대부분의 인슐린의 작용들은 인슐린 수용체를 통하여 이루어진다. 인슐린이 수용체에 결합하면, 수용체 고유의 tyrosine kinase 효소활성의 증가를 유발시키며, 결과적으로 세포내에 존재하는 기질 단백질, IRS-1, 의 tyrosine 잔기의 인산화를 증가시키게 된다. 이후, 여러 형태의 serine / threonine protein kinase 의 연속적인 활성화가 일어난다. 이들에 부가해서, 인슐린의 효자는 세포핵 내에까지 전달되어 유전자 발현의 조절과 같은 세포핵 고유의 활동에도 관여한다. 현재, 세포막에서 시작된 인슐린의 신호들이 세포핵까지 전달되는 정확한 기전에 대해서는 알려진 바 없지만, 최근의 연구에 의하면 MAP Kinase 와 S6 Kinase 그리고 Transcription Factor AP-1의 중요성이 제시되고 있다. 특히 유전자 조절 기전에는 핵단백질인 transcription factor의 인산화 반응이 큰 역할을 한다고 보고되고 있는바, 본 연구에서 AP-1. transcription factor 의 인산화 반응이 인슐린의 신호전달계에 미치는 역할에 대하여 고찰하였다. 요약하면, AP-1 transcription factor의 구성원인 c-Jun, c-Fos 그리고 Fos 관련 단백질들의 인산화가 인슐린에 의해 증가되며, 동시에 그들의. DNA-binding activity 와 유전자 발현의 활성이 증가됨을 밝힘으로써, AP-1 transcription factor의 인산화 반응이 인슐린의 핵 내에서의 작용기전에 중요한 역할을 함이 제시되고 있다. 또한 AP-1 의 인산화 반응에 관여하는 세포핵 protein kinase로서 Casein Kinase II 의 중요성이 밝혀졌다.
포도당 대사에서 중심적인 역할을 담당하고 있는 호르몬인 인슐린의 작용기전은 이전에 알려진 것보다 매우 다양하고 복잡한 세포내 신호전달 체계에 의해서 수행된다. 지난 10여년간 이러한 세포 신호전달 흐름내 중간물질인 여러 가지 단백질의 역할에 대해서 많은 연구가 진행되어 적지 않은 성과를 거두고 있다. 근래에는 해당 유전자에 대해 분자생물학적인 조작을 가하여 실험동물 체내에서 이러한 중간 단백질이 발현되지 못하도록 한 후, 각 조직에서의 인슐린 신호전달 체계를 더욱 심도 있게 연구하고 있다. 여러 연구방법 가운데서, 특히 조직 특이적으로 특정 유전자를 제거하여 태어난 개체를 이용하고, 또한 이들을 서로 교배시켜 나타나는 현상을 연구하여 비정상적인 포도당대사를 이해하는데 많은 도움을 받고 있다. 동물종에 따른 대사상의 차이점 등으로 인해 적지 않은 한계를 갖고 있지만, 동물 질환모델은 포도당 대사와 같은 생체 내에서 중요한 작용을 깊게 이해하고 더 나아가서는 비정상적인 대사를 밝히는데 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 기초분야의 성과를 활용하는 응용학문인 축산분야에서도 이러한 접근방법과 연구 결과는 시사하는 바가 있을 것이다.
많은 홀몬, 성장인자 및 신경 전달물질들은 각각에 대한 세포막의 수용체와 결합하여 Phospholipase C (PLC)를 활성화시키므로서 신호를 세포내로 전달하여 세포의 성장, 대사, 신경 흥분, 수축 및 분비 등의 생리 현상을 나타내고 있다. 이 신호 전달의 중심 효소인 PLC는 현재까지의 효소 분리, 유전자 클로닝 등의 방법으로 3가지 Class에 적어도 8종유의 등위효소(Isozyme)들이 존재하고 있는 것으로 밝혀지고 있다. 본 연구에서는 이와 같은 등위효소에 특이적인 조절 물질을 선별할 수 있는 체계를 확립하기 위하여 새로운 동위효소의 분리 및 규명과 이 동위효소들에 대한 과발현 및 발현 세포주 개발을 추진하고 있다.
Protein tyrosine kinases는 표적단백질의 tyrosine 잔기를 인산화하는 효소로서 다양한 종류의 성장인자, peptide 호르몬, cytokine 수용체 하위의 세포 내 신호전달에 관여한다. Non-receptor tyrosine kinase의 일종인 c-Src는 세포막에서 발생한 ligand-receptor 상호작용 하위의 신호전달에서 중요한 역할을 하며 C-terminal Src kinase (Csk)는 Src kinase의 C-terminal tyrosine 잔기를 인산화시켜 Src kinase의 활성을 저해한다. 이러한 Src-Csk loop를 통한 세포 내 신호전달과정은 세포의 증식과 분화, 사멸 조절에 중요한 기능을 갖지만 정소의 발생과 분화 과정에서 Src-Csk loop의 발현 및 정자형성 과정에서의 기능은 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 생쥐 정소에서 출생 후 성적 성숙과정에서 Csk의 발현과 Src kinase 활성의 변동을 조사하였다. Csk mRNA 발현은 생 후 2주령 이하의 미성숙 정소에서 다량으로 발현되었고 사춘기 정소 이후에는 오히려 감소하였다. Csk 단백질의 발현 양상은 mRNA 발현양상과 일치하였다. c-Src kinase 활성은 생 후 2주에 급격히 증가하고 이 후 4주령에서 감소하다가 성체 (8주령)에서 다시 증가하여 가장 높았다. 성체 조직의 Csk 단백질 현존량이 미성숙 개체보다 적은 반면 Src kinase 활성은 가장 높아 Csk 발현의 감소는 Src kinase 활성을 증가하는 것으로 사료된다. 면역조직화학방법으로 정소 조직 내 Csk의 발현양상을 조사한 결과 Leydig cell, Sertoli cell, germ cell 등 도처에서 발현되었으며 Sertoli cell 에서의 발현은 세정관 상피의 구성에 따른 차이가 확인되었다. 성체의 세정관 내에서는 감수분열 이후의 정세포(spermatid)를 감싸고 있는 Sertoli cell의 강소측에서 강한 Csk 활성이 검출되어 생식세포의 분화과정 동안 세정관 상피의 조직재구성에 관여하는 것으로 사료된다. Leydig cell에서의 발현은 생후 1주령까지는 미미하였으나 이후 2주령 이후에는 다량으로 발현함이 확인되어 adult type Leydig cell에서 진행되는 steroidogenesis와의 관련성을 추측할 수 있다. 미성숙 정소로부터 분리한 Sertoli cell-enriched culture에 200 nM testosterone을 처리하였을 때 Csk mRNA의 발현의 증가를 확인할 수 있었으므로 androgen에 의한 Sertoli cell의 분화과정에 Csk가 관여하고 있음을 알 수 있다. 결론적으로 성적 성숙에 따른 생쥐 정소 내 Src-Csk loop의 발현과 Src kinase 활성의 변동은 정소 내 간충조직, 세정관 상피의 증식 및 기능적 분화 과정을 매개하는 생리적 활성분자 수용체 하위의 신호전달 과정에 Src-Csk loop에 의한 조절가능성을 확인할 수 있었다.
세포 내에서 일어나는 단백질 신호 전달 과정은 단백질간의 상호작용을 통해 수행되고 조절된다. Yeast 상호작용 정보와 녹색형광단백질(GFP)을 이용하여 밝혀진 약 5,000여 개의 Yeast 단백질 위치정보를 이용하여 가중치를 부여하고 신호 전달경로 추출 및 예측을 위한 고성능 LocSPF 알고리즘을 최초로 제안하였다. 가중치 알고리즘에 의해 산출된 결과 중 의미 상관도가 높은 것을 채택한 후 KEGG에서 제공하는 신호전달 경로와 같은 신호전달 경로를 추출하는지 유사도 비교를 하였다. 한편 더 나아가 아직 실험을 통해 밝혀지지 않은 단백질 신호전달 경로를 예측하여 결과를 제시함으로써 본 연구를 통해서 알려지지 않은 새로운 신호전달 경로를 발견하거나 이전 경로에 참여하지 않은 단백질들을 발견할 수 있는 가능성을 제시 하였다.
단백질과 단백질의 상호작용은 최근 각광받고 있는 분야이다. 효모를 이용해 two-hybrid system의 실험으로 밝혀진 약 5,000여 개의 이스트 단백질의 위치정보를 이용하여 가중치를 부여고 단백질 신호 전달 경로 추출을 위한 LSPF 알고리즘을 최초로 제안 하였다. 세포 내 단백질 위치정보를 기반으로 제안한 LSPF 알고리즘에 의해 산출된 결과 중 의미적 상관도가 높은 것을 채택한 후 KEGG에서 제공하는 신호전달 경로와 같은 신호전달 경로를 추출하는지 비교분석 하였다. 최초로 제안된 단백질 위치정보를 이용한 신호전달 경로 찾기 연구가 발전되면 다양한 유전적 질병의 원인을 파악할 수 있고 치료제 개발에 단서를 얻을 수 있는 초석이 될 수 있다.
한국생물정보시스템생물학회 2004년도 The 3rd Annual Conference for The Korean Society for Bioinformatics Association of Asian Societies for Bioinformatics 2004 Symposium
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pp.64-73
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2004
세포 내에서 일어나는 신호 전달 과정은 단백질간의 상호작용을 통해 수행되고 조절된다. 단백질 상호작용 데이터를 활용하여 수행된 연구로는 단백질의 기능을 유추하거나 전체 네트워크 중 다른 지역보다 더 조밀한 상호작용을 추출하여 complex 혹은 pathway를 발견하고 진화 과정을 이해하는 바탕이 되고 있다. 본 연구에서는 신호 전달 경로에 대한 사전 정보 없이 yeast 상호작용 정보와 녹색형광단백질(GFP)을 이용하여 밝혀진 4000여 개의 yeast 단백질 위치 분포 data를 이용하여 신호전달경로를 찾는 방법을 시도했다. 기존 연구에 의해 밝혀진 yeast 내의 단백질 위치 분포 결과를 보면 21개의 category에 대해 각 단백질 상호작용 분포가 다양하게 나타나고, 특정 위치에서 상호작용 빈도수가 현저히 크다는 것을 알 수 있다. 특히 두 단백질이 같은 장소에 있을 경우 상호작용 확률이 높으며, 세포 내 소기관 사이에도 상호작용의 정도가 다양함이 알려져 있다. 따라서 이러한 분포상의 특성을 고려하여 상호작용을 기반으로 하여 세포막 단백질을 출발점으로, 핵에 있는 단백질을 도착점으로 잡고, 그 사이에 존재하는 다양한 가능 경로 중에서 단백질의 위치 정보를 가중치로 사용하여 그 중 최대 가능 경로를 찾도록 구현하였다. 이와 같은 pathway 모델링은 기존에 밝혀진 pathway와의 비교를 통해 알려지지 않은 새로운 경로를 발견하고, 이전에 경로에 참여하지 않은 단백질들을 발견할 수 있고, 이미 알려진 단백질들의 새로운 기능들에 대해서도 추론할 수 있을 것이라 기대한다.
생쥐 착상전 초기배아에서 insulin과 tumor necrosis factor $\alpha$ (TNF$\alpha$)에 의한 배아의 형태 발생, 세포증식, apoptosis 및 MAPK활성의 변화를 조사하였다. Insulin에 의해 형태발생 및 포배당 세포수가 증가되었으며 TNF $\alpha$ 처리시 유의하게 감소하였다. TNT$\alpha$ 전처리시 insulin에 의한 발생 및 세포수 증가 촉진효과가 상쇄되었으며 TNF$\alpha$는 배아내 caspase-3의 활성을 증가시켰다. Insulin은 단시간내에 포배에서 mitogen activated protein kinase (MAPK or Erk1/2)의 활성을 증가시켰다. TNF$\alpha$는 포배내 MAPK의 활성을 감소시켰다. Insulin 처리 전 TNF $\alpha$를 전처리한 경우 insulin에 의한 MAPK 활성의 증가가 상쇄되었다. 배발생을 촉진하는 인슐린 신호전달 과정은 MAPK cascade를 경유하며 TNF $\alpha$를 경유한 신호전달과 Crosstalk이 존재하는 것으로 사료된다.
본 연구는 Leydig 세포주와 Sertoli 세포주상에 bisphenol A(BPA)와 diethylstilbestrol(DES)의 영향을 알아보고자 수행하였다. 세포 종류에 따른 BPA의 영향을 알아보기 위해, BPA의 농도별로 두 세포주에 처리하여 세포생존율을 비교하였다. Sertoli 세포주가 Leydig 세포주에 비해서 저농도의 BPA에서 생존율이 유의하게 감소되는 것을 확인할 수 있어, Sertoli 세포가 Leydig 세포주에 비해 BPA에 더욱 민감한 것을 알 수 있었다. 또한 BPA나 DES를 처리했을 때 세포 내 분화 및 사멸 신호 전달에 관여하는 phospholipase D(PLD)의 활성이 현저하게 저하되는 것을 확인하였다. 역전사효소 연쇄 반응을 이용하여 세포막상의 세포자연사 신호전달자인 fas 와 fas ligand의 mRNA 발현을 확인해 본 결과, BPA의 처리에 의해 fas ligand의 발현이 다른 실험군에 비해 유의하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과들을 정리해 볼 때, 내분비계 교란물질인 BPA는 Sertoli 세포 내 fas/fasL 신호전달계를 자극하여 PLD 활성을 저하시킴으로서, Sertoli 세포 내 세포자연사를 유발시키는 것으로 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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