KAIST, 같은 자극에 세포별 다른 반응 원인 밝혀

김재경 교수팀, 수학 모델로 세포 내 신호전달 체계서 세포 간 이질성 원인 확인

'속도 제한 단계 수에 비례'한 이질성 규명, 대장균 항생제 반응으로 검증

[대전=뉴시스] 항생제 투여 후 시간에 따른 대장균(E. coli) 반응 신호의 세기를 형광 단백질을 통해 측정한 시계열 자료. 두 군집에서 신호 세기의 이질성이 관측되며 크기가 서로 다르게 나타난다(A). B는 연구 결과 도식으로 신호 전달에 관여하는 속도 제한 단계의 수가 많아질수록 최종적으로 반응하는 신호의 세기의 이질성이 커짐을 알 수 있다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 항생제와 같이 동일한 외부자극에 세포마다 반응하는 정도가 다른 근본적인 원인을 국내 연구진이 밝혀냈다.

KAIST는 수리과학과 김재경 교수(기초과학연구원 의생명수학 그룹 겸임) 연구팀이 외부자극에 대한 세포 간 이질성(cell-to-cell heterogeneity)의 크기가 세포 내 신호전달 과정의 반응속도 제한 단계(rate-limiting step) 수에 비례한다는 사실을 규명했다고 21일 밝혔다.

연구팀에 따르면 동일한 외부자극을 세포들에 가했을 때 반응하는 정도가 달라 약물에 대한 이질적인 반응과 약물내성이 강한 존속성 세균(persister cell)이 발생한다.

이런 현상을 유발하는 세포 간 이질성에 신호전달 체계를 이루는 많은 중간 과정들이 영향을 미친다는 것이 소개됐지만 모든 중간 과정을 직접 관측하는 것이 현재 기술로는 불가능했다.

김 교수 연구팀은 이번 연구서 세포 내 신호전달 체계를 묘사하는 큐잉 모형(Queueing model)을 개발한 뒤 이를 바탕으로 통계적인 추정 방법론인 베이지안 모형(Bayesian model)과 혼합 효과 모형(Mixed-effects model)을 결합해 신호 체계의 중간과정에 대한 관측 없이도 신호 체계를 분석할 수 있는 컴퓨터 소프트웨어(MBI)를 개발했다.

이를 통해 외부 자극에 반응하는 세포 간 이질성이 신호전달 체계를 구성하는 속도제한 단계의 수에 비례한다는 사실을 확인했다.

신호전달 체계에 관여하는 다양한 생화학 반응은 순차적으로 진행되는 사슬과 같은 형태를 띄는 경우가 많다. 이렇게 연속된 반응들 중 가장 속도가 느린 반응들을 속도제한 단계라 부르며 이 반응들이 전체 반응의 속도를 결정하게 된다.

김 교수는 "수많은 중간과정 중 가장 느린 속도로 일어나서 전체 신호전달 속도에 가장 큰 영향을 미치는 속도제한 단계의 수가 커질수록 반응 신호의 세포 간 이질성이 커진다는 것을 밝혔다"며 "신호전달 체계를 이루는 속도 제한 단계의 수가 늘어날수록 유전적으로 같은 세포 집단일지라도 전달하는 신호가 더 다양하게 나타날 수 있다는 뜻"이라고 설명했다.

또 김 교수팀은 실제 대장균(E. coli)의 항생제 반응 실험 데이터를 이용해 이번 연구에 대한 이론적 결과도 검증했다.

외부자극에 대한 반응 이질성은 항암치료 시 화학요법을 적용할 때 암세포의 완전사멸을 막는 원인 중 하나로 세포 간 이질성 유발 요인을 제시한 이번 연구는 화학요법 치료의 효과 개선에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST 김대욱 박사와 홍혁표 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 온라인판에 지난 18일자에 실렸다.(논문명 : Systematic inference identifies a major source of heteogeneity in cell signaling dynamics: the rate-limiting step number)

김 교수는 "수리 모델을 통해 항암 치료시 중요하게 고려되는 세포 간 이질성에 대한 이해도를 높인 연구"라며 "이번 성과를 통해 항암치료 개선방안이 개발되길 기대한다"고 말했다.


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