국립 한밭대(총장 최병욱)는 기계공학과 송지환 교수 연구팀과 서울시립대 최인희․박현성 교수 연구팀이 공동 연구로 플라스몬 금속 나노입자의 3차원 배치에 따라 고유의 산란 색 및 산란 파장이 달라지는 광학적 현상을 이용하여 표적하는 히스톤 수식화의 공간적 분포를 분석하는 새로운 방법을 개발했다고 15일 밝혔다.

히스톤은 뉴클레오솜의 중심 단백질로, DNA 사슬이 감기는 실패 역할을 하여 유전자의 발현 조절에 중요한 역할을 한다.
뉴클레오솜은 진핵생물 세포에서 히스톤 중심부를 감고 있는 DNA 사슬로 되어 있는 염색질의 구조 단위다.

히스톤의 다양한 수식화 조합인 히스톤 코드는 전사, 복구, 복제 등과 같은 염색질의 거의 모든 활동에 관여하는 판독 단백질에 의해 인식되며 염색질의 구조 및 3차원 위치와도 밀접한 관련이 있다.

따라서 히스톤 코드 및 염색질 구조에 일어나는 변화는 암 또는 노화 등 질병 특이적 세포 변화와 긴밀한 관련이 있어 세포 수준에서의 히스톤 수식화의 공간적 분포를 시각화 및 분석하는 기술은 지속적으로 발전시킬 필요가 있다.

한밭대 기계공학과 연구팀(송지환 교수, 김윤 석사과정)은 이번 연구에서 컴퓨터 시뮬레이션에 기반한 이론적인 분석으로 이미징 프로브로 사용된 금속 나노입자의 다양한 3차원적 배열, 거리, 개수에 따른 산란 파장의 변화를 계산했다.

그리고, 실제 세포가 노화 과정에서 보여주는 핵 내의 히스톤 수식화의 위상 변화와 그에 따른 광학특성 변화와 비교를 통해 세포 내 표적 위치 간 거리 및 분포를 예측하였다. 

서울시립대 생명과학과 공동연구팀(최인희 교수, 박현성 교수, 안현지 석사, 장수정 박사)은 종양유전자 유발 노화 과정에 의해 급격한 공간적 재배치가 일어나는 히스톤 수식화인 H3K9me3와 H3K27me3를 플라스몬 금속 나노입자로 표적하였을 때, 나노입자 간 거리가 가까울 경우 나타나는 특유의 커플링 현상에 의하여 노화 과정이 진행됨에 따라 산란 색과 산란 파장의 형태가 역동적으로 변화함을 확인하였다. 

플라스몬 커플링이란 두 개 이상의 플라스몬 금속 나노입자 사이의 거리가 특정 범위 이하로 가까워졌을 때 각 나노입자들의 공명이 혼성화 되어 광학 신호가 변화하는 현상이다.

이를 이용하면 기존의 세포 이미징에 주로 사용되어 온 유기형광 분자와 비교했을 때보다 더 높은 해상도로 세포 내 표적 위치의 거리 및 공간 분포에 대한 정보를 획득할 수 있게 된다.

연구팀은 상기의 원리를 세포핵 내 히스톤 수식화의 3차원적 분포를 예측하는데 처음으로 적용하였고, 금과 은 나노입자의 조합을 통해 산란 파장 변화를 극대화시켜 히스톤 수식화의 분포를 더 효과적으로 분석할 수 있음을 입증했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구실과제, 신진연구과제, 기본연구과제, 중견연구과제와 삼성미래기술육성사업 지원을 받았으며, 세계적인 과학 저널인 『Nature Communications』지 온라인 판에 10월 8일자로 게재되었다. 

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