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형광공명에너지전이 알파카테닌 센서를 활용한 세포 부착접합부에서의 힘 전달 이미징
장윤관 ( Yoon-kwan Jang ),서정수 ( Jung-soo Suh ),석명은 ( Myungeun Suk ),김태진 ( Tae-jin Kim ) 한국화학공학회 2021 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.59 No.3
캐드헤린-카테닌 복합체는 세포의 부착 접합부에서 힘의 전달에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다. 그러나 기계적 힘 신호를 시각화 하고 감지하는 적절한 도구의 부재로, 캐드헤린-카테닌 복합체가 세포 간 접합에서 힘 전달을 조절하는 기본 메커니즘은 아직 파악하기가 어렵다. 본 연구에서는 형광공명에너지전이를 기반으로 설계된 알파카테닌 센서를 사용하여 캐드헤린에 의해 매개되는 힘 전달을 시각화 하였다. 이러한 결과는 알파카테닌이 세포-세포 접합부에서 캐드헤린 매개 기계적에너지변환(mechanotransduction) 경로의 핵심적인 힘 트랜스듀서(force transducer) 임을 보여준다. 본 연구는 향후 기계적 힘의 세포-세포 상호간의 의사소통에 미치는 영향과 생리학적/병리학적 현상과의 관계를 연구하는 데 중요한 이해를 제공할 것이라 본다. Cadherin-Catenin complex is thought to play an essential role in the transmission of force at adherens junction. Due to the lack of proper tools to visualize and detect mechanical force signals, the underlying mechanism by which the cadherin-catenin complex regulates force transmission at intercellular junctions remains elusive. In this study, we visualize cadherin-mediated force transmission using an engineered α-Catenin sensor based on fluorescence resonance energy transfer. Our results reveal that α-catenin is a key force transducer in cadherin-mediated mechanotransduction at cell-cell junctions. Thus, our finding will provide important insights for studying the effects of chemical and physical signals on cell-cell communication and the relationship between physiological and pathological phenomena.
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미세파상 패턴 ECM 에서 세포질 FAK 신호의 실시간 FRET 이미징
서정수,장윤관,김태진 대한의용생체공학회 2019 의공학회지 Vol.40 No.1
Human mesenchymal stem cells (hMSC) are multipotent stromal cells that have great potential to differentiate into a variety of cell types such as osteocytes, chondrocytes, and myocytes. Although there have been many studies on their clinical availability, little is known about how intracellular signals can be modulated by topographic features of the extracellular matrix (ECM). In this study, we investigated whether and how microwavy-patterned extracellular matrix (ECM) could affect the signaling activity of focal adhesion kinase (FAK), a key cellular adhesion protein. The fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based FAK biosensor-transfected cells are incubated on microwavy-patterned surfaces and then platelet derived growth factor (PDGF) are treated to trigger FAK signals, followed by monitoring through live-cell FRET imaging in real time. As a result, we report that PDGFinduced FAK was highly activated in cells cultured on microwavy-patterned surface with L or M type, while inhibited by H type-patterned surface. In further studies, PDGF-induced FAK signals are regulated by functional support of actin filaments, microtubules, myosin-related proteins, suggesting that PDGF-induced FAK signals in hMSC upon microwavy surfaces are dependent on cytoskeleton (CSK)-actomyosin networks. Thus, our findings not only provide new insight on molecular mechanisms on how FAK signals can be regulated by distinct topographical cues of the ECM, but also may offer advantages in potential applications for regenerative medicine and tissue engineering.
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다양한 ECM 조건하에서의 세포막 미세영역 부위 국소접착인산화효소 활성의 단일세포 이미징 기반 분석
최규호,장윤관,서정수,김헌수,안상현,한기석,김은혜,김태진 한국생명과학회 2022 생명과학회지 Vol.32 No.2
국소접착인산화효소(FAK)는 국소접착부에서 세포부착, 세포이동, 세포역학적 신호전달 등에 관여한다고 알려져 있다. 그러나 세포 외 기질(ECM)과 상호작용하는 인테그린 막단백질과 함께 위치하는 세포막 미세영역(membrane microdomain)의 종류와 ECM 구성에 따른 FAK 활성은 여전히 불분명하다. 형광 공명 에너지 전달(FRET)을 기반으로 유전적으로 인코딩 된 바이오센서는 세포 내 FAK 신호를 높은 시공간 해상도로 제공할 수 있다. 본 연구에서는 유리, 제1형 콜라겐, 피브로넥틴, 라미닌의 ECM 조건에서 FRET 기반 막 표적 FAK 바이오센서를 사용하여 지질유동섬(Lipid raft) 및 비-지질유동섬(non-Lipid raft)에서 FAK의 활성을 분석하고 시각화 하였다. 흥미롭게도, 지질유동섬에서 라미닌 조건 하의 FAK 활성은 다른 ECM 조건보다 낮았고, 비-지질유동섬에서 FAK 활성은 다른 ECM 조건보다 낮았다. 동일한 ECM 조건 상의 비교에서는 피브로넥틴 조건일 때 지질유동섬에서 비-지질유동섬 보다 높은 FAK 활성이 관측되었다. 따라서 이번 연구는 FAK 활성도가 ECM 유형 및 세포막 미세영역에 따라 특이적으로 조절되는 것을 시각적, 정량적으로 보여준다. Focal adhesion kinase (FAK) is known to regulate cell adhesion, migration, and mechanotransduction in focal adhesions (FAs). However, studies on how FAK activity is regulated in the plasma membrane microdomains according to the composition of extracellular matrix (ECM) proteins are still lacking. A genetically encoded fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based biosensor can provide useful information on the activity of intracellular signals with high spatiotemporal resolution. In this study, we analyzed the FAK activities in lipid raft (detergent-resistant membrane) and non-lipid raft (non-detergent-resistant membrane) microdomains using FRET-based membrane targeting FAK biosensors (FAK-Lyn and FAK-KRas biosensors) under four different ECM protein compositions: glass, type 1 collagen, fibronectin, and laminin. Interestingly, FAK activity in response to laminin in a lipid raft microdomain was lower than that in other ECM conditions. Cells subjected to fibronectin showed higher FAK activity in a lipid raft microdomain than that in a non-lipid raft microdomain. Therefore, this study demonstrates that the FAK activity can be distinctively regulated according to the ECM type and the environment of the plasma membrane microdomains.
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유전적으로 암호화된 FRET 바이오센서를 통한 세포막 하위 도메인의 Src 활성 비교 분석
최규호,장윤관,서정수,김헌수,안상현,김태진 한국생명과학회 2023 생명과학회지 Vol.33 No.2
세포막의 국소 접착부 복합체에 있는 한 구성원으로써 Src은 비수용체 타이로신 인산화효소 중 하나로 세포부착과 세포 이동성을 조절한다. 그러나 extracellular matrix (ECM)의 구성에 따라 세포막 미세영역에서 어떻게 Src 활성이 조절되는지는 여전히 잘 알려져 있지 않다. 본 연구는 유전적으로 암호화된 FRET 기반 세포막 하위 도메인 표적 Src 바이오센서를 이용해서 3개의 각기 다른 대표적 ECM 단백질인 제1형 콜라겐, 피브로넥틴, 라미닌에 따른 Src의 활성도를 비교 및 조사하였다. FRET 기반 바이오센서는 살아있는 세포에서 단백질의 활성을 시공간적 고해상력을 토대로 실시간으로 분석할 수 있게 해준다. 결과적으로 모든 ECM 조건에서 지질유동섬(Lipid raft)에서 높은 Src 활성을 보였고 ECM 조건에 따라 큰 차이를 보이지 않았다. 반면에 비-지질유동섬(non-Lipid raft)에선 낮은 Src 활성을 보였다. 게다가 같은 ECM 조건일 때 지질유동섬에서 비-지질유동섬보다 높은 Src 활성을 보였다. 따라서 본 연구는 Src 활성이 지질유동섬과 비-지질유동섬에 따라 다르게 조절된다는 것을 보여주었다.
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