서울시립대학교와 한밭대학교의 공동연구팀이 플라즈몬 금속 나노입자(예: 금 또는 은 나노입자)를 이미징 프로브로 세포 핵 내 히스톤 수식화의 공간적 분포를 분석하는 새로운 방법을 개발했다. 특히,  플라즈몬 금속 나노입자가 배치되는 양상에 따라 고유의 산란 색과 산란 파장 형태가 달라지는 현상을 이용하여 3차원적으로 변화하는 표적 히스톤 코드의 분포와 거리를 실험과 시뮬레이션을 통하여 예측하였다. 이는 향후 세포 내 다양한 히스톤 수식화, 바이오마커의 거동을 연구할 수 있는 효과적인 접근 방법으로 활용될 전망이다.

히스톤은 뉴클레오솜의 중심 단백질로, DNA 사슬이 감기는 실패 역할을 하여 유전자의 발현 조절에 중요한 기능을 한다. 히스톤의 다양한 수식화 조합인 히스톤 코드는 전사, 복구, 복제 등과 같은 염색질의 거의 모든 이벤트에 관여하는 판독 단백질(reader protein)에 의해 인식되며 염색질의 구조, 3차원 위치와도 밀접한 관련이 있다. 따라서 히스톤 코드, 염색질 구조에 일어나는 변화는 암 또는 노화 등 질병 특이적 세포 변화와 밀접한 관련이 있어 세포 수준에서의 히스톤 수식화의 공간적 분포를 시각화하고 분석하는 기술이 향후 지속적으로 발전될 필요가 있다.

서울시립대 생명과학과 연구팀 (최인희 교수, 박현성 교수, 안현지 석사, 장수정 박사)은 종양유전자 유발 노화 과정(Oncogene-Induced Senescent, OIS)에 의해 급격한 공간적 재배치가 일어나는 히스톤 수식화인 H3K9me3와 H3K27me3를 플라즈몬 금속 나노입자로 표적하였을 때, 나노입자 간 거리가 가까울 경우 나타나는 특유의 커플링 현상에 의해 노화 과정이 진행됨에 따라 산란 색과 산란 파장의 형태가 역동적으로 변화함을 확인하였다. 이는 나노기술을 생명과학 분야에 적용한 바이오 융합 연구의 대표적인 사례를 보여준 우수한 연구 실적이다.

플라즈몬 커플링(coupling)이란 두 개 이상의 플라즈몬 금속 나노입자 사이의 거리가 특정 범위 이하로 가까워졌을 때, 각 나노입자들의 공명이 혼성화되어 광학 신호가 변화하는 현상이다. 이 현상을 이용하면 기존의 세포 이미징에 주로 사용된 유기형광 분자와 비교했을 때보다 더 높은 해상도로 세포 내 표적 위치의 거리와 공간 분포에 대한 정보를 얻을 수 있다.

특히 한밭대학교 송지환 교수, 김윤 석사과정과의 공동연구를 통해 컴퓨터 시뮬레이션에 기반한 이론적 분석으로 이미징 프로브로 사용된 플라즈몬 금속 나노입자의 3차원적 배열, 거리, 개수에 따른 산란 파장의 변화를 계산하고 실제 실험 결과와 비교하여 세포 내 표적 위치 간 거리와 분포를 예측했다.

연구팀은 이 원리를 세포핵 내 히스톤 수식화의 3차원적 분포를 예측하는 데 처음으로 적용하였고, 금 나노입자와 은 나노입자를 조합하여 산란 파장 변화를 극대화시켜 히스톤 수식화의 분포를 더 효과적으로 분석할 수 있다는 점을 증명했다.

이번 연구는 박현성 교수가 연구책임을 맡은 기초연구실 과제인 ‘세포의 경험이 기록된 히스톤 코드의 새로운 해석’과 관련하여 수행된 연구결과다. 이외에도 연구재단 중견연구과제, 신진연구과제 및 기본연구과제와 삼성미래기술육성사업 지원을 받아 수행하였다.

이 연구는 세계적인 과학 저널인 ‘Nature Communications’지 온라인 판에 10월 8일자로 게재되었다.