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Bio리포트 학회참관기
BPS (Biophysical Society Annual Meeting) 2016 참석 후기
김태형(UCLA)
목차
I. 주요 발표 내용
1. 2월 27일 주요 내용
• Mechanobiology Subgroup
2. 2월 28일 주요 내용
• Platform: Cell Mechanics, Mechanosensing, and Motility
• Symposium: Signaling Complexes and Dynamics
3. 2월 29일 주요 내용
• Symposium: Future of Biophysics
• Symposium: Expanding Horizons in Biophysics and Medical Physics
• National Lecture: David E. Shaw
4. 3월 1일 주요 내용
• Symposium: Emerging Techniques for Study of Cell Mechanics
II. 총평
Ⅰ. 주요 발표 내용
1. 2월 27일 주요 내용
• Mechanobiology Subgroup
싱가폴국립대학 (NUS) 소속인 Ronen Zaidel-Bar 교수는 contractome에 관심을 갖고 연구 중이다. 첫 번째로 C. elegans의 spermatheca에서의 actomyosin contractility를 모델로 실험한 결과를 설명하였다. Oocyte가 spermatheca로 들어가고 그곳에서 sperm과 만나 수정이 이뤄지면 embryo가 uterus로 다시 이동하는데, 이 과정에서 actomysoin contractility가 중요한 역할을 수행한다. 특히 SPV-1이라는 membrane protein에 초점을 맞춰 연구를 진행했고, 이 SPV-1은 F-Bar domain을 통해 Rho1의 조절을 받는다는 것을 밝혀냈다. 이 연구는 asthma에 적용될 수 있을 것이다. 두 번째로 early embryogenesis에서 cytokinesis를 연구하였는데, F-actin (cortical actin)을 중심으로 살펴보았다. 특히나 plastin (actin bundler)의 역할을 조사하였는데, (C. elegans에서는 PLST-1.), PLST-1(tm4255) mutation이 있는 경우 delayed cytokinesis가 관찰되었다. CRISPR/Cas9을 이용하여 PLST-1에 GFP tagging 하여 관찰해 보면, smaller myosin II foci가 관찰된다. 하지만 actin과 myosinII의 expression level에는 변화가 없었다. 따라서 actin structure 차이에 의한 것임을 알 수 있었다. 또한 PLST-1(tm4255) mutant에서는 low cortical flow와 localized contractility가 관찰되었는데, 따라서 Plastin은 C. elegans의 cortex에서 major actin bundler 임을 밝혀냈다.
호주의 The University of Queensland 소속인 Alpha Yap 교수는 Zonula adherens에 관심을 갖고 연구하고 있다. Epithelial monolayer에서 junctional tension을 모델로 연구하고 있는데, Myosin IIA와 IIB가 co-localized 됨을 확인했다. 그가 던지는 질문들은 다음과 같다: “tension” 이 세포들간 communication 방식 중 하나일 수 있을까? 만약 그렇다면, force change에 의해 biological outcomes이 관찰 될 것이다. 그리고 만약 그렇다면, 그 목적이 무엇일까? 세포들은 왜 tension을 communication에 활용할까? 그리고 마지막으로, 만약 그렇다면 그러한 일을 수행하는 molecular apparatus는 무엇일까? 이러한 질문들에 답하기 위하여 ‘세포 하나가 apoptosis로 죽는다면, 주변 세포들에는 어떤 변화를 끼치는가?’, ‘남은 세포들은 어떻게 기존의 tension을 유지할 것인가?’ 에 대한 연구를 수행하였다. Apoptosis로 세포 하나가 죽으면, immediate neighbor cell과 broad region의 cell 모두 저러한 homeostasis 유지에 관여한다. 어떠한 signal transduction pathway가 관여하는지 조사해본 결과 E-Cad-Src가 그 역할을 수행함을 알 수 있었다. Junction area에서 active 한 Src를 관찰 할 수 있었고, Src activation에 RPTPa와 Myosin IIB가 관여함을 밝혀냈다. 즉, E-Cad – RPTPa – Src – Rap1 – Myosin IIB을 제시함. 나아가 Src를 PP2로 inhibition 시키면 apoptosis가 일어났다는 신호가 주변 세포들로 전달되지 않음을 관찰하였다. 즉, Src가 신호를 주위 세포로 전달하는 역할 수행한다는 것을 알 수 있다. 그리고 Myosin poison인 Bleb을 처리하면, tension이 줄어들고, Active Src가 증가함을 관찰하였다. 마찬가지로, active tension을 제거하면 (Laser를 이용하거나, Myosin IIA, IIB knock-down을 시켜서), Src signaling이 induce되고, 이 과정에 RPTPa가 관여함을 밝혔다. 종합해보면, contractility가 사라지면 감소한 junctional tension이 주위로 퍼져나가고, 이는 Src signaling을 activation 시키고, 이를 통해 cellular rearrangement를 해서 homeostasis를 유지한다는 것을 알 수 있었다.
University of California Irvine의 Michelle Digman 교수는 이미징 테크닉을 이용하여 단백질의 spatial and temporal dynamics에 대해 연구를 하고 있다. 이번에 발표한 내용은 이미 알려진대로 DNA에 결합한 p53은 tetramer를 형성하는데, imaging technique을 이용하여 이를 관찰한 것이었다. 실시간 imaging을 통해 p53의 localization과 concentration을 시간대별로 관찰한 결과, 보통 10~20초간 DNA에 붙어있음을 알 수 있었다. 나아가 metabolism에서의 p53역할이 점점 중요해지고 있다는 점에 착안하여 metabolites들에도 관심을 갖게 되었다. p53은 glycolysis를 억제시킨다고 알려져 있는데, 이때 NADH의 역할도 중요하다. 그래서 FLIM을 이용하여 free NADH를 측정할 수 있었다.
The University of New Mexico의 Diane Lidke 교수는 Single molecule imaging technique을 이용하여 Mast cell의 FceRI receptor를 연구하고 있다. Mast cell은 allergic reaction에서 중요한 역할을 수행한다. 그 중 FcεRI는 αβγγ receptor로 구성되어 있다고 알려져 있다. IgE에 quantum dot을 붙혀서 FcεRI에 결합시키고 imaging하는 기술을 확립하였는데, 이를 이용하여 receptor의 diffusion을 관찰 할 수 있었고, actin에 의해 receptor의 위치가 제한됨을 발견할 수 있었다. Actin은 또한 crosslinker에 의한 receptor immobilization에도 관여한다는 것을 알 수 있었다. 한편, Receptor component (αβγγ) 별로 color tagging을 할 수 있는 imaging 테크닉을 확립하였는데, 이를 통해 α와 γ에 각각 IgE와 FAP를 tagging 시킨 후 imaging 하였다. 그 결과, receptor activation/signaling 동안 FcεRI는 intact함을 관찰 할 수 있었다. (ACS Chem. Biol. 2015, Schwartz et al.)
나아가 receptor signaling을 연구하기 위해 single molecule (imaging) technique을 이용하였다. Syk-mNG, FceRI-IgE로 각각 tagging 하여 관찰한 결과, antigen 농도가 증가하면 receptor aggregate가 더 커진다는 것을 알 수 있었다.
University of Pennsylvania의 Dennis Discher 교수는 cell 이 narrow pore를 지나갈 때 DNA break가 생긴다는 매우 흥미로운 연구결과를 발표하였다. Stiffer cell은 Lamin 발현량이 더 높은데, Lamin A를 knock-down 시키면 cell이 softer 해지고, 이는 in vivo에서 더 많은 tumor를 발생시킨다. 하지만 KD을 너무 심하게 시키면 (즉, Lamin 단백질 양이 너무 적으면) cell death가 일어난다. Micropipette aspiration 실험을 통해 세포가 지름 3um 가량의 constricted pore를 통과할 때, DNA breaks 수가 증가함을 관찰했는데, Lamin을 knock-down 시키면 더 많은 DNA breaks가 관찰되었다. (반면에, 8um가량 큰 pore를 통과한 세포에서는 break가 관찰되지 않았다). 처음에는 cell에 가해진 tension이 저러한 chromosomal break를 유발했다는 가설을 세웠으나 아니었다. 즉, 이러한 break는 mechanically 발생한 것이 아니었는데, 그럼 누가 어떻게 DNA를 잘랐나? 이 문제를 해결하기 위해 노력하던 중, DNA repair factor가 squeezing cell의 뒷부분에 위치한다는 것을 발견하였다. Chromatin fraction에 있는 protein들은 DNA와 함께 이동했지만, DNA repair factor를 포함한 liquid factor (unbound protein)들은 모두 뒤쪽으로 밀려나는 것이었다. 이렇게 DNA repair factor가 부족한 부분에서는 DNA break가 일어나도 repair가 안될 것이다. 이러한 현상은 pore size와도 직접적으로 연관되어 있었는데, 작은 pore일수록 DNA damage가 더 컸고, 넓은 pore를 통과하면 damage가 없었다. 따라서 matrix가 pore size를 결정하므로, matrix에 따라 mutation 정도가 달라진다는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 실험 결과를 토대로, 최초로 기존의 published data를 가지고 tissue의 softness에 따른 cancer의 mutation 정도를 meta-analysis 해보았다. 그 결과 놀랍게도 soft tissue (low matrix) 쪽에서는 mutation이 적었지만, stiff tissue (high matrix)에서는 보다 많은 mutation이 발견됨을 알 수 있었다. 나아가 Lamin 발현량과도 상관관계가 발견되었다. 이러한 분석 결과는 cancer heterogeniety가 clonal selection의 결과가 아니라 cancer cell이 squeezing 하면서 생긴 chromosomal break 때문일 수 있음을 제시한다. 또한, invasion이 일어나면 추가적인 mutation이 유발되고, 이는 곧 gene expression profile에도 변화를 줄 것이라 보여진다.
University of California, San Francisco의 Valerie Weaaver 교수가 관심을 갖고 있는 문제는 ‘정상세포가 invasive tumor 세포로 되는 과정에서, 세포가 겪게 되는 force들은 어떤 것이 있나?’이다. 따라서 in vivo에서 정확하게 어떤 일이 벌어지는가 알아보고자 하였다. Collagen이나 matrix stiffness를 통해 전달되는 mechano signaling과 oncogenic signaling을 모델로 이용하였는데, Lox를 inhibition 시키면 in vivo에서 metastasis가 줄어듦을 볼 수 있었다. Inflammation이나 hypoxia가 있을 때 ECM이 Hif1a를 조절한다는 것은 이미 알려져 있다. In vivo 실험 결과, Hif1-/- mouse에서는 metastasis가 감소하고, 유방암 세포의 xenograft 모델에서 stiff ECM에서는 metastasis 증가함을 알 수 있었다. 또한 stiff ECM에서는 Hif1a mRNA가 증가하고, protein stabilized됨을 확인하였다. 나아가 integrin clustering에 의한 stiffness 증가를 관찰했는데, Her2 mouse와 integrin V737N mutant mouse를 교배시켰더니, mechanical signaling이 증가함을 알 수 있었다. 그리고 metastasis 역시 증가하였다. (그러나 tumor volume 자체에는 차이가 없음) 따라서, 적어도 breast cancer cell model에서 만큼은, tissue tension 이 directly 그리고 indirectly Hif1a에 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다. 다음으로, glioblastoma (GBM) 모델 이용하였다. GBM에서도 tumor grade가 높아질수록 matrix stiffness가 증가하였는데, 그로 인해 mechano signaling도 증가하였다 (pFAK, Myosin, MLC). 메커니즘으로는, TNC가 이를 조절한다는 것을 밝혔다. (Collagen 아니고, 혈관도 아니었음) TNC가 ECM stiffness를 증가시키고, aggressiveness를 drive함을 보여주었다. 마찬가지로 TNC KO 쥐의 survival time이 증가하였고, mesenchymal GBM에서는 TNC 레벨이 높았다. Mechanosensing이 Hif1을 증가시키고, 이것이 mesenchymal (aggressive) tumor로 가게 한다는 것을 확인할 수 있었다. IDH1 mutant에서는 mechanical signal이 낮고, TNC 레벨도 낮다 (TNC가 높으면 ECM stiffness도 높았다). 한편 WT IDH1에서는 Hif1 레벨이 높다. 따라서 다음과 같은 두 가지 factor가 작용하고 있음을 알 수 있다. Genotype (IDH1)과 Phenotype (ECM stiffness) -> Hif1 레벨 -> GBM aggressiveness 결정. 그렇다면, mutant IDH1 효과를 mechanosensing으로 극복할 수 있을까? miR203가 Hif1을 조절할 수 있다.
Eidgenössische Technische Hochschule(ETH) Zürich의 Viola Vogel 교수는 현재까지 이 분야에서 해결되지 않은 질문 중 하나인 ‘세포가 mechanical sensing을 gene expression으로 전달하는 과정에서 nuclear structure가 어떤 역할을 하는가’에 관해 연구를 하고 있다. 그녀는 이 과정에서 nuclear envelope이 중요한 역할을 할 것이라 생각한다. 그래서 핵막을 구성하는 주요 단백질 중 하나인 Lamin을 연구하였다. Lamin의 N- 혹은 C-terminal epitopes만 인식하는 항체를 이용하여 Lamin의 multimerization과 분포를 확인한 결과, nuclear membrane 전체에서 Lamin A, B, C가 관찰되지만, LaminA-C complex는 오직 apical region에서만 관찰되었다. 또한 substrate stiffness가 lamin의 분포에 영향을 끼친다는 것을 확인하였다. 따라서 이러한 lamin의 multimerization이 아마도 chromosome상에서 gene expression에 영향을 끼칠 수 있을 것이다. (Nat Mater. 2015 Dec;14(12):1252-61).
2. 2월 28일 주요 내용
• Platform: Cell Mechanics, Mechanosensing, and Motility
캐나다 McGill University의 Allen Ehrlicher 교수 그룹은 actin crosslinker인 alpha-actinin이 cytoskeleton의 stress에 끼치는 영향을 연구하고 있다. Actn4 gene의 생산물인 alpha-actinin-4는 cytoskeleton을 구성하는 major 단백질 중 하나이다. Actn4의 mutation (K255E)는 kidney disorder와 연관되어 있고, actin과의 binding affinity를 증가시킨다. 이로 인해 actin cytoskeleton의 relaxation이 3배 가량 느려진다. 나아가 세포가 갖는 traction 에너지는 5배 가량 증가하는데, single mutaion이 cytoskeleton의 tension에 커다란 영향을 끼치는 것이다. Myosin을 inhibition 시키기 위해 50uM의 Blebbistatin을 처리하고 traction microscopy를 이용하여 에너지 변화를 측정하였다. 그 결과, Actn4 K255E mutant에서는 정상 세포에 비해 traction 에너지가 소진되는 시간이 7배 가량 더 길었고, 반면에 elastic 에너지는 wild type보다 5배 가량 더 높았다. 다음으로 atomic force microscopy를 이용하여 세포의 stiffness를 측정한 결과, Actn4 K255E mutant가 1.5배 가량 더 stiff한 것을 확인하였다(주로 cortical region). 그렇다면 다음 질문으로 cytoplasm의 mechanics는 어떻게 변했는지 조사해 보았다. Optical tweezer를 이용하여 microrheology 방법으로 접근하였는데, wild type에서 myosin을 inhibition 시키면 cytoskeleton이 보다 fluid-like 됨을 알 수 있었다. 하지만 mutant에서는 그 변화가 크지 않았다. 즉, mutant 에서는 myosin을 inhibition 시켜도 mechanical tension (elasticity)이 유지된다는 것을 뜻한다. 결론적으로, actin crosslinker (alpha-actinin)의 single point mutation (K255E)이 actin과의 결합력을 증가 시키고, 이로 인해 보다 solid한 cytoskeleton을 유지하게 만든다는 것을 알 수 있었다. 하지만 myosin의 발현량에 의한 차이인지는 확인하지 않았다는 한계가 있었다.
University of California, Berkeley의 Mohammad Mofrad 교수 그룹은 nucleoplasm과 cytoplasm을 연결시켜주는 linkers(LINC와 NPC:nuclear pore complex)에 대해 연구하고 있다. LINC (Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton) complex는 KASH domain을 갖고 있는 Nesprins과 SUN domain을 갖고 있는 SUNs로 이뤄져 있다. Nesprin은 cytoplasm쪽의 cytoskeleton과 결합하고, SUN은 nucleus쪽의 lamin이나 chromatin과 결합함으로써 직접적인 physical connection을 형성하고 있다. LINC complex는 이미 mechanosensor로서의 역할이 publish 되었었고, SUN 단백질의 protomer와 trimer의 결정구조도 이미 밝혀져 있었다. 이러한 정보를 기반으로 cytoskeleton으로 부터 전해지는 tension에 대해 SUN-KASH complex가 어떻게 반응하는지 조사했다(특히, S-S bond의 역할에 초점을 맞춰서). 이를 위해, KASH-C563A mutant을 만들었고, KASH의 S-S bond가 cytoskeleton으로부터 tension (force)를 nucleus로 전달하는데 필요하다는 것을 보여주었다. (Biophys J. 2015 Aug 4;109(3):501-9.)
Case Western Reserve University의 Melissa L. Knothe Tate 교수는 live stem cell에 fluid drag force를 가하고, surface strain을 측정하는 기술을 개발하였다. 이 그룹의 연구는 development 혹은 wound healing 과정에서는 필연적으로 stem cell differentiation이 일어나고, 이러한 줄기세포의 분화에는 differentiation related genes뿐 아니라 mechanome도 중요한 역할을 한다는 가설에서 시작된다. Stem cell은 각기 다른 강도의 force (shear stress)에 노출되어 있다. 실험실에서 이러한 biophysical cue를 조절하기 위하여 cell seeding number (dense vs sparse)를 조절하는 방법을 이용하였고, 이를 통해 high density에서는 cell volume이 적어지고, 그에 따른 gene expression profile을 갖게 된다는 것을 발견하였다. 그리고 high density에서는 tubulin 양이 적어지고 actin 양에는 변함이 없다는 것도 발견하였다. 다음으로, adherent cell에서의 shear flow (stress)를 측정하기 위하여 Micro-particle image velocimetry를 시행하였다. 그리고 이를 통해 shear force가 stem cell differentiation과 correlation이 있음을 알 수 있었다. (PLoS One. 2012;7(9):e43601)
• Symposium: Signaling Complexes and Dynamics
University of Queensland의 Andrew Brooks 교수는 growth hormone receptor에서의 JAK2 activation 메커니즘에 대한 연구결과를 발표하였다. Growth factor (GF)가 growth factor receptor (GFR)에 결합하면 receptor homo- (혹은 hetro-) dimerization이 일어나고, 그 결과 autophosphorylation이 일어나서 downstream signaling이 전해진다는 것이 현재의 패러다임이다. 하지만 최근 연구 결과들은 receptor들이 ligand binding 이전에 이미 dimer를 형성하고 있다는 걸 보여주고 있어서 새로운 설명이 필요한 시점이다. FRET 기술을 이용하여 receptor들의 homodimerization을 살펴볼 수 있는데, 이 문제를 설명하기 위하여 GHR의 transmembrane region에 mutation을 유발하여 linker의 길이를 조절해 보았다. 또한 charged 아미노산 서열을 교체함으로써 (EED vs AAA), GHR의 구조에 따른 receptor dimerization 및 downstream signaling을 조사했고, 그 결과 linker 길이와 charged amino acid가 중요함을 알 수 있었다. 한편, JAK2는 SH2 domain을 통해 pseudokinase와 결합하고 있다가 이 pseudokinase가 떨어져 나가면 active 해진다. 마찬가지로 FRET 기술을 이용하여 JAK2의 activation을 조사했다. 결론적으로, GH이 GHR에 결합하면 GHR의 dimerization이 일어나고, linker 및 transmembrane domain 부분에 교차가 일어난다 (그림 참조). 이러한 crossing에 의해 pseudokinase가 떨어지게 되고, 그 결과 진짜 kinase에 노출됨으로써 phosphorylation이 일어나고 receptor activation이 완성된다는 새로운 패러다임을 제시할 수 있었다. (Science. 2014 May 16;344(6185):1249783., Biochem J. 2015 Feb 15;466(1):1-11)
3. 2월 29일 주요 내용
• Symposium: Future of Biophysics
University of Maryland, College Park의 Kimberly Stroka 교수는 biophysics 분야에서 떠오르는 junior faculties로서 Future of Biophysics라는 심포지엄에서 그녀의 다양한 연구결과를 발표하였다.
암세포와 그 주변환경과의 관계를 이해하는 것은 암 치료에 있어서 중요한 위치를 차지한다. 특히 metastasis가 전체 암환자 사망의 90%를 차지하므로, tumor microenvironment를 이해하는 것이 중요하다. 환자의 몸 안에는 microchannel이라 부를 수 있는 microenvironment가 존재한다. 이러한 환경을 in vitro상에서 재현할 수 있도록 3um – 50um 지름의 channel을 만들고 microfluidic approach를 이용하여 cell 이 지나갈 수 있게끔 하였다. 그 결과 channel의 confinement 정도에 따라 (지름의 길이) 세포의 morphology가 다름을 관찰할 수 있었다. 동시에 actomysoin의 역할이 크지 않음을 발견하였다. 그래서 Osmotic engine model 을 제시하게 되었는데, 이는 이동 중인 세포의 앞쪽에 있는 물에 존재하는 이온, water kinetics, viscous fluid(Cytoplasm), force balance of cortical layer 등을 반영한 모델이다. Actin polymerization이 막힌 상태에서는, 이온채널 (ion channels)을 조절함으로써 channel 내에서의 세포이동을 조절 할 수 있었다. 즉, 세포 앞쪽에 hypotonoic shock을 준다던가, 세포 뒤쪽에 hypertonic shock을 줄 수 있는데, 이는 암세포가 혈관에 들어가거나 (intravasation) 혈관에서 빠져나올 때 (extravasation) 겪을 수 있는 환경이다.
한편, neutrophils을 endothelial culture 위에 넣어주면 endothelial cell들에 영향을 주지 않는다. 하지만 tumor cells을 넣어주면 endothelium을 파괴함을 관찰할 수 있었다. Tumor cells들은 endothelium 속으로 파고들었는데, 이때 VE-cadherin을 파괴하는 것으로 밝혀졌다 (in vitro). Breast cancer가 brain으로 전이되는 모델을 이용하여 in vivo 에서 tumor cell이 어떻게 BBB.(blood-brain barrier)를 통과하는 알아보았다. BBB에는 여러 종류의 세포종류가 존재하고 있고, 이들은 tight junction으로 묶여있다. 암세포는 어떻게 이 barrier를 통과할 수 있을까? 이 질문에 대한 답을 찾기 위해 in vitro 상에서 BBB를 재현해 내는 것이 현재 목표이다. Tight junction 단백질인 ZO-1은 actin cytoskeleton과 결합한다는 것이 알려져 있다. 이처럼 BBB의 구조에 대한 더 많은 정보가 필요한 상태이다. Hydrogels이sub-endothelial stiffness range를 재현시킬 수 있을거라 기대된다. Softer matrices는 HBMEC monolayers 형성을 촉진한다고 알려져 있다. 또한 cAMP pathway를 activation 시키면 monolayer 형성이 더 잘 된다. 이는 곧 cAMP pathway가 tight junction에 중요한 역할을 한다는 것을 암시한다. 이러한 BBB microenvironment는 암세포의 이동에 어떠한 신호를 줄까? 이 질문에 대한 답을 찾기 위하여 astrocyte-conditioned media에서 breast cancer cell migration을 조사하였더니 migration speed에는 변화가 없으나 조금 덜 움직인다는 것을 발견하였다. (http://kimberlystroka.weebly.com/)
• Symposium: Expanding Horizons in Biophysics and Medical Physics
University of Wisconsin, Madison의 Robert Jeraj 교수는 medical physicist로서 molecular imaging과 tumor modeling 전문가이다. 그는 FLT-PET/CT를 이용하여 분열 중인 암세포만을 imaging 할 수 있다. 이 기술을 이용하면 drug response도 모니터링 할 수 있다. 예를 들어 anti-angiogenic한 drug을 test 할 수 있는데, 특히 오직 발생, 생리, 상처치료 과정에서만 활성화 되고 그 외에는 항상 정지돼 있다는 angiogenesis 특성상 암의 targeted therapy가 가능하다는 장점이 있다. Angiogenesis에는 VEGF가 주된 역할을 수행한다. 그러나 VEGFR (receptor)를 blocking 시키는 여러 약들이 소개되었으나, 별로 효과가 없었다. 새로운 약물 확보를 위해 모니터링 시스템이 필요한데, VEGFR TKI인 axitinib을 대상으로 실험을 수행했다. 약을 투여하는 기간 동안은 tumor size가 줄어들지만, 약물 투여를 중단하면 다시 커지고, 또 다시 약물을 투여하면 암 크기가 작아지는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 FLT-PET를 이용하면 cell proliferation 및 angiogenesis에 관여하는 약물의 pharmacodynamics를 관찰할 수 있다. 이는 또한 맞춤형 치료 (환자별 약물 투여 스케줄, 용량, 다른 약물과의 병용투여 결정 등)에도 이용될 수 있을 것이다. 한편, Monte Carlo modeling을 이용하여 tissue layer, cellular layer, molecular layer imaging data로부터 최대한 많은 정보를 추출해 내려는 시도를 해왔다. 이를 통해 tumor growth는 pO2에 민감하다는 것을 확인할 수 있었다 (즉, hypoxia의 중요성 확인). 종합적으로, molecular imaging 기술은 암 연구에 획기적인 기여를 하고 있다.
Dartmouth College의 Brian Pogue 교수는 Cherenkov radiation을 in vivo imaging에 적용하는 기술을 연구하고 있다. Imaging에 이용할 수 있는 빛의 파장으로 3가지 window를 들 수 있다 (X-ray, Optical/NIR, Magnetic resonance). 이 세 영역 중, 적합한 frequency range와 비용문제를 감안했을 때 Optical/NIR이 최적 영역이다. Molecular sensitivity도 100uM가 요구되는데, NIR 영역은 nM 수준에서 1mM까지 검출이 가능하다. 이를 이용하기 위한 새로운 기술로 Cherenkov emission을 이용하 imaging 기법을 개발하였다. 기존 이미지 기법은 laser로 빛을 tissue에 조사하면 깊이에 따라 손실을 입으며 일부가 목표 지점에 도달하고, 그 중 반사된 빛을 검출하여 image를 얻는 방식이라 background가 문제가 된다. 반면, Cherenkov light은 target depth에 바로 조사하고 signal을 검출하므로 sensitivity가 높고 background가 낮다는 장점이 있다. 현재 이 기술을 diagnostic tool로써 시험해보기 위한 clinical trial이 준비 중이고 이를 위한 grant가 DOD (Department of Defense)로부터 확보되었다. (Biomed Opt Express. 2015 Jul 28;6(8):3053-65)
Georgia Institute of Technology 대학의 Jennifer Curtis 교수는 pericellular matrix-modulated cell adhesion를 연구하고 있으며, 특히 hyaluronan (HA)라는 extracellular and cell-surface bound polysaccharide를 연구하고 있다. 모든 migrating cell은 표면에 HA를 가지고 있다. 이 HA는 ubiquitously 발현되고 있으며, 살아있는 세포에서 HA를 염색할 수 있는 dye도 이용할 수 있다. HA는 CD44에 결합하는 것으로 알려져 있고, aggrecan이 결합하여 bottle-brush proteoglycan 형태의 cell coat를 형성한다 (pericellular matrix:PCM). 이러한 cell coat는 여러 종류의 세포에서 발견되며, prostate cancer cell도 그 중 하나이다. In vitro 세포 배양 시, HA는 세포 밑바닥에서도 발견되며, cell-cell adhesion/contact에 관여하는 것으로 알려져 있다. 나아가 drug delivery, cancer metastasis, cell migration, proliferation, exosome 등에도 영향을 끼칠 수 있다. Migrating cell에서는 CD44와 함께 PCM이 tail쪽에 위치하고, 이걸 없애면 migration 속도가 줄어든다. 한편 분열중인 세포는 HA 발현량이 늘어나 있고, HA를 없애면 세포분열이 느려진다. 이러한 정보를 토대로, HA가 cell adhesion에 physically 어떤 영향을 끼치는지 알아보고자 하였다. Enzyme 처리를 통해 세포 밑에 있는 HA를 없애고, spinning disk assay를 통해 shear stress를 유발하였다. Prostate cancer cell (PC3)에서 PCM을 없애면, adhesion strength가 증가함을 관찰하였고, focal adhesion 수는 별로 변하지 않는다는 것을 관찰하였다. 이는 곧 세포 밑에 있던 HA patch (PCM)이 세포에 force를 가하는 역할을 하고 있었는데, enzyme 처리로 이 PCM을 제거하면 똑같은 수의 focal adhesion에서 세포를 지탱하기 위해서는 보다 큰 strength가 필요하다는 것을 알 수 있다.
• National Lecture
D.E. Shaw Research의 David E. Shaw 박사
스탠퍼드 대학에서 컴퓨터 구조 및 알고리즘으로 박사학위를 받은 공학자에서 월스트릿 증권가의 주식예측 모델을 만드는 투자전문가로 변신했던 Shaw 박사는 과학적인 투자관리를 제공하는 자체 회사를 설립하여 사업가로서도 성공하였다. 그러나 연구에 대한 열망을 채우기 위하여 그는 자체 연구소를 설립하였고, 이번에는 단백질의 구조 예측이라는 생명과학 쪽 문제 해결을 위해 그의 능력을 발휘하게 된다. 그는 우선 그의 전공을 살려 high-speed biomolecular simulation을 위한 알고리즘 및 machine architecture를 개발한다. Molecular dynamics (MD)를 연구하기 위하여 All-atom MD simulation을 시도하였는데, 여기에는 극복해야 할 커다란 문제가 있었다. 우선 구조예측을 위해서는 femtosecond 단위로 시간을 분할해서 계산을 해야 했고, 각 time point마다 force calculation을 해야만 하고, 이러한 force로는 bonded (stretch, bend, torsion)와 non-bonded (electrostatic, Van der Waals 등)가 있었는데 결과적으로 너무나 많은 경우의 계산을 요구한다는 점이었다. 기존의 슈퍼 컴퓨터로도 이러한 계산을 수행하려면 10 micro second가 최고로 긴 시뮬레이션 시간이었다.그러나 최소한 10milli-second까지는 계산을 해야 했는데, 이를 위해서는 1012이라는 천문학적 계산이 요구되었다. 이를 해결하기 위해서 태어난 것이 Anton이다. Anton을 이용하면 일반 슈퍼 컴퓨터보다 80배 이상 빠른 연산이 가능했다 (MD분야에 한하여).
그가 처음으로 예측을 시도한 문제는 protein folding을 시뮬레이션 할 수 있는가였다. 많은 질환들이 잘못된 protein folding (aggregation, mislocation, inappropriate degradation, toxic structure) 에서 기인한다. 그는 12 종류의 단백질들의 folding 을 simulation 하였고, 이를 통해 protein folding 의 공통 패턴을 찾아냈으며, protein folding의 속도 조절도 시뮬레이션 할 수 있었다. 이를 이용하면 생물학계에서 흔히 이용하는 GFP-tagged protein이 과연 제대로 folding이 이뤄져서 wild type protein과 얼마나 유사한지 예측하는데 도움이 될 수도 있을 것이다. 다음으로 그가 도전한 문제는 Alzheimer’s disease에서 beta-amyloid가 oligomer를 형성할 때 어떤 구조를 갖는가였다. 아직까지 beta-amyloid oligomer의 구조는 실험적으로 밝혀져 있지 않다. 게다가 soluble oligomer는 toxic하고, heterogeneous structure를 가지므로 실험적으로 알아내기 어려운 부분이었다. 하지만 MD 방법으로 시뮬레이션 한 결과, 6개의 beta-amyloid가 hexamer를 이룬다는 것을 알 수 있었고, 이미 구조가 알려진 또 다른 toxic protein (alpha-B-crystallin)과 구조가 유사함을 밝혀냈다. 또 그 다음으로 해결한 문제는, ion channel의 구조를 밝히는 것이었다. Voltage-gated K+ channel의 경우, open state의 구조는 이미 밝혀졌으나, closed state에서의 구조는 아직 open question으로 남아있었다. 또한, open-closed process가 어떻게 이뤄지는지도 해결해야 할 문제였는데, MD를 이용하여 해답을 제시할 수 있었다. 마지막으로 MD를 이용하면 drug이 protein에 어떻게 결합하는지도 자세히 알아낼 수 있음을 보여주었다. PP1이나 Dasatinib은 Src kinase에 결합하는 drug이고, Lapatinib은 EGFR, SP4206은 IL-2에 결합하는 약물이다. 이러한 약물들이 receptor의 어느 부위에 결합하는지 시뮬레이션으로 보여줄 수 있었다. 이를 이용하면 새로운 약물들의 targeting binding pocket을 찾아낼 수 있고, 약물의 working mechanism을 이해하는 데에도 큰 도움이 될 것으로 보여진다. 각 약물의 working mechanism을 알게 된다면, 효과가 없는 약물은 왜 효과가 없는지, 새로운 target을 발굴, PD 예측, side effect 예측 (다른 protein에 결합하는걸 예측), protein에 mutation이 있을 경우 약물의 효과 예측 등이 가능할 것으로 보여진다.본 게시물의 무단 복제 및 배포를 금하며, 일부 내용 인용시 출처를 밝혀야 합니다.
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