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한빛사논문

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이한기
이한기Han-Ki Lee

KAIST

Science, Vol. 328. no. 5979, pp. 760 - 763 | DOI: 10.1126/science.1187722 Dynamic Ca2+-Dependent Stimulation of Vesicle Fusion by Membrane-Anchored Synaptotagmin 1

Abstract

Han-Ki Lee,1,* Yoosoo Yang,3,* Zengliu Su,4,* Changbong Hyeon,5 Tae-Sun Lee,1 Hong-Won Lee,1 Dae-Hyuk Kweon,3 Yeon-Kyun Shin,4,6,† Tae-Young Yoon1,2, †

In neurons, synaptotagmin 1 (Syt1) is thought to mediate the fusion of synaptic vesicles with the plasma membrane when presynaptic Ca2+ levels rise. However, in vitro reconstitution experiments have failed to recapitulate key characteristics of Ca2+-triggered membrane fusion. Using an in vitro single-vesicle fusion assay, we found that membrane-anchored Syt1 enhanced Ca2+ sensitivity and fusion speed. This stimulatory activity of membrane-anchored Syt1 dropped as the Ca2+ level rose beyond physiological levels. Thus, Syt1 requires the membrane anchor to stimulate vesicle fusion at physiological Ca2+ levels and may function as a dynamic presynaptic Ca2+ sensor to control the probability of neurotransmitter release.

1 Department of Physics, KAIST, Daejeon 305-701, South Korea.
2 Institute for the BioCentury, KAIST, Daejeon 305-701, South Korea.
3 Department of Genetic Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, Gyeonggi-do 4400-746, South Korea.
4 Department of Biochemistry, Biophysics, and Molecular Biology, Iowa State University, 4152 Molecular Biology Building, Ames, IA 50011, USA.
5 School of Computational Sciences, Korea Institute for Advanced Study, Seoul 130-722, South Korea.
6 Division of Integrative Biosciences and Biotechnology, POSTECH, Pohang 790-784, South Korea.

* These authors contributed equally to this work.

† To whom correspondence should be addressed.

논문정보

관련 인터뷰

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 신경세포에서의 신호전달은 신경세포외의 칼슘이온이 세포내로 유입되면 신경세포 말단에 존재하는 신경신호전달물질을 함유하고 있는 synaptic vesicle이 신경세포 말단과 융합하면서 이루어지고 (이 과정을 synaptic vesicle fusion이라고 함), 그 속도는 수밀리초에 이를 정도로 매우 빠르게 발생하고 있습니다. 이러한 synaptic vesicle fusion은 많은 단백질들에 의해 정교하게 조절되고 있는 것으로 알려져 있습니다. Synaptic vesicle fusion에서 현재 활발히 연구가 이루어지고 있는 단백질들은 SNARE proteins가 있으며 저희 논문에서 다루고 있는 synaptotagmin 1이 있습니다. 이 단백질들중 synaptotagmin 1은 칼슘이온센서로 알려져 있기 때문에 더욱 중요성이 대두되고 있습니다. 그러나 이러한 중요성에도 불구하고 기존의 방법을 이용한 in vitro assay를 통하여 synaptotagmin 1의 기능을 규명한 많은 논문들의 경우 synaptotagmin 1이 막단백질이지만 실험적인 한계때문에 soluble 상태의 synaptotagmin 1을 이용하거나, 실제 신경세포내에서 발생하는 synaptic vesicle fusion을 일으키는 칼슘이온농도보다 매우 높은 농도에서 fusion이 유도된다고 보고하고 있었습니다. 일부 연구그룹에서는 막단백질상태의 synaptotagmin 1을 이용하였지만 오히려 칼슘이온이 존재하는 조건에서 synaptotagmin 1에 의한 fusion이 저해되는 연구결과를 보고했습니다. 이와 같은 연구 결과는 실제 신경세포에서 발생하는 synaptic vesicle fusion을 설명하기에는 부족한 부분이었습니다. 본 연구그룹은 위와 같은 문제를 해결하기 위해서 기존 in vitro assay 방법과는 차별화된 single vesicle fusion 기법 (그림 참조)을 이용하였으며, 막단백질 상태의 synaptotagmin 1을 이용했습니다. 그 결과, 본 논문을 통해 synaptotagmin 1이 단순히 칼슘농도에 의존하여 fusion을 유도하는 것이 아니라 특정 칼슘이온농도에서는 fusion을 유도하기도 하며 특정 칼슘이온 농도이상에서는 fusion을 저해하는 흥미로운 결과를 도출할 수 있었습니다. 그림. Single vesicle fusion 기법 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 저는 현재 KAIST 물리학과 및 자연과학 연구소에서 Post-Doc.으로 근무하고 있으며, 본 연구는 KAIST 물리학과 초미세 신경생물물리 연구실에서 진행되었습니다. 연구실의 Lab. Head는 윤태영 교수이시며, HHMI의 하택집 교수 연구실에서 Post-Doc.으로 연구를 했으며 2007년도에 KAIST에 임용되었습니다. 본 연구실은 신경세포 내에서 발생하는 synaptic vesicle fusion을 조절하는 막단백질의 기능을 전반사 현미경과 형광프렛 기법을 이용하여 단분자 수준에서 관찰하고 규명하는 연구를 진행되고 있으며 단분자 형광프렛 기법에 magnetic tweezer를 결합하여 막단백질의 dynamics를 추적하는 연구도 동시에 진행하고 있습니다. 3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 생물학인 전공이 저로서는 처음에 물리학과 생물학의 융합인 생물물리 분야에 도전하는 것이 쉽지는 않았습니다. 특히 물리학적인 접근을 통해서 생물학적인 현상을 규명한다라는 개념이 잘 이해가 되지 않았지만 시간이 지남에 따라 생물물리학적인 접근방법이 기존의 생물학적 현상을 좀 더 깊이있고 다양하게 이해할 수 있도록 도와준다는 것을 느꼈습니다. 또한 새로운 분야에서의 경험이 기존에 제가 가지고 있었던 생물학적인 선입견을 깰 수 있어서 조금 더 넓어진 시야로 연구를 진행할 수 있었습니다. 4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면? 생물물리 분야, 특히 생체고분자의 dynamics를 단분자 수준에서 관찰하고 규명하는 분야는 현재 가장 선도적인 분야이며 전세계적으로 학문간의 융합이 활발히 이루어지고 있는 트렌드에 비추어보아 발전 가능성이 매우 큰 분야입니다. 물론 선도적인 분야이기 때문에 해결해야 할 부분이 많고 큰 위험이 따르지만 그만큼 혁신적이고 새로운 결과물이 나올 수 있는 분야이기 때문에 이 분야에 도전하고자 하는 분들에게 연구업적에 있어서 터닝포인트가 될 수 있는 기회를 제공할 수 있을 것이라 믿습니다. 5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면? Single vesicle fusion 기법은 기본적으로 막단백질의 기능을 효과적으로 관찰하고 규명할 수 있는 방법입니다. 일반적으로 막단백질의 연구는 막단백질이 가지고 있는 고유한 특성때문에 연구가 어려운 점이 있었지만 본 기법은 이러한 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 장점이 있습니다. 막단백질은 최근 질병치료를 위한 치료제 개발에 있어 타깃물질로 각광을 받고 있고 세포간의 통신에 있어서도 외부환경과 가장 처음에 접촉이 일어나는 생체고분자입니다. 따라서 막단백질을 타깃으로 하는 신약 개발을 위한 high throughput개념의 스크리닝 시스템 및 세포간의 통신을 생체밖에서 모사하는 in vitro cell-cell signaling 기법을 개발하고자 합니다. 6. 다른 하시고 싶은 이야기들.... 본 연구를 시작하고 마무리를 잘할수 있도록 제 옆에서 묵묵히 힘이 되어준 제 아내에게 감사하다라는 말을 전하고 싶습니다. 그리고 제 딸 다인이에게도 고맙다라는 말을 하고 싶습니다. 최근 국내에서 이공계 기피현상이 심각하고 해외로 국내 실력파 과학자들이 외국으로 빠져나가고 있는 현실이 국내에서 연구에 전념하고 있는 수많은 국내 과학자들이나 예비과학자들에 실망감을 주고 있는 것 같습니다. 최근 국가차원에서 바이오 분야의 사기진작을 위하여 많은 투자를 하고 있지만 현장에서는 아직도 부족한 점이 많은 것 같습니다. 보다 적극적이고 많은 투자를 부탁드리겠습니다.
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관련 보도자료

세포내 신경전달물질 통제하는 `스위치` 밝혀내...현창봉 고등과학원 교수
  • 한국경제
  • 2010. 05. 12
신경세포의 통신을 제어하는 생체막 단백질 시냅토태그민1 기능 규명 <카이스트 윤태영 교수> 국내 연구진이 생체막 단백질인 시냅토태그민1(Synaptotagmin1)이 신경세포 통신을 능동적으로 제어한다는 사실을 규명하였다. 시냅토태그민1은 신경전달물질 분출을 조절하는 양대 핵심 단백질로서, 지금까지 학계는 단순히 칼슘 이온이 유입되면 시냅토태크민1이 신경전달물질을 분출하는 것으로 추정해왔지만, 명확히 그 기능을 밝혀내지 못했다. 윤태영 교수(카이스트 물리학과)의 주도 하에, △이한기 박사 △신연균 교수(포항공대, 아이오와 주립대) △권대혁 교수(성균관대) △현창봉 교수 (고등과학원) 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘기초연구실육성사업(BRL)'과 ‘세계 수준의 연구중심대학(WCU)육성사업’의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 ‘사이언스(Science)’誌 5월 7일자에 게재된다. 이번 연구결과는 젊은 국내 토종박사들이 주축이 되어 불굴의 도전정신으로 일궈낸 값진 연구성과이다. 총 9명으로 구성된 연구팀에서 8명이 국내 연구자들로, 이중 7명이 만 40세를 넘지 않은 신진 연구자이다. 특히 연구를 주도한 윤태영 교수는 만 34세로 2004년 서울대에서, 이한기 박사는 만 33세로 명지대에서, 권대혁 교수는 만 38세로 서울대에서 박사학위를 받은 토종박사들이다. 또한 이번 연구성과는 정부의 대표적인 연구지원사업(BRL)과 인력 양성사업(WCU)의 지원을 받아 시너지 효과를 발휘하여, 세계 최고의 과학저널에 발표했다는 점에서 의의가 있다. 윤태영 교수 연구팀은 시냅토태그민1이 신경세포 통신의 강약을 자유자재로 제어하는 스위치 역할을 한다는 새로운 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 신경세포 내에 적정농도(10μmol/L, 1리터당 10마이크로 몰)의 칼슘 이온이 유입되면 시냅토태그민1은 신경전달물질을 빠르게 분출하지만, 적정농도 이상의 칼슘이 유입되면 오히려 그 기능이 감소된다는 사실을 최초로 확인하였다. 이것은 시냅토태그민1이 신경세포에서 나오는 칼슘 농도에 따라 다양하게 반응한다는 사실을 의미하는 것으로, 시냅토태그민1이 신경세포 통신의 강약을 자유자재로 제어할 수 있다는 사실을 새롭게 규명한 것이다. 윤태영 교수팀의 이번 연구는 지난 10년간 학계의 풀리지 않은 수수께끼인 시냅토태그민1의 기능에 대한 명쾌한 해답을 제시하였다. 이번 연구는 낮은 농도의 칼슘에서 시냅토태그민1이 가장 활발히 활동한다는 사실을 발견하여, 기존 연구가 밝히지 못한 시냅토태그민1의 기능을 정확히 설명하였다. 특히 연구팀은 시냅토태그민1을 생체막으로부터 분리하면, 제어 스위치 기능이 상실된다는 사실도 확인하여, 시냅토태그민1의 생체막 부착 여부가 그 기능에 핵심인 것을 밝혀냈다. 또한 윤 교수팀은 차세대 신약개발의 주요 타깃인 생체막 단백질의 기능을 분자수준에서 관찰할 수 있는 신기술을 개발하는데 성공하였다. 생체막 단백질은 물질 수송 등 세포내 필수적인 역할을 하는데, 암, 당뇨, 비만 등 각종 질병과 밀접하게 관련되어 있어, 차세대 신약개발 표적 단백질의 최대 70%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 연구팀은 ‘단소포체 형광 기법(single-vesicle fluorescence detection)’을 개발하는데 성공하여, 생체막 단백질의 기능을 단분자 혹은 수개 분자 수준에서 관찰할 수 있는 세계 최고 수준의 기술을 보유하게 되었다. 윤태영 교수는 “이번 연구결과는 지난 10년간 학계가 밝혀내지 못한 시냅토태그민1의 기능을 명쾌히 밝혀내 복잡한 생체막 단백질의 기능을 분자수준에서 관찰할 수 있는 신기술을 개발한 것이다. 이번 연구로 생체막 단백질을 활용하여, 암, 당뇨, 비만 등 현대인의 질병에 대한 신약을 개발할 수 있는 가능성을 열었다“라고 연구 의의를 밝혔다. 1. 신경전달물질 분출에 있어서 시냅토태그민1의 동적제어 스위치 모델 신경세포 내에 적정농도의 칼슘이온이 유입될 경우, 시냅토태그민1은 또 다른 생체막 단백질인 스네어 단백질과 협동하여 신경소포체(풍선모양)로부터의 신경전달물질 분출을 촉진시킨다(왼쪽 패널). 그러나 고농도의 칼슘이온이 유입될 경우, 시냅토태그민1은 신경소포체 쪽으로 편향되게 되어 그 촉진 기능이 오히려 사라지게 된다(오른쪽 패널). 따라서 시냅토태그민1은 칼슘 이온에 대해 다양하게 반응하는 ‘신경전달물질 분출의 동적제어 스위치’로 작용한다. 2. 단소포체 형광 기법 직경 50 nm의 소포체들에 다양한 생체막 단백질을 전달한 후, 이들 소포체 간의 상호작용을 소포체 생체막이나 단백질에 부착된 형광염료 신호를 이용하여 측정하게 된다. 현재 본 카이스트 연구실은 세 개의 생체막 단백질이 동시에 상호작용할 수 있는 것을 관찰․분석할 수 있으며, 이는 현재 세계에서 가장 앞선 수준이다.
  • Bio통신원
  • 2010. 05. 07
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