백질이 생체분자와 결합하면서 구조가 변한다는 ‘유도형 맞춤 모델’과 단백질의 다양한 구조 중에서 최적의 하나만을 선택적으로 인지한다는 ‘구조 선택 모델’에 대해 처음으로 실험을 통해 완벽히 입증해 낸 것으로 학계는 평가하고 있다.
김학성 교수는 이번 연구에 대해 “생체분자가 존재하는 경우 단백질의 구조 전환 속도가 변하는 현상을 단 분자 수준에서 분석해 단백질의 생체분자 인식 메카니즘을 처음으로 직접 증명한 것”이라며 “생물 교과서에 50년 동안 가설로만 인식되어지던 것을 세계 최초로 실험으로 증명해 풀리지 않을 것만 같았던 수수께끼를 풀어냈다”고 의의를 밝혔다.
그림1. 열린 구조와 부분적으로 열린 구조를 갖고 있는 단백질이 생체분자를 인지하고 결합하는 양상
그림2. 단백질의 다양한 구조 중에서 가장 안정한 상태인 열린 구조(open form)에 생체분자(ligand) 가우선적으로 결합해 더욱 안정한 완전히 닫힌 구조(closed form)로 변함. 또한 단백질의 불안정한 구조(partially closed form)에도 생체분자가 결합해 완전히 닫힌 구조로 변하게 함.
2013.03.21 조회수 14707 -
노화를 억제하면서 건강히 장수할 수 있도록 돕는 新물질 발견
김대수 교수
- PLoS One 발표,“암, 치매 및 파킨슨병 예방․치료에 한걸음 다가가”-
노화를 억제하면서 건강히 오래살 수 있도록 돕는 새로운 물질이 국내 연구진에 의해 발견됨에 따라, 건강한 삶을 오래 유지하고 싶은 인류의 꿈에 한걸음 다가서게 되었다.
우리 학교 생명과학과 김대수 교수(43세) 연구팀과 충남대 의과대학 및 산업체와의 공동연구로 진행된 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(전략연구)의 지원으로 수행되었고, 생물학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘플로스 원(PLoS One)’ 최신호(10월 11일자)에 게재되었다.(논문명: Beta-lapachone, a modulator of NAD metabolism, prevents health declines in aged mice)
사람이 건강하게 오래 살 수 있는 효과적인 방법은 식사량을 줄이거나(小食) 달리기와 같은 유산소운동을 하는 것이다.
김대수 교수 연구팀은 우선 소식이나 유산소운동이 보조효소(NAD+*)를 증가시켜 세포의 노화를 억제한다는 점에 착안하였다. 연구팀은 천연화합물(베타-라파촌)로 효소(NQO1)를 활성화시키면, 적게 먹거나 별도의 운동을 하지 않아도 NAD+의 양이 증가됨을 규명하였다.
*) NAD+(니코틴아미드 디욱시뉴클레오타이드) : 이 보조효소가 세포내에서 증가하면 노화방지 효과가 있는 것으로 알려져 있음
**) 베타-라파촌(beta-lapachon) : 라파초 나무, 단삼 등 식물에 고농도로 함유된 천연화합물
또한 이미 노화가 진행된 생쥐들에게 베타-라파촌을 사료에 섞여 먹인 결과, 3개월이 경과되면 운동기능과 뇌기능이 모두 향상되어 건강하게 오래살 수 있음을 확인하였다. 특히 베타-라파촌은 동․서양에서 오랜 기간 사용해 온 약초의 주성분으로 만들어져, 머지않아 쉽게 상용화할 수 있는 것이 특징이다.
김대수 교수는 “지금까지 노화를 억제하는 약물들이 다수 개발되었지만, 사람에게 적용하는데 한계가 있었다. 우리 연구팀이 찾아낸 새로운 물질은 소식이나 운동으로 나타나는 효과를 그대로 모방하여 밝혀낸 것으로서, 향후 암, 치매 및 파킨슨병과 같은 노인성 질환을 예방하고 치료하는데 크게 기여할 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
2012.10.24 조회수 18034