FRET 유전자 인코딩 바이오센싱 통한 줄기세포 접착 신호전달 과정 규명

줄기세포가 주변 환경에 정착하기 위해 접착되는 초기과정이 실시간 고해상도 이미지로 밝혀졌다.

줄기세포 이식의 성공률 및 효율성을 높이는데 유용한 정보를 제공, 암세포 전이 제어약물 개발 활용이 기대된다.

김태진 교수(부산대) 연구팀이 줄기세포에 바이오센서를 주입해 촬영, 세포 접착될 때의 신호전달 과정을 규명했다고 한국연구재단이 10일 밝혔다.

줄기세포 이식의 생존은 정상적인 주변 조직과 기능적 통합 과정과 밀접한 연관이 있다. 줄기세포가 주변 조직에 붙어서 기능이 통합돼야 세포이식이 성공적으로 이루어지고, 암세포는 주변 조직에 붙으면서 전이된다.

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

연구팀은 줄기세포의 세포막에서 바이오센서가 발현되도록 설계, 실시간 시각적으로 연구할 수 있는 기술적 토대를 마련했다. 바이오센서는 형광공명에너지전이 기술로 세포접착 과정의 주요 신호물질인 국소접착인산화효소와 칼슘이온을 탐지하고 이미지로 보여준다.

형광공명에너지전이(FRET) 기반의 유전자 인코딩 바이오센싱 기술은 단백질의 상호작용이나 생체내의 다양한 신호물질의 활성 및 행동을 고감도, 고해상도로 탐지해 다양한 분야에서 접목이 가능하다.

 

연구팀은 세포접착과정에 주요 신호물질인 국소접착인산화효소와 칼슘이온을 타겟팅하는 형광공명에너지전이 기반의 바이오센서를 제작하고 이들이 세포막의 마이크로 도메인에 선택적으로 위치하도록 펩타이드 서열을 주입하고 특성화했다. 즉 제작된 바이오센서는 각기 서로 다른 세포막에 자리 잡고 국소접착인산화효소와 칼슘신호를 탐지하게 된다.

상기의 유전자코딩 바이오센서는 형광공명에너지전이를 통해 신호의 차이를 나타내도록 설계돼 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 구성했다. 그리고 이들 환경에 따라 국소접착인산화효소와 칼슘신호변화를 시공간적인 해상력을 갖춘 이미지로 촬영 분석했다.

줄기세포의 배양 과정을 촬영한 결과, 세포막에서 국소접착인산화효소와 칼슘이온의 상호작용이 확인됐다. 두 신호물질은 특정 위치에 동시에 활성화됐고, 국소접착인산화효소에 의해 칼슘이온의 활성이 조절된다는 것이 규명됐다.

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 발견, 기질의 인터그린-국소접착단백질 복합체 및 TRPM7 채널이 초기세포접착과정의 두 신호 조절에 관여함을 최초로 밝혔다.

김태진 교수는 “줄기세포의 초기 접착과정에서 국소접착인산화효소와 칼슘의 상호작용을 밝힌 연구로, 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.

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

* 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)