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보도자료 2013. 1. 30(수)	UNIST(울산과기대) Ulsan National Institute of Science and Technology
<자료문의> ☎ 052)217-2551 나노생명화학공학부 이현우 교수 ☎ 052)217-1221/1223 홍보대외협력팀 이재천 팀장/신동욱 팀원
세포의 에너지 발전소 '미토콘드리아' 베일이 벗겨지다 - Science 誌 게재, “살아있는 세포 단백질체 분석을 통한 질병 진단 가능성 열어”-

□ 31세의 한국인 과학자가 살아있는 세포의 단백질체를 분석하는 생명공학기술을 세계 최초로 개발하여, 단백질체 분석에 새로운 전기를 마련했다. 이 기술은 미토콘드리아 기질단백질체의 분석에 적용되어 495가지의 단백질들이 미토콘드리아 기질에 존재함을 밝히게 되었다.

* 미토콘드리아 기질단백질체: 미토콘드리아 기질은 내막으로 둘러싸인 공간으로 아미노산 합성, ATP 합성 등 생명에너지 발생을 하는 기관이며, 이곳에 존재하는 수백 가지의 단백질들을 기질단백질체라 한다.

□ 미국 MIT 화학과 앨리스 팅(Alice Ting) 교수(연구책임자 및 교신저자)가 주도하고 이현우 박사(現 UNIST 나노생명화학공학부 교수)가 참여한 연구팀은 독창적으로 개발한 초미세공간 단백질체 맵핑(mapping)기술을 이용하여 세계 최초로 살아있는 세포의 미토콘드리아 기질단백질체를 확인한 연구 결과를 ‘사이언스 익스프레스’ 31일 자에 발표했다. 사이언스 익스프레스는 사이언스에 실리기 전에 중요 논문을 선정해 미리 소개하는 온라인 논문 속보다.

※ 공동 제1저자 / 논문명 : Hyun-Woo Rhee, Peng Zou / Proteomic Mapping of Mitochondria in Living Cells via Spatially-Restricted Enzymatic Tagging

□ 생체 에너지를 만드는 미토콘드리아의 구조와 기능에 이상이 발생하면 비만, 심혈관질환, 지방간 그리고 심장질환 등을 초래해 당뇨병과 대사질환, 암, 노화, 퇴행성 신경질환(파킨슨병, 노인성 치매)이 나타난다. 이를 예방하기 위해 우리나라를 비롯한 세계 각국에서 미토콘드리아의 비밀을 밝히는 연구 프로젝트가 활발하게 진행되고 있다.

○ 미토콘드리아 기질에서는 생명현상 유지에 필요한 아미노산의 합성이 이루어지고 생명에너지의 화폐인 ATP가 생성되지만, 미토콘드리아의 기질만을 분리해내는 기술의 부재로 아직 얼마나 다양한 단백질들이 그곳에 존재하는지 알려지지 않았다.

○ 현재까지 미토콘드리아의 기질을 분리하기 위해서는 세포막을 벗겨 낸 죽은 세포의 세포질에서 미토콘드리아를 분리하고 이후에 미토콘드리아의 외막을 효소처리 등으로 제거한 이후에 질량분석기를 이용하여 단백질들을 분석하는 방법이 있다. 하지만 이는 다른 세포소기관 단백질들에 의한 오염 가능성이 커 꾸준히 문제가 제기되어왔다. 또한, 미토콘드리아 이외의 소포체와 같은 세포소기관도 그 분석에 어려움을 겪고 있기는 마찬가지이다.

○ 현재의 세포소기관 연구방법은 그 과정이 번잡하고 처음에 수백 그램에서 수 킬로그램의 샘플이 필요하므로 주로 돼지, 소, 쥐 등의 장기를 토대로 연구가 진행됐다. 하지만 이렇게 밝혀진 세포소기관 단백질체조차 세포소기관 분리의 어려움으로 연구결과의 신빙성 문제가 끊임없이 제기되어왔다.

○ 사람의 세포소기관 연구는 장기 사용에 따른 윤리적 문제로 활발한 연구가 어려웠으며, 특히 미토콘드리아와 관련된 질병의 분석에는, 현재까지 유전체(게놈) 분석에만 치중해왔을 뿐, 단백질체 분석에 기반한 연구는 활발히 이루어지지 못했다.

□ 앨리스 팅 교수 연구팀은 살아있는 사람의 배양세포에서 특정 시간 내에 페놀라디칼을 발생시킬 수 있는 퍼옥시데이스를 이용하여서 사람의 미토콘드리아 기질단백질체를 세계최초로 규명하는 성과를 거두었다.

○ 이번 연구결과로 세포 내 소기관 중 핵심인 미토콘드리아 내에 지금까지 알려지지 않았던 270여 개의 미토콘드리아 기질단백질을 새롭게 규명할 수 있었다. 특히 연구팀은 기존에 생물학자들이 미토콘드리아 기질 내부에 존재할 것으로 생각하지 못했던 PPOX라는 효소를 발견했다. 이번 발견은 헤모글로빈의 산소 결합 역할을 담당하는 헴(heme)의 전구물질(heme precursor)을 수송하는 단백질이 기질 내부에 있음을 의미한다. 기존의 이 효소는 미토콘드리아 이중막 사이의 공간에 있는 것으로 알려졌으나, 이번 연구로 미토콘드리아 기질에 존재함을 확인하였다.

○ 이 연구는 기존의 수백 그램 이상의 샘플이 필요하던 방법에서 완전히 탈피하여 단 8밀리그램의 사람 배양세포의 세포질을 이용하여 이룩한 결과로써 앞으로 환자에서 얻은 미량의 조직에 포함된 미토콘드리아의 단백질체를 분석하여 진단할 수 있는 도구가 될 수 있다.

○ 이 연구에 사용된 초미세공간의 단백질체 맵핑 기술은 미토콘드리아 기질 공간 이외의 세포의 다양한 세포소기관에 적용될 수 있는 범용적인 기술 특이성을 갖고 있으며, 따라서 세포의 다양한 세포소기관 단백질체 맵핑에 일반적으로 적용될 수 있는 매우 큰 기술파급력을 갖고 있다.

□ 2013년 1월 1일 자로 UNIST에 임용된 이현우 교수는 “앞으로 이 논문에서 밝혀진 270여 개의 새로운 미토콘드리아 기질단백질이 미토콘드리아 생물학의 깊이를 더할 것으로 믿으며, 앞으로 본 연구에서 이용한 초미세공간 단백질체 맵핑기술이 세포소기관 단백질체 분석에 기반을 둔 질병진단의 가능성을 열 수 있다.”고 연구의의를 밝혔다.

【 끝 】

붙    임: 연구결과개요, 용어 설명, 제1저자 이력사항

이 자료와 관련하여 보다 자세한 내용이나 취재를 원하시면

나노생명화학공학부 이현우 교수(☎ 052-217-2551, 010-7289-2046)에게 연락주시기 바랍니다.

연 구 결 과 개 요

Proteomic Mapping of Mitochondria in Living Cells via Spatially-Restricted Enzymatic Tagging

Hyun-Woo Rhee, Peng Zou, Namrata D. Udeshi, Jeffrey D. Martell, Vamsi K. Mootha, Steven A. Carr, and Alice Y. Ting.(Science 2013.2.1 online 게재예정)

서론

사람 세포에는 총 18,000가지의 단백질이 존재하는 것으로 알려졌으며, 이 단백질들은 세포 안에서 무질서하게 섞여서 존재하는 것이 아니라 세포 안의 각자의 위치에서 각자의 구실을 하는 것으로 알려졌다. 하지만 아직도 이 많은 단백질들이 세포의 다양한 세포소기관에 어떻게 분포하고 있는지는 많은 경우 미확인영역으로 남아있으며, 21세기의 생명과학이 풀어야 할 숙제로 남아있다. 이를테면 미토콘드리아에 존재하는 단백질들이 무엇이 있을까를 알아내는 것은 미토콘드리아와 관련된 다양한 생명현상을 이해하는 가장 중추적인 정보가 될 수 있다.

본론

본 연구에서는 현재 세포소기관 단백질체 연구에서 쓰이는 방법을 완전히 탈피하여서 퍼옥시데이스를 이용한 초미세공간 단백질체 맵핑(mapping)방법을 개발하였다. 이 방법은 퍼옥시데이스에서 발생한 페놀라디칼이 가진 0.001초 이하의 짧은 수명시간 동안 반경 14나노미터 이하의 초미세공간에 존재하는 단백질체들을 레이블링하는 특성을 이용하였다. 본 연구에서는 퍼옥시데이스를 미토콘드리아 기질에 발현시킨 후에, 바이오틴이 달린 페놀 라디칼을 이용하여 결국 미토콘드리아 기질 단백질들만을 바이오틴으로 레이블링할 수 있었으며, 바이오틴 레이블링 된 단백질들은 쉽게 분리하여 질량분석기로 동정할 수 있었다.

이렇게 본 연구에서는 495가지의 단백질들을 동정하였으며, 이 중에 240가지의 미토콘드리아 단백질들이 미토콘드리아 기질에 존재함을 새롭게 밝혀낼 수 있었고 31가지의 완벽히 새로운 미토콘드리아 단백질도 또한 발견할 수 있었다.

그림 1. 초미세공간 단백질체 맵핑방법을 이용한 미토콘드리아 기질 단백질체 레이블링의 예

(Science 지 제공)

그림 2. 초미세공간 단백질체 맵핑방법을 이용해 미토콘드리아 내막 단백질들 가운데 레이블링한 단백질을 붉은 색으로 칠하고 레이블링 하지 못한 단백질은 회색으로 칠한 그림

결론

이 연구에 사용된 초미세공간 단백질 맵핑방법은 수 밀리그램의 세포질 시료에서부터 고순도의 미토콘드리아 단백질체를 분석할 수 있는 가능성을 열었다. 이는 앞으로 미토콘드리아 관련 질병의 단백질체 이상 유무를 연구하고 이에 기반을 둔 진료시스템을 구축하는데 굉장히 유용하게 쓰일 수 있다.  또한, 이 단백질체 맵핑방법은 미토콘드리아 단백질체만을 분석하는 것에 국한되어있는 것이 아니라, 앞으로 살아있는 세포의 다양한 세포소기관의 단백질체를 분석하는데 매우 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 예상하고 있다.

용 어 설 명

1. 미토콘드리아(mitochondria)

○ 에너지를 생산하는 세포소기관으로서 음식물을 산화시켜 에너지에 필요한 ATP를 생산하는 중요한 기관

2. 초미세공간 단백질체 맵핑 기술

○ 퍼옥시데이스라는 효소가 발생하는 페놀라디칼의 매우 짧은 시간 내에 일으키는 유기화학 반응을 이용하여, 퍼옥시데이스가 발현한 세포소기관 내의 공간 내의 단백질들만을 선택적으로 바이오틴으로 레이블링하는 기술이다. 바이오틴으로 레이블링 된 단백질은 후에 쉽게 분리하여 질량분석기로 분석을 할 수 있다.

3. 퍼옥시데이스(peroxidase)

○ 산화제(酸化劑:수소수용체)로서 과산화수소를 이용해 기질(基質)을 탈수소화시키는 반응을 촉매하는 효소로 보통 과산화효소라 함

4. 페놀라디칼(phenol radical)

○ 페놀라디칼은 원래 모체인 페놀로부터 전자가 하나 산화된 상태의 물질로 수용액에서 수명시간이 0.001초 이하로 매우 불안정하지만, 단백질과 큰 반응성을 가지며, 단백질 표면에 공유결합을 형성하며 붙을 수 있는 물질이다.

5. 레이블링(Labeling)

○ 일반적으로 염색이라는 뜻이지만, 본 연구에서는 단백질과 라디칼 사이의 공유결합을 형성하며 붙는 과정을 레이블링이라고 표현하였다. 이렇게 형성된 공유결합은 쉽게 끊어지지 않는 특성이 있다.

6. 소포체

○ 진핵세포에서 단백질의 생산이나 지질, 스테로이드 합성 등의 다양한 역할을 하는 세포소기관

7. ATP(adenosine triphosphate)

○ 모든 생물체에 존재하는 화학 물질로 에너지 중간물질로 가장 흔히 사용된다. 즉 생물체 내의 에너지의 저장 수단이다. 저장 수단은 대량의 에너지를 저장할 수 있고, 저장이 쉽고 필요할 때 쉽게 방출시킬 수 있어야 유용하게 쓰일 수 있는데, ATP는 이러한 조건을 모두 갖춘 적절한 물질이다. ATP는 미토콘드리아 기질에서 생성되어 세포질로 수송된다.

8. 바이오틴(biotin)

○ 바이오틴은 생체내의 지질을 합성하는 비타민 B7 로 알려진 생체 단분자로, 바이오틴과 특이적으로 강하게 결합하는 아비딘(Avidin)단백질을 이용하여 바이오틴이 달린 단백질들만을 분리할 수 있게끔 하는 생명공학기술이 많이 발달하여 왔다.

9. PPOX(Protoporphyrinogen oxidase)

○ 헤모글로빈 내에 발견되는 철포르피린(iron-porphyrin) 복합체인 헴(heme)의 합성 전 단계 물질인 헴 전구물질(heme precursor) 들은 세포 내에 정해진 합성경로를 따라 돌면서 합성되게 되는데, PPOX는 이 헴 전구물질(heme precusor) 중의 하나인 protoporphyrinogen을 protoporphyrin로 산화시키는 역할을 한다.