연구성과

화학 장영태 교수팀, 백혈구 속 ‘호중구’ 골라서 염색한다

2021-09-08 232

[살아 있는 세포 선별 통한 호중구 선택적 형광 프로브 개발]

백혈구는 식균 작용을 하여 우리 몸을 방어해 주는 일을 한다. 그래서 우리 몸을 지켜주는 군대라고도 하는데, 백혈구 중에서 가장 많은 비율(55~70%)을 차지하는 것이 호중구다. 이 호중구가 세균이나 곰팡이들과 맞서 싸우는 역할을 맡기 때문에 호중구가 부족하면 면역력에 이상이 생긴다. 호중구는 혈액을 따라 순환하다가 감염 또는 염증이 발생한 조직으로 이동하는데, POSTECH 연구팀이 살아 있는 호중구를 구별하는 방법을 내놓았다.

화학과 장영태 교수(기초과학연구원 복잡계 자기조립 연구단 부단장), 융합대학원 이순혁씨, 기초과학연구원 민 가오(Min Gao)씨 연구팀은 울산대학교병원과 공동연구를 통해 대사 활성 호중구*1를 구별하고, 이에 반응하여 선택적으로 표적하여 형광 신호를 내는 첫 번째 형광 프로브 “NeutropG”를 개발했다. 이번 연구는 우수성을 인정받아 종합화학 분야의 세계적 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 지난달 19일 게재됐다.

형광 프로브란 특정한 이온이나 물질을 인지하였을 때, 빛 신호를 통해 인지 여부를 나타내는 광 감응제이다. 인간의 살아 있는 호중구를 구별해 내는 것은 임상진단뿐만 아니라 감염 또는 염증 치료법을 찾는 데 있어 중요하다. 과립구 중에서 살아 있는 호중구의 구별을 위한 저분자 기반 프로브는 아직까지 개발되지 않았다.

한편, 특정 세포를 식별하기 위해서 항체를 활용하는데, 세포 투과율이 낮은 항체는 세포 내부의 생체표지자(biomarker, 바이오마커)를 확인하는데 제약이 있다. 바이오마커를 확인하기 위해서는 세포 고정·투과 과정이 필요한데, 전처리 과정을 거치면 ‘살아 있는 상태’와 차이가 있다. 이러한 차이는 살아 있는 세포를 연구할 때, 항체의 선택에 제약이 생긴다.

연구팀은 항체가 지닌 제약과 한계를 극복하기 위해서 상대적으로 세포 투과율이 높은 저분자 기반 형광 화합물로 대체하고자 했다. 이번에 개발된 NeutropG는 지질 방울 생합성(lipid droplet biosynthesis)*2을 통해서 호중구에 선택적으로 표지되며, 이는 ACSL(Long-chain acyl-CoA synthetases)*3과 DGAT(Diglyceride acyltransferase)*4라는 효소 유전자 발현율의 차이에서 비롯됐음을 확인했다.

이들 효소의 작용에 의해 NeutropG가 지질 방울의 구성 성분인 트리아실글리세롤(triacylglycerol: TAG)로 변화되는 것을 확인했으며, 이는 기존의 결합지향(Holding Oriented Live-cell Distinction: HOLD) 혹은 수송지향(Gating Oriented Live-cell Distinction: GOLD)과는 전혀 다른 새로운 대사지향 세포식별(Metabolism Oriented Live-cell Distinction: MOLD)이라는 독특한 메커니즘을 활용한 것이다. 또한, 호중구의 식세포 작용을 관찰하는 데 활용됐고, 이를 통해 장시간 안정적으로 염색할 수 있을 뿐만 아니라 세포의 기능에 큰 영향을 미치지 않음을 입증했다.

이번 연구를 통해 NeutropG가 건강한 호중구를 선택적으로 염색하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 신선한 혈액 표본 내에서 호중구 수치를 정확하게 정량화했다. 이처럼 높은 호중구 선택성은 임상진단으로 확장할 가능성을 보였다.

연구를 주도한 장영태 교수는 “NeutropG는 전혈 내에서 살아 있는 호중구를 선택적으로 구분하는 최초의 사례이다”며, “특히 대사 특이적인 메커니즘은 건강한 호중구를 선택적으로 식별할 수 있다는 강점을 지니고 있다”고 말했다.

이 연구는 기초과학연구원 운영지원 사업의 일환으로 수행됐다.
 


1. 호중구(또는 중성구)
골수 내의 조혈 줄기세포에 의해 형성되며, 선천 면역의 주요한 역할을 담당하고 있는 대표적인 과립구 세포이다. 호중구는 대부분 포유류의 백혈구 중에서 가장 높은 비율(55~70%)을 차지하고 있다.

2. 지질 방울 생합성(lipid droplet biosynthesis)
세포 내 지질 저장기관인 지질 방울(lipid droplet)을 만드는 과정을 의미하며, 소포체(ER, endoplasmic reticulum)에서 일어나는 것으로 알려져 있다.

3. ACSL(Long-chain acyl-CoA synthetases)
긴 사슬 지방산에 CoA(Coenzyme A)를 표지해주어 활성상태인 아실코에이(Acyl-CoA)로 만들어주는 효소이다.

4. DGAT(Diglyceride acyltransferase)
디아실글리세롤(diacylglycerol)과 아실코에이(Acyl-CoA)를 반응시켜 중성지방인 트리아실글리세롤(triacylglycerol)을 만들어주는 효소이다.