생명과학과 윤부현·김태진 교수팀은 내분비계장애물질(환경호르몬)을 판별하는 세포주를 구축하고 이를 활용한 판별 시험법을 개발했다.

환경호르몬은 외부에서 유입돼 체내 호르몬의 생리 작용을 교란시키는 물질로, 오존층 파괴, 지구온난화와 함께 세계 3대 환경문제로 대두되고 있다. 이에 경제협력개발기구(OECD)는 환경호르몬 판별을 위한 다양한 검색 시험법의 가이드라인화를 추진하고 있는 가운데, 이번에 부산대 연구팀이 여성호르몬인 에스트로겐의 생리 작용을 교란시키는 에스트로겐성 환경호르몬을 판별할 수 있는 시험법 개발에 성공한 것이다.

환경호르몬이 국제적인 환경문제로 대두되면서 OECD 회원국을 중심으로 1998년부터 환경호르몬 판별 시험법 개발연구를 추진해 오고 있으며, 특히 최근 동물실험에 대한 윤리적 문제가 제기됨에 따라 환경호르몬 판별을 위한 동물대체시험법 개발이 요구되고 있다. 

윤부현·김태진 교수팀은 동물실험 없이 인체 세포주만으로 에스트로겐성 환경호르몬을 탐지할 수 있는 시험법을 개발했으며, OECD 시험가이드라인 검토를 거쳐 국제 표준 시험법으로 채택될 것으로 기대된다.

에스트로겐은 체내에서 에스트로겐 수용체와 결합해 에스트로겐 수용체의 이합체화*를 유도하고, 이를 통해 세포 내에서 여성호르몬으로서의 기능을 수행한다. 이때, 에스트로겐성 환경호르몬은 체내 정상 에스트로겐과 유사하게 에스트로겐 수용체의 이합체화를 유도해 내분비계 교란을 일으킨다고 알려져 있다. 

* 이합체화(oligomerization): 단백질 분자들이 두 개 이상 모여 특정한 구조를 형성하는 과정. 이 과정은 세포 내에서 다양한 생리적 반응 및 신호전달에 중요한 역할을 한다.

연구팀은 생물발광 공명에너지전이* 현상을 활용해 에스트로겐 수용체의 이합체화를 세포 수준에서 탐지할 수 있는 시험법을 개발했으며, 이를 통해 특정 물질이 에스트로겐성 환경호르몬인지 판별할 수 있다. 

* 생물발광 공명에너지전이: 발광물질과 형광물질이 10 nm 이하로 가까워져 빛에너지가 전이되는 현상으로, 두 단백질의 상호작용 및 인접성을 탐지하기 위한 기술로 사용된다.

기존 에스트로겐성 환경호르몬을 탐지하는 동물대체시험법은 방사성 동위원소를 이용한 평가시스템으로, 방사성 동위원소 표지에 있어 실험적 위험성이 존재하고 에스트로겐 이합체화 이후의 신호전달을 탐지하기 어렵다는 한계점이 지적됐다.

【인체 세포주-기반 에스트로겐성 환경호르몬 탐지 시험법】

생물발광 공명에너지전이 현상을 활용한 에스트로겐 수용체 이합체화 탐지 바이오센서 구축 및 최적화(왼쪽-위),
바이오센서 검증(오른쪽), 에스트로겐성 환경호르몬 스크리닝(왼쪽-아래)

연구팀이 개발한 시험법은 인체 세포주에 에스트로젠 이합체화를 감지하는 바이오센서*를 탑재해 위험 물질 없이도 쉽고 간편하게 환경호르몬을 판별할 수 있다. 또한, 바이오센서의 구조, 형광물질 종류 등 다양한 요소를 고려해 바이오센서를 최적화했으며, 이를 통해 저농도의 환경호르몬도 효과적으로 검출해낼 수 있음을 검증했다.

* 바이오센서: 생화학 반응에 의한 신호를 계측 가능한 신호로 바꾸는 생물학적 장치를 의미하며, 본 연구의 바이오센서는 에스트로겐 이합체화 정도를 생물발광 공명에너지전이 값 측정을 통해 확인한다.

연구팀은 해당 시험법의 검증을 위해 미국 국립 보건원에서 제시하는 환경호르몬 시험 물질 72종에 대한 판별시험을 완료했으며, OECD 시험가이드라인 검토를 앞두고 있다.

연구책임을 맡은 윤부현 교수는 “환경호르몬은 인체에 치명적인 영향을 줄 수 있음에도 불구하고 아직까지 명확한 감지 기술이나 평가 기준이 부재하다”며 “본 시험법의 OECD 가이드라인 제안을 통해 환경호르몬의 안전성 평가 기준을 확립하고, 국내 과학기술의 국제적 위상이 제고될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 바이오의공학 분야 국제 권위 학술지인 『Biomaterials Research』 3월 7일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Novel estrogen receptor dimerization BRET-based biosensors for screening estrogenic endocrine-disrupting chemicals (에스트로겐성 내분비계장애물질 스크리닝을 위한 신규 에스트로겐 수용체 이량체화 감지 생물발광 공명에너지전이-기반 바이오센서)

- DOI: 10.34133/bmr.0010

- 논문 링크: https://spj.science.org/doi/10.34133/bmr.0010 

이번 연구는 식약처 지원을 받아 수행됐으며, 생명시스템학과 최규호 박사과정생과 강현구 박사가 제1저자, 연구책임자인 윤부현 교수와 김태진 교수가 교신저자로 수행했다.

또한, 식약처 식품의약품안전평가원의 식품위해평가과 신영민 과장과 조혜진 주무관이 공동 저자로 참여해 실험실 간 교차검증을 통해 해당 연구에서 개발된 시험법의 재현성을 검증했다.

* 상단 인물사진: 왼쪽부터 윤부현 교수, 강현구 박사, 최규호 박사과정생, 김태진 교수.

[Abstract]

The increasing prevalence of endocrine-disrupting chemicals (EDCs) in our environment is a growing concern, with numerous studies highlighting their adverse effects on the human endocrine system. Among the EDCs, estrogenic endocrine-disrupting chemicals (eEDCs) are exogenous compounds that perturb estrogenic hormone function by interfering with estrogen receptor (ER) homo (α/α, β/β) or hetero (α/β) dimerization. To date, a comprehensive screening approach for eEDCs affecting all ER dimer forms in live cells is lacking. Here, we developed ER dimerization-detecting biosensors (ERDDBs), based on bioluminescence resonance energy transfer, for dimerization detection and rapid eEDC identification. To enhance the performance of these biosensors, we determined optimal donor and acceptor locations using computational analysis. Additionally, employing HaloTag as the acceptor and incorporating the P2A peptide as a linker yielded the highest sensitivity among the prototypes. We also established stable cell lines to screen potential ER dimerization inducers among estrogen analogs (EAs). The significant EAs were categorized through cross-comparison of ER dimer responses, utilizing EC values derived from a standard curve established with 17β-estradiol. We successfully classified 26 out of 72 EAs, identifying which ER dimerization types they induce. Overall, our study underscores the effectiveness of the optimized ERDDB for detecting ER dimerization and its applicability in screening and identifying eEDCs.

* Reference

- First authors: Gyuho Choi¹, Hyunkoo Kang¹

- Corresponding authors: Tae-Jin Kim¹², BuHyun Youn¹²³
1. Department of Integrated Biological Science, Pusan National University
2. Department of Biological Sciences, Pusan National University
3. Nuclear Science Research Institute, Pusan National University

- Title of original paper: Novel estrogen receptor dimerization BRET-based biosensors for screening estrogenic endocrine-disrupting chemicals

- Journal: Biomaterials Research

- https://spj.science.org/doi/10.34133/bmr.0010

- DOI: 10.34133/bmr.0010

출처: PNU리서치 https://www.pusan.ac.kr/kor/CMS/Board/Board.do?mCode=MN270&mgr_seq=68&&mode=view&board_seq=1495435&