초록 ▼

핵공복합체(nuclear pore complex, NPC)는 진핵세포에서 세포질과 세포핵 사이의 물질 수송을 담당하고 있는 중요 분자구조체이다. 이러한 NPC는 수백 개의 단백질들로 이루어져 있으며 지름이 대략 4nm 보다 큰 물질의 경우에는 특정 신호고분자와 결합했을 때만 선택적으로 투과시키는 수송 관문으로서 역할을 하고 있다. NPC를 구성하는 수백 개의 단백질(NPC 단백질 또는 nup)은 그 형태적 특성에 따라 핵막에 연결되어 기초적인 뼈대를 이루는 rigid ring protein과 FG(phenylalanine glyci

핵공복합체(nuclear pore complex, NPC)는 진핵세포에서 세포질과 세포핵 사이의 물질 수송을 담당하고 있는 중요 분자구조체이다. 이러한 NPC는 수백 개의 단백질들로 이루어져 있으며 지름이 대략 4nm 보다 큰 물질의 경우에는 특정 신호고분자와 결합했을 때만 선택적으로 투과시키는 수송 관문으로서 역할을 하고 있다. NPC를 구성하는 수백 개의 단백질(NPC 단백질 또는 nup)은 그 형태적 특성에 따라 핵막에 연결되어 기초적인 뼈대를 이루는 rigid ring protein과 FG(phenylalanine glycine) sequence repeats을 갖는 FG nucleoporin으로 나뉜다. 이러한 FG nucleoporins은 자연적인 상태에서 접혀져있지(unfolded) 않고 매우 유연한 1차원적 고분자 사슬의 형태적 특성을 띄고 있다. 또한 아미노산의 배열 구조에 있어서 전하를 가진 친수성(hydrophillic) 영역과 FG sequence가 주로 분포하는 소수성(hydrophobic) 영역으로 나뉘는 biphasic nature를 가지고 있다. 또한 FG nucleoporins은 NPC의 중앙에 분포하여 NPC를 통한 선택적 고분자 수송기능에서 핵심적 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다. 그러나 각각의 nup에 대한 수많은 연구에도 불구하고, 매우 유연한 형태적 특성으로 인해 실제 생체조건에서 FG nucleoporins의 3차원 구조와 그로 인한 고분자의 투과기작은 아직 밝혀지지 않았다. 이에 본 연구에서는 고분자 척도이론, 분배함수 방법론, Hyperparallel Tempering Monte Carlo simulation을 통해 FG nucleoporin들의 3차원 구조와 형상전이를 이해하고자 하였으며 다음과 같은 연구 결과를 얻었다.
-핵공복합체의 자유에너지를 기술하는 척도이론(scaling theory) 개발
아미노산 배열의 biphasic nature는 FG nups을 cohesive domain을 가진 extened polymer brushes로 근사하는 것을 가능하게 한다. 이에 평균장 근사(mean-field approximation)와 척도이론을 이용하여 이러한 polymer brushes이 cylindrical pore안에 놓여 있는 계에 대한 자유에너지를 brush height의 함수로 구하였다. 이를 통해, polymer brush로 근사된 FG nups이 열린 상태와 닫힌 상태 사이에서 매우 불연속적인 transition을 보일 수 있음이 제안되었다.
-정준 분배함수를 이용한 핵공복합체의 정량적 기술
서로 다른 30여종의 단백질들로 이루어진 핵공복합체를 보다 사실적으로 기술하고 평균장 근사의 한계를 극복하기 위해서, 그린함수(Green function)와 분배함수(partition function)를 이용하여 개개의 FG nups의 형상을 기술하는 정량적 이론 모형을 개발하였다. 이를 통해, 다양한 종류의 FG nup들 가운데 어떤 nup이 핵공복합체의 선별적 투과기능에 핵심적 역할을 담당하고 있는지 밝혀내는 것이 가능해졌다.
- Hyperparallel Tempering Monte Carlo simulation 방법의 개발
앞서 설명한 해석적 방법론들의 결과를 검증하고 해석적 방법론들이 포함하지 못하는 다양한 실제 상황과 변수를 고려하기 위해서, Parallel Tempering Monte Carlo 방법론을 여러 변수로 확장한 Hyperparallel Tempering Monte Carlo 방법론을 도입하여 새로운 전산모사 모형을 개발하였다. 이를 통해, NPC 안에 위치한 FG nups의 3차원 구조는 cohesive 상호작용의 크기에 따라 열린 상태와 닫힌 상태 사이에서 불연속적 상전이를 보임을 확인하였다.
이러한 연구결과는 signal proteins이 FG nups의 cohesive 상호작용에 매우 미약한 섭동적 영향을 미치지만, FG nup들로 이루어진 계가 불연속 상전이를 보이는 상전이점 근방에 놓여있음으로써 미약한 섭동에 따라 열린 상태와 닫힌 상태 사이의 급격한 형상전이를 보일 수 있음을 시사한다. 이는 생물학적으로 중요한 핵공복합체의 선택적 투과기작을 물리적 상전이의 관점에서 설명한다는 점에서 매우 큰 의의를 가진다. 이러한 점에서 signal proteins의 존재를 명확히 고려한 후속연구를 계획 중이다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 10