바이오인

핵심내용

줄기세포가 접착할 때의 신호전달 과정 규명
- 성공적인 세포이식 및 암세포 전이 제어약물 개발 기대 -

□ 줄기세포가 주변 환경에 정착하기 위해 접착되는 초기과정이 실시간 고해상도 이미지를 통해 밝혀졌다. 김태진 교수(부산대학교) 연구팀이 줄기세포에 바이오센서를 주입해 촬영함으로써, 세포 접착될 때의 신호전달 과정을 규명했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 세포의 생존은 주변 조직에 접착되는 과정과 밀접한 연관이 있다. 줄기세포가 주변 조직에 붙어서 기능이 통합되어야 세포이식이 성공적으로 이루어지고, 암세포는 주변 조직에 붙으면서 전이된다.

 ㅇ 세포접착의 역동적인 과정을 추적하려는 연구 시도들이 있었지만, 살아있는 세포에서 시간‧공간에 따른 필수 신호물질의 변화를 정밀하게 탐지하는 것은 기술적 한계에 부딪혔다.

□ 연구팀은 줄기세포의 세포막에서 바이오센서가 발현되도록 설계하여, 실시간 시각적으로 연구할 수 있는 기술적 토대를 마련했다. 바이오센서가 형광공명에너지전이(FRET) 기술을 이용해, 세포접착 과정의 주요 신호물질인 국소접착인산화효소와 칼슘이온을 탐지하고 이미지로 보여준다.

□ 개발된 기술로 줄기세포의 배양 과정을 촬영한 결과, 세포막에서 국소접착인산화효소와 칼슘이온의 상호작용이 확인되었다. 두 신호물질은 특정 위치에 동시에 활성화되어 있으며, 특히 국소접착인산화효소에 의해 칼슘이온의 활성이 조절된다는 것이 밝혀졌다.

□ 김태진 교수는 “줄기세포의 초기 접착과정에서 국소접착인산화효소와 칼슘의 상호작용을 밝힌 연구로서, 줄기세포 이식에서 발생하는 세포접착의 난제를 해결하는 데 유용한 정보가 될 것”이라며, “뿐만 아니라 암세포의 전이 시 동반되는 세포접착을 지속적으로 차단하는 약물 개발에도 응용될 수 있다”라고 연구 의의를 설명했다.

□ 이 연구는 교육부‧한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업의 지원으로 수행되었다. 저명한 국제학술지 ‘어드밴스트 사이언스(Advanced Science)’ 12월 18일자 논문으로 게재되었다.

상세내용

■ 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Matrix Rigidity-Dependent Regulation of Ca2+ at Plasma Membrane Microdomains by FAK Visualized by Fluorescence Resonance Energy Transfer

저  자
김태진 교수(제1저자/교신저자, 부산대), 서정수(부산대), 장윤관(부산대)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 줄기세포 이식의 선행 연구에서 줄기세포는 정상적인 세포접착을 통해 주변조직과 기능적인 통합을 이뤄야하지만, 상반되게도 전이성 암세포는 주변조직과의 성공적인 세포접착이 생명에 위협이 될 수도 있다. 따라서 초기 세포접착의 성공과 실패를 결정짓는 데 관여하는 주요 신호체계를 규명할 필요가 있었다.
  ○ 형광공명에너지전이 기반의 유전자 인코딩 바이오센싱 기술은 단백질의 상호작용이나 생체내의 다양한 신호물질의 활성 및 행동을 고감도, 고해상도로 탐지하도록 해주며 이외에 다양한 분야에서 접목이 가능하다.
  ○ 이 연구에서는 줄기세포의 초기접착과정에서 발생하는 역동적인 신호체계의 변화들을 해당 기술을 활용해 기존 연구에서 제공하지 못했던 살아있는 시료에서 시공간적인 데이터까지 얻고자 하는데 있었다.
  ○ 이는 향후 줄기세포이식 시 본질적인 세포접착과정을 규명함으로써 줄기세포이식의 성공률 및 효율성을 높이는데 유용한 정보를 제공할 수 있을 것이다.

 2. 연구내용
  ○ 연구팀은 세포접착과정에 주요 신호물질인 국소접착인산화효소와 칼슘이온을 타겟팅하는 형광공명에너지전이 기반의 바이오센서를 제작하고 이들이 세포막의 마이크로 도메인에 선택적으로 위치하도록 펩타이드 서열을 주입하고 특성화하였다. 즉 제작된 바이오센서는 각기 서로 다른 세포막에 자리 잡고 국소접착인산화효소와 칼슘신호를 탐지하게 된다.
  ○ 상기의 유전자코딩 바이오센서는 형광공명에너지전이를 통해 신호의 차이를 나타내도록 설계되어 있어 세포에 주입 시 세포의 상태에 따라 두 신호를 다양한 이미지 형태로 표시하게 된다.
  ○ 줄기세포이식에 활용도가 높은 사람중간엽줄기세포(hMSC)에 해당 바이오센서를 독립적으로 삽입했다. 또한 생체 친화적인 하이드로겔 시스템을 이용해, 두 종류의 배양 조건, 즉 줄기세포가 접착하기 용이한 환경(하드겔)과 접착하기 불편한 환경(소프트겔)을 구성하였다. 그리고 이들 환경에 따라 국소접착인산화효소와 칼슘신호변화를 시공간적인 해상력을 갖춘 이미지로 촬영 분석하였다.
  ○ 그 결과, 국소접착인산화효소와 칼슘신호는 세포접착이 성공적일 시에 세포막의 DRM(detergent-resistant membrane)에서 특이적으로 동시에 활성화된데 반해 non-DRM 영역에서는 활성이 억제되었다. 또한 칼슘신호의 활성이 국소접착인산화효소에 의해 조절되는 새로운 기전을 발견하였고, 기질의 인터그린-국소접착단백질 복합체 및 TRPM7 채널이 초기세포접착과정의 두 신호 조절에 관여하고 있음을 처음으로 규명하였다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 바이오센서-고해상도 실시간 세포 이미징 기술로 줄기세포 초기 접착 순간 세포막 생체분자의 역동적인 신호변화 촬영에 성공했으며 신호기전을 규명했다.
  ○ 줄기세포 이식 간의 세포접착 및 이식 성공률 향상이 기대된다.
  ○ 줄기세포접착 촉진조절 약물 및 전이 암세포접착 제어물질이 개발이 기대된다.

...................(계속)

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