신경퇴행성질환인 ‘타우병’을 일으키는 타우 단백질의 병리학적 현상을 형광단백질의 방출파장 변화를 측정해 탐지·분석하는 바이오센서가 개발됐다. 이 시스템은 여러 특정 DNA 조각을 분리해 재조합하는 ‘분자클로닝’ 기술을 이용한 DNA 형태의 유전자인코딩 바이오센서로, 세포나 생채조직에 주입·발현시켜 다양한 용도로 사용할 수 있다. 

특히, 이 기술은 형광현미경을 접목해 단일세포 내 실시간 상호작용 변화를 고해상도로 ‘이미징’ 할 수 있어, 향후 바이오센서-세포 모니터링 시스템 구축을 통해 병리학적 타우의 조절약물 개발 연구와 타우병증 및 치매 연구에 기여할 것으로 기대된다. 

생명과학과 김태진 교수 연구팀이 형광공명에너지전이(FRET) 현상을 기반으로 단일세포의 특성을 분석하는 타우 단백질 바이오센서를 개발한 이번 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 국제저널인 『Biosensors & Bioelectronics』 온라인 7월 16일자에 게재됐다.

- 논문 제목: TAUCON and TAUCOM: A novel biosensor based on fluorescence resonance energy transfer for detecting tau hyperphosphorylation-associated cellular pathologies(TAUCON 및 TAUCOM: 타우 과인산화 연관 세포 병리를 감지하기 위한 형광 공명 에너지 전달 기반의 새로운 바이오센서)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115533 

‘타우병’은 세포 내 타우 단백질의 과(過)인산화-절단-구조변화-응집으로 이어지는 비정상적인 형태 변화를 특징으로 하는 신경 퇴행성 질환이다. 하지만 이러한 병기 과정을 촉발하는 분자 메커니즘이나 원인 파악이 제대로 이뤄지지 않아, 현재 타우 단백질을 탐지하는 진단 마커 관련 연구는 낮은 정확성과 해상력, 병리학적 후기 단계를 탐지하는 정도로 한계를 보여 왔다. 이에, 타우의 초기 분자역학을 정밀하게 모니터링 할 수 있는 시스템 구축이 시급한 상황이다.

김태진 교수팀은 이러한 한계를 극복하고자 형광공명에너지전이 기반의 두 바이오센서, TAUCON(타우 과인산화에 의한 구조변화 탐지 바이오센서)와 TAUCOM(타우-미세소관 분리에 의한 구조변화 탐지 바이오센서)을 개발했다.

‘형광공명에너지전이’는 여기(excitation, 전자가 에너지를 흡수해 기존 상태보다 들뜬 상태)와 방출(emission) 파장대가 다른 두 형광단백질(공여자, 수여자)이 물리적 거리가 가까워지면 여기 된 공여자 형광단백질의 에너지가 수여자로 전달돼 수여자 형광단백질 파장대의 빛으로 방출되는 현상이다. 

(좌) 타우의 병리학적 과정 및 바이오센서 개발의 필요성 

(우) 두 가지 타입의 타우 바이오센서(TAUCON, TAUCOM) 모식도 및 세포 내 작동 메커니즘

연구팀은 이를 이용해 타깃(target) 단백질에 형광단백질을 결합해 단백질들 간의 상호작용을 확인하는 바이오센서 개발에 성공했다. 이러한 바이오센서들은 높은 민감성을 갖고 있어 형광현미경을 활용한 실시간 고해상도 이미징을 통해 단일세포 수준에서 신호기전의 정교한 분석이 가능하다. 

연구팀은 과인산화 된 타우 단백질의 5-15와 312-322번 아미노산이 상호작용하는 구조 변화에 기인해 각 서열 끝에 형광단백질을 부착한 형태의 TAUCON 바이오센서를 개발하고, 고해상도 단일세포 이미징을 통해 키네이스(kinase, 인산화효소) 과잉활성 시 바이오센서가 작동함을 검증했다. 또한, 병리학적 타우의 후기 단계에 해당하는 응집 바이오센서 BiFC-Tau와 비교해 상대적으로 이른 시간에 감지함으로써 타우병증의 초기 변화를 탐지하는 바이오센서임을 확인했다.

TAUCOM 바이오센서는 타우 단백질이 paper-clip 구조로 미세소관과 상호작용함에 기반해 제작됐다. 미세소관을 붕괴하는 약물 혹은 타우와 경쟁해 미세소관에 결합하는 약물 처리 시 바이오센서의 구조 변화를 확인했다.

연구책임을 맡은 김태진 교수는 “이번에 개발한 바이오센서를 활용한 세포·동물 모델에서의 모니터링 시스템 기술은 신경퇴행성질환 연구자에게 고해상도 실시간 이미징 기반 연구 재료 및 프로토콜을 제공할 수 있다”며 “초고령화 사회에서 필수적으로 선행돼야 하는 신경퇴행성질환의 조기진단 및 치료제 발굴의 활용도 높은 도구로 활용될 것을 기대한다”고 밝혔다. 

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업과 바이오의료기술개발사업, 기초연구실(BRL) 지원사업을 통해 이뤄졌다. 생명시스템학과 안상현(22학번) 박사과정생이 제1저자, 연구책임자인 생명과학과(대학원 생명시스템학과) 김태진 교수가 교신저자로 수행했다. 

* 인물 사진: 왼쪽부터 제1저자 안상현 박사과정생, 교신저자 김태진 교수

[Abstract]

Tauopathies are neurodegenerative diseases characterized by abnormal conformational changes in tau protein. Early hyperphosphorylation-induced conformational changes are considered a hallmark of tauopathy, but real-time tracking methods are lacking. Here, we present two novel fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based tau biosensors that detect such changes with high spatiotemporal resolution at the single-cell level. The TAUCON biosensor measures instantaneous conformational changes in hyperphosphorylated tau within 20 minutes, while the TAUCOM biosensor detects changes in the paper-clip structure of microtubule-associated tau. Our biosensors provide faster and more precise detection than conventional methods and can serve as valuable tools for investigating the initial causes, mechanisms, progression, and treatment of tauopathies.

* Reference

- First author: Sanghyun Ahn¹

- Corresponding author: Tae-Jin Kim^{1 2 3}

  (Pusan National University)

  1. Department of Integrated Biological Science 

  2. Department of Biological Sciences

  3. Institute of System Biology

- Title of original paper: TAUCON and TAUCOM: A novel biosensor based on fluorescence resonance energy transfer for detecting tau hyperphosphorylation-associated cellular pathologies

- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095656632300475X 

- Journal: Biosensors & Bioelectronics

- DOI: 10.1016/j.bios.2023.115533