초록 ▼

1) E. coli의 신호전달시스템에 관련된 유전자/단백질 상호작용네트워크의 재구성 및 분석:
E. coli에서 이미 알려져 있는 약 30여종의 two-component system에 대해 각각의 구성단백질들 사이에 존재하는 상호작용네트워크를 재구성하기 위하여실험생물학자와의 공동연구를 통해 유전자칩 시계열데이터와 ChIP 데이터, 유전자의 functional annotation 정보, 유전자 및 DNA binding site의 sequence 정보 등을 이용하여 정성적, 정량적 분석을 수행하기 위한 실험계획을 수립한다. 실험으

1) E. coli의 신호전달시스템에 관련된 유전자/단백질 상호작용네트워크의 재구성 및 분석:
E. coli에서 이미 알려져 있는 약 30여종의 two-component system에 대해 각각의 구성단백질들 사이에 존재하는 상호작용네트워크를 재구성하기 위하여실험생물학자와의 공동연구를 통해 유전자칩 시계열데이터와 ChIP 데이터, 유전자의 functional annotation 정보, 유전자 및 DNA binding site의 sequence 정보 등을 이용하여 정성적, 정량적 분석을 수행하기 위한 실험계획을 수립한다. 실험으로부터 얻어진 시계열 측정데이터를 처리할 수 있도록 neural network와 같은 nonlinear model이나 dynamic Bayesian network model을 사용하여 네트워크 구조의 규명을 위한 기법을 개발하고, 또한 two-component systems의 상호작용네트워크 구조를 부분적으로 재구성하며 이를 전체 시스템에 대해 확대 적용해 나아간다.
2) Two-component system에 대해 수학적 모델 정립을 위한 실험계획수립 및 정량화, 수학적 모델에 대한 동역학 파라메터 추정:
Two-component system에 기반한 신호전달 및 조절 메커니즘은 다양한 외부 입력신호를 동시에 처리하는 multi-signal processing 메커니즘과 시스템의 출력을 정밀하게 조절하는 phospho-relay 메커니즘, 그리고 target gene의 발현이 다수개의 two-component에 의해 조절되는 전사(transcription)와 후전사(post-transcriptional) 조절 메커니즘 등으로 구성된다. 이들 개별 메커니즘에 대한 수학적 모델 정립과 동역학 분석을 위해서는 먼저 실험 생물학자와의 긴밀한 연구협력을 통해 정교한 실험계획을 수립하여야 하며, 또한 이를 기반으로 측정된 실험데이터에 대한 정량화 과정이 수행되어야 한다. 수학적 모델정립의 마지막 단계는 정량화된 실험데이터를 기반으로 모델의 동역학 파라메터를 추정하는 단계이다. 모델의 동역학 파라메터는 실험당시의 환경 정보를 내포하고 있으므로 시스템의 동역학 특성분석과 예측에 중요한 자료로 활용된다.
3) Two-component system의 cross-talk 및 동역학 분석을 위한 수학적 모델 정립 및 컴퓨터 시뮬레이션 분석:
E. coli의 two-component system과 관련된 신호전달 메커니즘에 대한 수학적 모델정립은 다음과 같은 3 단계의 과정으로 구성된다. 첫번째는 실험적 사실과 다양한 가설을 바탕으로 정립하고자 하는 모델의 개념적 모델을 정립하는 단계이다. 이 과정을 통해 부분적으로 산포해있는 시스템의 동역학 특성에 관한 정보가 취합되고, 정리된다. 두번째는 개념적 모델을 기반으로 시스템에 대한 도식화 모델을 정립하는 단계이다. 이 과정에서는 수학적 모델의 상태변수(시스템의 동역학 특성 변화를 대변하는 변수)와 파라메터(시스템이 놓여 있는 환경을 나타내는 변수)가 정의되며, 시스템의 구성요소 상호간의 정성적인 관계가 정량적인 관계로 변환, 표현된다. 세번째 단계는 신호전달 메커니즘에 대한 도식화 모델을 기반으로 수학적 모델을 정립하는 단계이다. 시스템의 수학적 모델은 시스템의 각 구성요소를 지배방정식으로 기술되는데, 일반적으로 비선형일차연립미분방정식(즉, 상태방정식)으로 기술된다. 컴퓨터 시뮬레이션 분석을 통해 정립된 수학적 모델을 기반으로 two-component system의 cross-talk 등에 관한 일반적인 동역학 특성 분석을 수행한다.
4) 수학적 모델을 기반으로 cross-talk 메커니즘과 phospho-relay 작용 메커니즘에 대한 비선형 동역학 특성 분석:
Two-component system에 대한 동역학 분석의 궁극적인 목적은 다양한 외 부환경변화에 대한 미생물의 적응메커니즘을 분석하는 것이다. 그중에서 특 히 다수개의 sensor가 외부 신호를 동시에 인식, 합성하고 처리하는 multi-signal processing(또는 cross-regulation) 메커니즘의 분석은 복잡한 외부환경 변화에 미생물이 어떻게 적응하는 지에 대한 이해의 폭을 한층 향상시킬 것이다. Two-component system에 대한 수학적 모델을 기반으로 본 과제에서는 이와 같은 복합적인 신호전달메커니즘에 대한 정량적인 분석을 수행한다.

Abstract ▼

Our research scope is as follows:
● Reconstruction and analysis of gene/protein interaction network related to signaling pathways in E. coli.
● Development of mathematical models of two component systems.
● Development of cross-talk models between two-components.
● Nonlinear dynamics ana

Our research scope is as follows:
● Reconstruction and analysis of gene/protein interaction network related to signaling pathways in E. coli.
● Development of mathematical models of two component systems.
● Development of cross-talk models between two-components.
● Nonlinear dynamics analysis of cross-talk and phospho-relay mechanisms based on the developed mathematical models.

목차 Contents

• 제출문 ...1
• 요약문 ...2
• SUMMARY ...9
• CONTENTS ...12
• 목차 ...13
• 제1장 연구개발과제의 개요 ...14
• 제1절 기술의 개요 및 주요 내용 ...14
• 제2절 연구개발과제의 목적 ...16
• 제3절 연구개발과제의 필요성 ...17
• 제4절 연구개발과제의 목표 ...18
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ...20
• 제1절 세계동향 ...20
• 제2절 국내동향 및 수준 ...21
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...22
• 제1절 KdpD/E와 UhpB/A의 수학적 모델링 및 cross-talk분석 ...22
• 제2절 ArcB/A의 수학적 모델링 및 동역학 분석 ...25
• 제3절 Two-component system과 MAPK pathway의 동역학 특징 비교 분석 ...28
• 제4절 Phospho-relay의 수학적 모델링 및 동역학 특징분석 ...31
• 제5절 Shikimate pathway 모델링을 통한 방향족 아미노산 생산량 분석 ...36
• 제6절 네트워크 재구성 기법들 개발 ...42
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...47
• 제1절 목표달성도 ...47
• 제2절 관련분야 기술발전 기여도 ...48
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...50
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...52
• 제7장 참고문헌 ...53