보고서 정보
주관연구기관 |
포항공과대학교 Pohang University of Science and Technology |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2013-03 |
과제시작연도 |
2012 |
주관부처 |
교육과학기술부 Ministry of Education and Science Technology(MEST) |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201300034309 |
과제고유번호 |
1345172015 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2013-12-21
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키워드 |
단백질 분배 시스템.엽록체 및 mitochondria.Protein distribution.protein translation.chloroplast and mitochondria.cellular evolution.protein trafficking.protein targeting.targeting signal.cellular reprogramming.protein production system.
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초록
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연구의 목적 및 내용
세포 소기관 단백질들은 소기관의 종류에 따라서 번역 후 두 가지의 방법으로 각 소기관에 분배된다. 하나는 direct targeting으로 세포질에서 엽록체, 미트콘드리아, ER 등으로 직접 단백질들이 이동하는 방법이며, 다른 하나는vesicle-mediated protein trafficking을 통해서 한 소기관으로부터 다른 소기관으로 이동하는 것이다. Golgi apparatus, endosomes, plasma membrane, vacuole 등 endomembrane compartment에 속하는
연구의 목적 및 내용
세포 소기관 단백질들은 소기관의 종류에 따라서 번역 후 두 가지의 방법으로 각 소기관에 분배된다. 하나는 direct targeting으로 세포질에서 엽록체, 미트콘드리아, ER 등으로 직접 단백질들이 이동하는 방법이며, 다른 하나는vesicle-mediated protein trafficking을 통해서 한 소기관으로부터 다른 소기관으로 이동하는 것이다. Golgi apparatus, endosomes, plasma membrane, vacuole 등 endomembrane compartment에 속하는 소기관들은 protein trafficking 방법을 통해서 organellar proein들이 targeting된다. 본 연구에서는 애기장대를 model로 하여 세포소기관 단백질의 번역 후 이들의 분배를 담당하는 cellular protein distribution system의 구성 및 작동 기작을 분자 및 세포 수준에서 규명하고자하였다. 따라서 이 과정에 관여하는 단백질들을 동정하고 이들의 역할과 작용 기작을 분자 수준에서 밝히고자 하였다. 특히, endosymbiotic organelle들인 엽록체와 mitochondria로의 단백질 targeting 기작과 ER로부터 다양한 endomembrane compartment 들 사이의 protein trafficking 과정을 분석하고자 하였다. 또한 이를 응용하여 biotech application에 필요한 cellular tool들을 개발하고자 한다.
연구결과
본 연구는 크게 두 부분으로 나누어진다. 첫 번째는 엽록체로의 단백질 이동과정에 대한 기작 규명이다. 엽록체 단백질의 signal sequence인 transit peptide들을 분석하여 이들이 적어도 7개의 다른 origin에서 출발했다는 것을 최초로 밝혔다. 또한 엽록체, 미트콘드리아 외막 단백질과 ER 막 단백질들의 targeting의 specificity를 결정하는 인자를 최초로 규명하였다. 즉 외막 단백질의 경우에 transmembrane domain의 C-terminal positively charged flanking region (CPR)과 transmembane domain (TMD)의 hydrophobicity가 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔다. TMD의 yddrophobicity가 0.4 이상이 되면 CPR의 과 무관하게 ER로 targeting되며, 엽록체와 미트콘드리아로의 targeting을 위해서는 hydrophobicity가 0.4 이하여야 한다. 또한 외막 단백질인 AKR2와 interaction하는 factor로 sHSP17.8을 동정하였으며, chloroplast-specific lipid인 MGDG와 PG가 엽록체 targeting factor인 AKR2A의 receptor로 기능을 하며, 특히 ankyring repeat domain이 이들 lipid를 simultaneous and synergistic하게 인식하여 binding한다는 것을 밝혔다. 구조분석을 통해서 two lipid binding site를 규명하였으며, AKR2A가 ribosome의 exit site에 존재하는 RPS23A에 binding하여 chloroplast protein을 sorting하는 것을 밝혔다. Mitochondrial targeting 기작을 규명하여, presequence로부터 다양한 sequence motif를 확인하였다. 엽록체와 mitochondria의 signal sequence로부터 이들 두 소기관 사이의 targeting specificity를 결정짓는 원리를 규명하였다. Presequence의 N-terminus에 존재하는 multiple arginine residues가 엽록체로의 targeting을 막는데 핵심적인 역할을 하며, 그 외의 부분은 엽록체와 mitochondria 사이에 공유한다는 것을 밝혔다. Protein trafficking 과정을 규명하기 위해서 여러 protein component들을 규명하였다. 식물세포에는 vacuole에 이르는 두 개의 trafficking pathway가 존재하는 데 이들 중 하나는 normal growth에 관여하는 protein들의 trafficking pathway이며, 다른 하나는 C-terminal sorting motif를 갖는 단백질들을 이동하는 pathway로 defense related protein들을 담당하는 pathway라는 것을 밝혔다. PRA의 여러 isoform들이 ER에서의 단백질 exit과정을 조절하고 있으며, AtGAP8/9이 golgi로의 Arf1-GDP form의 recruitment, ENT homolog들이 cell plate의 형성에 관여하며, muA가 AP-2의 component로 endosytosis에 관여하고, muB는 AP-1의 component로 vacuolar trafficking 및 cell plate의 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔다.
연구결과의 활용계획
세포가 제대로 활동하기 위해서는 다양한 운영체계를 가지고 있다. 그 중의 하나인 cellular protein distribution system에 대한 분자 및 원자 수준에서의 지식은 식물과 같은 고등 생명체가 어떻게 생명현상을 나타내는지를 이해할 수 있게 해 줄 것이다. 또한 이러한 과정의 규명을 통해서 어떻게 진핵세포에 다양한 소기관들이 존재하게 되었는지를 이해할 수 있는 중요한 단서를 제공해 줄 수 있을 것으로 생각한다. 활용 범위 측면에서는 본 연구에서 연구하고자 하는 것들은 식물 세포를 reprogramming하기 위한 다양한 cellular tool의 개발과 artificial cell design과 같은 생명공학 기술에 대한 기초 원천 기술들로 국내 biotech 산업 분야의 국제적인 경쟁력 확보에 대단히 커다란 기여를 할 수 있을 것으로 사료된다. 특히 단백질을 대량 생산에 있어서 필수적인 기술들을 제공해 줄 것이다.
Abstract
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Purpose& contents
Eukaryotic cells contain more than 20,000 different kinds of proteins and the cellular functions depend on these proteins' activities. Thus, in eukaryotic cells, protein biogenesis is one of the most fundamental processes. The protein biogenesis includes many different processes
Purpose& contents
Eukaryotic cells contain more than 20,000 different kinds of proteins and the cellular functions depend on these proteins' activities. Thus, in eukaryotic cells, protein biogenesis is one of the most fundamental processes. The protein biogenesis includes many different processes such as translation by ribosomes, protein quality control, targeting from the cytosol to target organelles and trafficking between organelles. In this study, we will elucidate these processes at the molecular level in detail. To do so, we intended to identify protein factors involved in these processes. The information on these processes will provide an insight into the cellular system for the protein distribution. Furthermore, we will understand the cellular evolution of eukaryotic cells.
Result
First, we investigated how AKR2 delivers chloroplast outer envelope membrane proteins to chloroplasts. In this study, we focused on three aspects, how AKR2 interacts with chloroplasts, how AKR2 captures its cargo proteins, and what are the interacting proteins. As AKR2 binding partner, we isolated and characterized a small heat shock protein Hsp17.8. To investigate the mechanism of AKR2A binding to chloroplasts, we identified AKR2A binding lipids as PG and MGDG. In addition, we determined the three dimensional structure of the ankyrin repeat domain. From this structure and modeling, we identified the PG and MGDG binding sites on the ankyrin repeat domain. To understand when and how AKR2 captures its cargo we demonstrated that AKR2A captures its cargo proteins at the ribosomes during translation through the interaction between AKR2A and RPL23a. In addition, we studied the mechanism by which membrane proteins are targeting to chloroplast outer envelope membranes. In addition to the CPR flanking to the TMD, hydrophobicity of TMD is again critical for specificity determination. For chloroplast targeting, TMD should have the hydrophobicity value lower than 0.4 of Wimly-White hydrophobicity scale. Secondly, we studied how PRA1 controls protein trafficking at the ER. In addition, we investigated the role of clathrin adaptors, ENTH-domain containing protein, ENT1 and muA. ENT1 localized to the plasma membrane in non-dividing cells or the cell plate in dividing cells. ENT1 RNAi plants or ent1 knock-out mutant plants displayed insensitivity to high NaCl stress. From this study, we demonstrated that ENT1-mediated endocytosis is crucial for initiation of high NaCl stress signaling. In addition, muA, a component of AP-2, plays a crucial role in seed production by regulating the length of filaments of anthers, pollen tube growth, pollen biogenesis.
Expected Contribution
In this study, we aim to understand biogenesis of proteins, in particular organellar proteins, in plant cells. The information obtained form this study will provide the basis for the deeper understanding on how the eukaryotic cell display its activity. Furthermore, the information will be basis for the development of new biotechnology such as molecular farming in plant cells. We will be able to develop new cellular tools that will be essential for designing a plant cell-based artificial cell for the purpose of producing valuable products.
목차 Contents
- 도약연구사업 최종보고서(평가용) ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 18
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 19
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 19
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 20
- 8. 참고문헌 ... 20
- 9. 연구성과 ... 21
- 10. 기타사항 ... 35
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