초록 ▼

□ 연구개요
현재까지 생명과학 및 의약학 연구들은 세포 내 현상의 주요 성분인 DNA, mRNA, 단백질 등을 정제해서 세포 밖에서 이루어졌다. 이러한 세포 밖에서의 연구는 세포 내의 복잡 다양한 현상들을 구현하는 것이 불가능하다는 근본적인 한계가 있다. 본 과제에서는 새로운 형광 이미징 기술 개발을 통하여 세포 내 DNA, mRNA, 단백질의 실시간 움직임을 직접 관측할 수 있는 기반 기술을 확립하였고, 이를 이용하여 기존의 in vitro에서의 연구로는 관찰할 수 없었던 복잡한 세포 내 현상을 직접 규명하였다. 특히, DN

□ 연구개요
현재까지 생명과학 및 의약학 연구들은 세포 내 현상의 주요 성분인 DNA, mRNA, 단백질 등을 정제해서 세포 밖에서 이루어졌다. 이러한 세포 밖에서의 연구는 세포 내의 복잡 다양한 현상들을 구현하는 것이 불가능하다는 근본적인 한계가 있다. 본 과제에서는 새로운 형광 이미징 기술 개발을 통하여 세포 내 DNA, mRNA, 단백질의 실시간 움직임을 직접 관측할 수 있는 기반 기술을 확립하였고, 이를 이용하여 기존의 in vitro에서의 연구로는 관찰할 수 없었던 복잡한 세포 내 현상을 직접 규명하였다. 특히, DNA에 담긴 유전 정보를 mRNA로 전환하는 과정인 전사(transcription)를 담당하는 RNA 중합효소의 움직임을 직접 관찰하였고, 그 결과 세계 최초로 유전자가 발현되는 DNA의 위치가 RNA 중합효소와 리보좀의 상보적 작용에 의해서 조절된다는 것을 밝힐 수 있었다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1차년도 목표 및 성과: 살아 있는 세포 내 RNA 중합효소와 DNA 동역학 실시간 관측
(1) 새로운 형광 이미징 시스템을 구축하였으며, 세포 내에서 RNA 중합효소를 실시간 추적하여 100 bp/sec의 속도로 움직이는 동역학 정보를 획득하였음 (계획대비 100%).
(2) 살아 있는 세포 내 DNA의 움직임을 30 nm 수준 (목표 50 nm) 의 공간 분해능으로 관측 성공 (계획대비 100%).
(3) 유전자 발현에 의해서 DNA의 위치가 최대 80 nm까지 움직인다는 상관 관계 규명함 (계획대비 100%).
2차년도 목표 및 성과: 초고분해능 RNA 중합효소와 단일 mRNA 동시 이미징
(1) 생성되는 mRNA 분포를 50 nm 수준의 공간 분해능으로 측정함 (계획대비 100%).
(2) 리보좀에 의한 번역 유무에 따라 mRNA 분포 획득 성공 및 단백질 생성 과정에서 전사와 번역의 협동이 미치는 매커니즘 제안함 (계획대비 100%).
(3) RNA 중합효소의 농도 변화가 mRNA와 단백질 생성 분포 결과 획득 및 확률적 유전자 발현 현상으로 설명함 (계획대비 100%).
3차년도 목표 및 성과: 세포 내 유전 정보 전달 과정에서 분자의 공간적 특성 규명
(1) 초고분해능 이미징 시스템을 통해 DNA와 mRNA의 위치 정보를 동시에 관측 성공함 (계획대비 100%).
(2) mRNA의 상대적 위치 분포를 DNA와 비교 data 확보 및 유전 정보 전달 과정에서 생체 분자의 공간적 특성 영향을 규명함 (계획대비 100%).
(3) 세포 내에서 DNA binding 단백질을 이용하여 전사를 제어할 수 있는 road-block 개발에 성공함 (계획대비 100%).
(4) 전사 제어 시스템을 이용하여 RNA 중합효소와 DNA 상에서 전사 위치 탐색 초기 data 확보 (계획대비 50%).

□ 연구개발결과의 중요성
• 과학기술적 중요성: 살아있는 세포 내에서 직접 전사 과정을 관측하고 이를 통해 이전까지는 관측하지 못했던 것들은 관측하는 기술은 현재 세계적으로 경쟁에 있는 매우 중요하다. 본 연구팀이 본 과제를 통해 DNA, mRNA, 단백질을 세포 내에서 실시간 관찰하고, 이를 통하여 세포 내 반응을 연구할 수 있는 핵심 기반 기술을 확립하였다. 이는 생명과학 및 생물리화학 분야의 핵심 기술로 자리매김 할 것이다.
• 경제사회적 중요성: 미래 산업의 최우선 과제 중 하나가 신약 개발 및 각종 질병에 대한 이해와 치료법을 개발 하는 것이며, 최근에는 박테리아를 이용한 바이오연료 생성이 신재생에너지 분야 중 하나로 주목받고 있다. 본 연구 결과는 복잡한 생명 현상을 세포 내에서 직접 관찰할 수 있음을 보여주었고, 나아가 신약, 항생제 개발 및 질병 기작 연구에 응용하는 기초 기술을 제공하였다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• A. 살아 있는 세포 내 전사와 번역에 의한 DNA 동역학 실시간 관측 (1-2차년도) ... 5
• B. 단일 mRNA 및 RNA 중합효소 동시 이미징을 통한 전사 조절에 번역이 미치는 영향 규명 (2-3차년도) ... 10
• C. 전사되는 DNA와 전사로 생성된 mRNA를 동시 관측하여 유전자 발현 과정의 공간적 특성 규명 (3차년도) ... 13
• D. RNA 중합효소의 세포 내 전사시간 분석 (2-3차년도) ... 14
• E. RNA 융합단백질 제어를 위한 road-block 개발(3차년도) ... 15
• F. 세포 내 현상 이미징 기술의 DNA repair 적용을 위한 모델 시스템 발굴 연구 (2-3차년도) ... 16
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 18
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 23
• 끝페이지 ... 29