[논문]신개념 질병 진단 및 치료 연구에 있어서의 당사슬의 생물학적 역할

김동찬

doi:10.5352/jls.2018.28.11.1379

신개념 질병 진단 및 치료 연구에 있어서의 당사슬의 생물학적 역할
Biological Roles of the Glycan in the Investigation of the Novel Disease Diagnosis and Treatment Methods 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.28 no.11 = no.223, 2018년, pp.1379 - 1385

초록
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당사슬은 당단백질과 단백당에 결합하며, 일반적으로 세포의 최외각 표면에서 발견된다. O-연결 당사슬과 N-연결 당사슬은 진핵세포에 흔히 존재하는 당사슬이며 원핵세포에서도 발견된다. 세포 표면에 존재하는 당사슬과 주변에 동일한 종류의 세포막에 노출된 당사슬 결합 단백질과의 상호작용, 전혀 다른 종류의 세포와의 상호작용, 또는 질병 유발 균주와 바이러스와의 상호작용은 생물학 및 의생명과학에 있어서 질병원인물질 인식, 세포 이동, 세포간의 결합, 발생, 그리고 감염 등과 같은 과정에 있어서 매우 중요한 역할을 담당한다. 각종 질병 상황에서의 당사슬의 프로파일의 변화와 역할은 당사슬이 질병 진단 마커로 활용할 가능성을 제시한다. 이에 더하여, 기존의 많은 선행 연구들에서, 재조합 단백질 의약품에 결합된 당사슬은 재조합 단백질 의약품의 용해도, 약동역학, 약물 활성, 생체활성, 안전성을 적절하게 유지하고 결정짓는데 중요한 요소가 된다. 게다가, 암의 발생과 진전의 영향으로 인해 당사슬 가지 끝에 결합하는 시알릭산의 당질화 양상의 변화는 세포와 세포간 상호작용, 인식 그리고 면역 반응에 매우 중요한 요소로 작용한다. 본 총설에서는 당사슬의 생물학적인 기능에 대한 전반적인 이해를 돕고, 당질화 현상과 질병 진단 및 질병 치료 기법간의 상호 연관성을 간략히 설명하고자 한다. 추가적으로 혈액 내 혈청에 존재하는 당사슬의 프로파일의 변화를 분석하는 대량효능검색 방법과 이로 인해 유도되는 생화학적 작용 기작을 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Glycans are attached to proteins as in glycoproteins and proteoglycans. They are found on the exterior surface of cells. O- and N-linked glycans are very common in eukaryotic cells but may also be found in prokaryotes. The interaction of cell surface glycans with complementary glycan binding proteins located on neighboring cells, other cell types, pathogens like virus, or bacteria is crucial in biologically and biomedically important processes like pathogen recognition, cell migration, cell-cell adhesion, development, and infection. Their implication in pathological condition, suggests an important role for glycans as disease markers. In addition, a great amount of research has been shown that appropriate glycosylation of a recombinant therapeutic protein is critical for product solubility, stability, pharmacokinetics and pharmacodynamics, bioactivity, and safety. Besides, cancer-associated glycosylation changes often involve sialic acid in glycan branch which play important roles in cell-cell interaction, recognition and immunological response. This review aims at giving a comprehensive overview of the glycan's biological function and describing the relevance among the glycosylation, disease diagnosis and treatment methods. Furthermore, the high-throughput analytic methods available to measure the profile changing patterns of glycan in the blood serum as well as possible underlying biochemical mechanisms.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Schematic representation of N-linked and O-linked glycans on glycoproteins and glycolipids [44].
그림 Fig. 2. Accelerating progress in the discovery of human glycosylation disorders. The graph shows the cumulative number of human disorders with a major genetic defect in various glycosylation pathways and the year of their identification. In early years, initial discovery was based on compelling biochemical evidence, and in later years by conclusive genetic proof. In most instances, the year indicates the occurrence of definitive proof of gene-specific mutations and correlations to biochemical results [38].
그림 Fig. 3. Schematic diagram of the plasma membrane (left). The spheres are saccharides attached to proteins (glycoprotein). The arrows indicate the sialic acids attached to terminal positions of glycoproteins. The structure of sialic acid (α2-3) galactose is presented on the right [41].
그림 Fig. 4. N-glycan MALDI mass spectrometry imaging (MSI) of stage I (n=3) and stage III (n=3) serous ovarian cancer patients. Formalin-fixed paraffin-embedded tissue sections were treated with citric acid antigen retrieval prior to printing of dialyzed PNGase F with 250 μm spacing. DHB matrix was sprayed onto the sections and MS spectra were acquired by oversampling at 100 μm intervals using a MALDI-TOF/TOF MS instrument. Monoisotopic glycan masses were measured in the positive ion reflectron mode as (M + Na) adducts for MALDI-MSI whereas PGCLC-ESI-MS/MS revealed doubly negatively charged monoisotopic masses ([M-2H] 2-). Panels A-F show ion intensity maps of m/z 16663.581 from the stage I (green) and stage III (red) patients. The N-glycan, (Hex)1 (HexNAc)3 (Deoxyhexose) 1 + (Man)3(GlcNAc)2, in panel G is the confirmed structure based on PGC chromatography (panel H) and MS/MS fragmentation (panel I) [4].

AI 본문요약
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문제 정의

일반인들 뿐만 아니라 의료 분야 전공자들 또한 당이라고 하면 설탕을 떠올리고, 에너지원으로만 생각해왔지만, 이제는 포도당 이외에 여러 가지 당(탄수화물) 성분들인 carbohydrate, sugar, saccaride, glycan 등은 우리 몸에 반드시 필요한 필수 영양소 및 다양한 생리활성, 질병 현상 연관물질이란 의식이 확립되어, 이제는 글라이코믹스를 모르면 우리 몸의 구조와 기능과 모든 질병 현상에 관하여 구체적인설명을 할 수 없는 수준에 이르게 되었다[1, 42]. 이러한 배경으로, 본 총설에서는 현재 많은 관심 가운데 성장 발전하고 있는글라이코믹스, 특히 당사슬 연구에 대한 설명과 재조합 당단백질 의약품(Biosimilar)에서의 중요한 역할, 그리고 당사슬을 이용한 암진단 연구 동향을 정리하고자 한다.

후속연구

뿐만 아니라, 다양한 질병 진단을 위해 많은 수의 샘플 분석이 필요한 임상 시료 분석에 있어서도 96-well plate MALDI-TOFMS 기반의 대용량 당쇄 분석 시스템은 그 임상 및 질병 진단에 있어서 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다[4, 12]. 따라서 질병에 연관된 당단백질을 탐색하고 그것의 질병 특이적인당사슬 구조 분석 연구를 통하여 신속하고 정확하게 질병을 진단할 수 있는 당사슬 기반 진단 마커 개발이 빠른 시일내에 국내에서도 가능할 것으로 사료된다.
이미 언급한 것 처럼, 특별히 식품의약품안전처로부터 당단백질 의약품의 최종 허가를 위한 당사슬 분석에 있어서 MALDI-TOF MS 기반의 초고속 당쇄 정량 분석 기술이 보다 효과적으로 활용되고 있으며 앞으로도 MALDI-TOF MS 기반 당사슬 분석은 그 적용범위가 확대될 것으로 보인다. 뿐만 아니라, 다양한 질병 진단을 위해 많은 수의 샘플 분석이 필요한 임상 시료 분석에 있어서도 96-well plate MALDI-TOFMS 기반의 대용량 당쇄 분석 시스템은 그 임상 및 질병 진단에 있어서 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다[4, 12]. 따라서 질병에 연관된 당단백질을 탐색하고 그것의 질병 특이적인당사슬 구조 분석 연구를 통하여 신속하고 정확하게 질병을 진단할 수 있는 당사슬 기반 진단 마커 개발이 빠른 시일내에 국내에서도 가능할 것으로 사료된다.
또한 재조합당단백질 의약품의 오리지널 바이오 의약품과 동등성 시험에 있어서 당사슬의 정성 및 정량 분석 결과가 매우 중요한 평가요소이다. 이미 언급한 것 처럼, 특별히 식품의약품안전처로부터 당단백질 의약품의 최종 허가를 위한 당사슬 분석에 있어서 MALDI-TOF MS 기반의 초고속 당쇄 정량 분석 기술이 보다 효과적으로 활용되고 있으며 앞으로도 MALDI-TOF MS 기반 당사슬 분석은 그 적용범위가 확대될 것으로 보인다. 뿐만 아니라, 다양한 질병 진단을 위해 많은 수의 샘플 분석이 필요한 임상 시료 분석에 있어서도 96-well plate MALDI-TOFMS 기반의 대용량 당쇄 분석 시스템은 그 임상 및 질병 진단에 있어서 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다[4, 12].
당 사슬은 세포-세포간 또는 세포-당단백질간의 결합에 있어서 세포 최외곽 부위에서 서로간의 상호인식과 상호정보교환의 역할을 수행하며, 종합적으로는 생체 내에서 일어나게 되는 다양한 생물학적 및 면역학적 반응들에 긴밀하게 관여한다. 질병으로 인한 세포 내 생리 대사활동의 변이는 당전이 효소(glycosyltransferase)들의 비정상적 활동을 유발하여 전체적인 당사슬 프로파일을 변화시키므로, 비정상적 당사슬 프로파일 분석은 특정 질병에 대한 조기 진단 연구 및 치료법 개발에 활발히 활용될 수 있다. 또한, 최근 각광받고 있는 유전자 조작기술을 통해 제조되는 재조합 당단백질 의약품의 유효성이나 안정성 평가에 있어서 당사슬 분석은 반드시 수행되어야 하는 과정이다[5, 21].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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