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Nat. Commun., Published 4 January 2021,12, 26 | https://doi.org/10.1038/s41467-020-20210-3
Analysing the mechanism of mitochondrial oxidation-induced cell death using a multifunctional iridium(III) photosensitiser

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

세포 내에서 발생하는 protein oxidative modifications (단백질 산화 변형)은 단순히 산화 뿐 만이 아니라, 가교결합 (crosslinking)을 통한 단백질 부가체 (protein adduct)를 발생시켜 단백질 구조적 변형 혹은 기능저하를 통해 세포 내 물질 대사에 큰 영향을 줍니다. 이러한 변화는 질병과도 밀접하게 연관되어 있기 때문에 세포 내 산화 스트레스에 의한 변형을 확인하고 그로 인해 발생하는 여러 현상학적인 변화에 대한 메커니즘을 밝히는 것은 질병에 대한 이해를 위해 필수적으로 요구되는 부분입니다.

이에 저는 단백질의 산화 변형을 빛을 통해 유도 할 수 있는 화학물질로 ‘이리듐 유무기 복합체 (Iridium organometallic complex)’를 이용하여 2016년도에 첫 논문을 publish하였으며, 이때 빛을 통해 생산된 활성산소종 (Reactive oxygen species, ROS)을 이용하여 단백질의 산화 변형의 정도를 조절 할 수 있도록 하는 화학 물질의 분자 디자인 전략을 제시하고 세포 내에서 광활성 시 발생하는 단백질 변형이 야기하는 세포사멸 메커니즘을 보여주었습니다 (J. Am. Chem. Soc. 138, 10968 (2016)).

나아가 본 연구에서는 추가적으로 광활성에 의한 활성산소종을 생산하며 동시에 미토콘드리아 주변의 미세환경 변화를 감지하는 새롭게 개발된 이리듐 유무기 복합체를 이용하여 암세포 내 미토콘드리아에서 산화 스트레스 (oxidative stress)를 일으켰을 때 야기되는 미세환경 변화를 관찰하며, 이에 따른 세포 사멸의 세부 메커니즘을 프로테오믹스 분석으로 뒷받침하였습니다.

미토콘드리아 내에서 과도한 산화 스트레스를 유발할 경우 크게 (i) 미토콘드리아 막 탈분극 현상 (ii) 주변 환경의 점도 (viscosity) 증가 현상 그리고 (iii) 스웰링 (swelling) 현상이 발생하여 세포사멸 (apoptosis) 이 발생합니다. 이에 대한 세부 메커니즘을 알아보기 위해 단백질의 산화변형을 LC-MS2 분석을 통하여 화학물질의 광활성에 의해 발생하는 세포 내의 산화 프로테옴을 분석하였으며, 그 결과 해당 현상에 가장 크게 관련되어 있는 단백질로 (i) Oxidative phosphorylation (OXPHOS) complex, (ii) Channel & translocase와 (iii) protease를 확인하였습니다. 각 단백질의 산화에 의한 기능장애로 발생하는 미토콘드리아 내 이온 및 정상적인 단백질 quality control의 불균형으로 해당 현상에 대한 메커니즘을 제시하였습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

현재 속해있는 UNIST 화학과 권태혁교수님 에너지 인식 실험실 (Energy recognition laboratory, ERLab) 은 유기합성기반의 연구실로 합성된 물성들을 염료감응형 태양전지 (Dye sensitized solar cells, DSSCs), 인공광합성 (Artificial photosynthesis) 시스템, 배터리 (Battery), 광역동치료 (Photodynamic therapy, PDT)등 빛, 전기를 이용하는 다양한 분야에 적용하며 연구를 진행합니다. 특히 내부적으로 발생하는 세부적인 화학 메커니즘에 많은 초점을 맞추어 심도 있게 연구를 해나가는 실험실입니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

화학과에 재학하면서 화학반응을 기반으로 하여 생물을 바라본다는 것이 저에게 주어진 특별함 이었습니다. 스스로 분자 디자인 전략을 확립하여 여러 유무기 복합체를 다각도로 합성하여 적재적소에 적용해보았으며, 합성한 물질을 이용하여 세포 내에서 일으키는 광화학적 변화를 관찰하는데 시간을 쏟아 단백질의 화학적 변형이 가져오는 현상들을 고찰하였습니다. 단백질 산화 변형에 기반한 암세포 사멸 메커니즘 및 아밀로이드 베타의 산화에 의한 응집 조절 등을 결과로 얻어 내면서, 앞으로는 질병에 대한 밝혀지지 않은 기저를 단백질의 산화 변형과 결부시켜 입증해보고자 하는 목표를 가지게 되었습니다. 이렇게 화학-생물 학제간 융합 연구로 얻어낸 성과를 다양한 사람들과 공유하며 이야기 나눌 수 있음은 저에게 큰 보람이며, 한 걸음 한걸음 내딛고 있는 저의 모습에 또한 자부심을 느낍니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

최근 멀티오믹스 (Multi-omics)의 대두에 따라 현재 프로테오믹스 연구가 전 세계적으로 활발하게 이루어지고 있습니다. 이에 발 맞추어 최근 연구에서는 단백질의 화학적 변형을 이용한 프로테오믹스의 새로운 방법론을 제시하려고 노력하고 있으며, 단백질의 산화적 변형을 프로테오믹스로 분석하여 질병에 대한 메커니즘을 고찰하는 연구를 지속적으로 진행할 예정입니다.

5. 다른 하시고 싶은 이야기들....

먼저, 연구에 대한 지도와 조언을 항상 아낌없이 주시는 지도교수님인 권태혁교수님께 감사드립니다. 실험실에 있는 동안 교수님의 꾸준한 지도편달이 있었기에 이 위치까지 올 수 있었습니다.
뿐만 아니라, 해당 연구에 대한 프로테오믹스 분석에 도움을 주신 서정곤 교수님, 미토콘드리아 연구에 날카로운 코멘트를 주신 이현우교수님 그리고 같이 연구한 ERLab 바이오 연구팀원들에게도 감사드립니다.

마지막으로, 쉽지 않은 박사과정에 옆에서 항상 따뜻한 격려와 응원의 말로 감싸 주셨던 부모님 감사드립니다.

Category: Biochemistry, Proteomics
등록일 2021.01.11
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