프로테오믹스는 생물체 안에 포함되어 있는 단백질을 통합적으로 연구한다. 단백질을 동정(Protein identification)하고, 단백질의 상태를 분석(Protein characterization)하며, 단백질의 양적 변화를 관찰(Protein quantitation)한다. 단백질에 대한 분석, 특히 질량분석기에 의해 초고속으로 대량의 단백질 데이터를 생산하는 프테테오믹스의 연구는 정량적인 단백질 발현양상분석의 정확도를 높이고 분석시간을 단축하기 위해 다양한 실험기법과 데이터 분석기법을 동원하고 있다. 1) 단백질의 양적 차이나 양적 변화의 관찰은 바이오마커를 발굴하고 생명현상의 메카니즘을 규명하여 그 결과를 신약개발에 활용하기 위한 기초 연구이다. 이 글에서는 프로테오믹스 연구의 초창기부터 사용되어온 2차원 전기영동법에 의해 생성되는 2D-gel image에서의 스팟(spot)분석법과 함께, 탄뎀 질량분석기를 사용하는 ICAT, SILAC 등의 동위 원소를 사용한 라벨링(labeling) 방법, 라벨링을 하지 않는 label-free 방법 등 프로테오믹스에서의 정량분석법에 대한 기본 개념을 살펴보고, 이들에서의 데이터 분석 기술의 적용에 대해 간략히 소개하였다.
한국생물정보시스템생물학회 2006년도 Principles and Practice of Microarray for Biomedical Researchers
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pp.38-44
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2006
프로테오믹스는 생물체 안에 포함되어 있는 단백질을 통합적으로 연구하는 학문이다. 단백질을 동정(Protein identification)하고, 단백질의 상태를 분석(Protein characterization)하며, 단백질의 양적 변화를 관찰(Protein quantitation)한다. 유전자로부터 mRNA 로 복제되고 codon 의 규칙에 따라 합성되는 단백질이 세포 내에 얼만큼 존재하는가라는 단백질의 양적인 변화는 세포 내의 환경에 따라 시시각각 변화할 수 있으며, 이러한 변화의 추적은 단백질의 기능을 밝히는 기초자료로서 중요성을 가진다. 특히 질병의 조기 진단을 위한 바이오마커를 발굴하기 위한 스크리닝 역할로서, 단백질의 발현 양상을 비교하는 프로테오믹스는 기대를 모으고 있다. 단백질에 대한 분석, 특히 질량분석기에 의해 초고속으로 대량의 단백질 데이터를 생산하는 프로테오믹스의 연구는 정량적인 단백질 발현양상 분석의 정확도를 높이기 위해 다양한 실험기법과 데이터 분석기법을 동원하고 있다. 이번 발표에서는 프로테오믹스에서 단백질의 양을 측정하기 위한 실험 방법들과 그에 따른 데이터 분석 방법들을 소개하고자 한다. 프로테오믹스 연구의 초창기부터 사용되어온 2차원 전기영동법에 의해 생성되는 2D-gel image 에서의 spot 분석법으로부터, 탄뎀 질량분석기를 사용하는 ICAT, iTRAQ 등의 labeling 방법에 의한 정량분석, 그리고 질량분석기의 정확도를 최대한으로 활용하는 label-free 방법에 대한 기본 개념을 살펴보고 데이터 분석 기술의 적용 방법을 알아본다.
미생물 군집과 기능연구를 위한 최근의 새로운 분석기술의 발전은 다양한 유전 관련 정보를 제공해왔다. mRNA를 포함하는 핵산을 기초로 한 연구를 뛰어넘어서 메타프로테오믹스는 미생물 군집의 유전형 및 표현형의 특징적인 정보를 보다 정교하게 제공할 수 있다. 이미 서로 다른 미생물 생태계인 해수, 인간의 배설물, 활성 슬러지, 산성 광산 폐수 생물막, 토양 등에 메타프로테오믹스 기술이 유용하게 사용되었다. 이들 연구는 여러 측면에서 상당히 다르지만 미생물 군집의 구조, 기능, 생리, 상호관계, 생태, 진화적 측면을 결정적으로 상호 연결한다는 것을 밝혀냈다. 본 총설은 메타프로테오믹스에 대한 현재까지의 가장 최신의 정보를 요약하여 제공함으로써 메타프로테오믹스에 대한 정확한 이해와 활용을 통해 다방면의 메타프로테오믹스가 가능하도록 하고자 하였다.
관절염은 증상 발현 이후 치료 효과가 매우 더디게 나타나기 때문에 조기 발견과 그에 따른 적절한 처치가 무엇보다도 중요하다. 따라서 많은 연구자들은 관절염 질환모델을 통한 조기 진단 인자의 발견을 위해 그 동안 지속적으로 연구해 오고 있는 실정이다. 개에서 고관절 탈구와 이형성은 정형외과에서 흔한 질병으로 고관절의 관절염과 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 관절염 유발을 위해서는 흔히 대퇴골두인대의 절단이 필요한데 이는 대퇴골두인대의 절단을 통해 관절의 움직임을 극대화 시키기 위한 방법이다. 지금까지 유발 관절염에 대한 관절액의 분석을 위해서 프로테오믹스를 이용한 연구는 매우 드물다. 실험동물은 열 마리의 건강한 수컷 비글견을 사용하였으며, 나이는 2-3세 (평균 $2.57{\pm}0.20$ 살), 몸무게는 10 - 16kg (평균 $11.90{\pm}1.68 kg$) 이었다. 실험 기간 동안 방사선검사, 일반혈액검사, 혈청화학검사상 특이사항이 없었다. 실험동물은 술 후 평균 일주일에 보행을 하였다. Proteomic 검사 상, 관절액의 단백질 변화가 보여졌으며 단백질의 변화의 유의성검증을 위해 ANOVA (p < 0.05)테스트를 실시하였다. 실험 결과로는 프로테오믹스 검사에서는2개의 단백질 점(Vitamin D-binding protein precursor, ANOVA (p < 0.004); Kinogen-1, ANOVA (p < 0.039))이 유의성 있게 증가되는 모습이 확인하였다(ANOVA (p < 0.05)). 이 두 단백질은 류마티스 관절염, 혹은 퇴행성 관절염에서도 증가하는 경향이 있는 것으로 알려져 있다. 이 실험에서 관절염 유발 방법으로 이용한 대퇴골두인대의 절단은 관절염 유발에 적절한 모델이었으며 또한 고관절에서 관절액 단백질의 변화를 유도할 수 있는 적합한 방법이라고 생각된다. 따라서 관절염 유발 모델에서 프로테오믹스를 이용한 관절액 변화의 관찰은 실제 임상에 있어서 관절염 조기 진단방법으로 매우 유용성이 있을 것으로 생각된다.
생명정보 분야의 발전과 더불어 과거 축적되어 온 방대한 양의 생물학 데이터들이 이질적인 형태로 데이터베이스화 되어있다 특히, 인간게놈프로젝트의 완료 후에 유전자 및 단백질의 기능을 밝히기 위한 지노믹스 및 프로테오믹스 연구가 활발해졌다. 새로운 생물학적 과정을 탐색하기 위해서는 기존에 존재하는 생물학 데이터베이스의 데이터를 수집하기 위한 기술적인 검색 능력이 필요하다. 전산지식이 부족한 대부분의 생물학자들은 공개용 데이터베이스로부터 필요한 정보를 획득하는데 어려움을 격고 있다. 각 분야의 생물학자들이 공개용 데이터베이스로부터 자신의 분야에 관련된 데이터를 검색?추출하는 작업을 수월하게 해 줄 검색 시스템이 필요하다. 따라서, 에이전트를 이용하여 공개용 데이터베이스로부터 정보를 수집하는 사용자 중심의 개인용 검색시스템을 제안하고자 한다. 또한, 검색시스템을 이용하여 생물학자가 지노믹스와 프로테오믹스의 실험적인 접근을 위해 원하는 많은 양의 특정 도메인의 데이터를 검색하고 질의된 결과를 개인 컴퓨터에 2차 데이터베이스를 만들어 저장한다. 사용자에 의해 생성된 특정 분야의 도메인인 2차 데이터베이스를 통해 데이터의 접근의 편리성과 생물학 정보의 분석의 용이성을 얻을 수 있다.
프로테오믹스(proteomics, 단백질체학이라고도 함)의 잠재적 중요성은 간질환, 심장질환, 몇몇 종류의 암 등의 의학, 생식 독성, 발생 독성, 생체 독성 연구 분야에서도 명백하게 제시되었다. 그러나 단백질을 대상으로 연구하여 유전자 기능을 연구하는 프로테오믹스 연구를 각각의 분야에 접목시키려는 노력은 아직까지 빈약하다. 프로테오믹스는 기능을 갖는 단백질들의 발현을 종합적이고 정량적으로 측정하는 가장 직접적인 수단이고, 질병, 약물투여, 쇼크, 내분비계 장애물질 등 생물학적인 동요(perturbation)에 의하여 변하는 단백질들의 발현 양상 변화를 정확하게 관찰할 수 있게 한다. 그리고 생체내 유전자 발현의 궁극적인 양상을 규명할 수 있으며, 또한 유전자, 단백질 및 질병간의 연결고리를 제공한다. 기존의 biomarker는 다른 질병 표지자와 연관성이 높아 직접적인 biomaker와 정확한 연관을 판정하기 어렵다. 따라서 대량 발굴 탐색(high-throughput screening)이 가능한 2차원 전기 영동 분석과 MALDI-TOF또는 protein chip array와 SELDI-TOF에 의한 단백질 분자 구조 분석 기술 및 이들을 지원하는 생물정보학(bioinformatics)의 발전을 이용하여, 생식학 연구에 이용할 수 있는 표적 단백질 발굴 및 정성 정량적 연구에 적절한 이용이 가능할 것이다. 이러한 연구는 생식과정 중 배아 발생 및 조직 기관 발생 중 유전자 발현의 변화, 내분비계 장애물질 등 호르몬 및 독성 물질의 작용 기전, ecotoxicogenomics지표 marker의 변동 분석, 중간대사물질체학(metabolomics)에의 이용 등등의 연구에 필수적인 방법으로 발전할 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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