| 초록 |
1.분석자 서문 질량분석기의 기술적 진보로 인하여 지난 10년 동안 정량 단백질체학 연구가 상당한 발전을 이룰 수 있었다. 특히, 단백질 농도를 좀 더 정확하게 정량할 수 있는 기술적 발전을 이루었고, 전사 후 개질 및 단백질 복합체를 분석하고 이해하는 데 많은 중요한 역할을 하고 있다. 최근 단백질체학은 단백질의 상대적 정량에서 절대정량법으로 연구 방향이 바뀌고 있는데, 이를 통해 새로운 단백질을 찾아내고 검증할 수 있을 뿐만 아니라, 생물학적 시스템에서 관심 단백질체들의 좀 더 세부적인 분석도 가능해지고 있다. 하지만 관심 단백질종들의 물리화학적 특성이 질량분석기(mass spectrometry, MS) 유형에 따라 이온화 효율에 상당한 영향을 주게 되므로, 절대정량을 위한 특이적으로 고안된 표준화 기법이 필요하다. 이러한 기법 중에 대표적인 것으로, (1) stable-isotope-labeled peptide standards(SILPS) 기법(표적 단백질을 트립신 가수분해시킨 후에 생성되는 펩타이드를 안정한 동위원소로 치환시키는 기법)을 사용하고, (2) 시료 제조, 시료 손실 및 단백질 가수분해 단계를 보완할 수 있는 stable-isotope protein standards(SIPS)를 사용하거나, (3) MS/MS 분석에서 분획화 후에 스펙트럼상에서 질량 변이를 관찰할 수 있는 특정 유도체 시약을 사용하여 표적물질과 표준 물질을 표지하는 기법을 사용하거나, (4) 표지 시약을 사용해도 절대정량 결과가 얻어지지 않는 경우 비표지 기법을 사용하거나, (5) inductive-coupled plasma(ICP) 상태로 검출되는 원소를 포함하고 있는 펩타이드나 단백질을 직접정량할 수 있는 원소 MS를 사용하는 경우가 있다. 이 분석문에서는 단백질체학에서 현재 사용되고 있는 여러 정량분석법에 대하여 전반적으로 소개하고자 하며, 이러한 분석법들의 표준화 방법과 이러한 표준화 방법이 분석화학적으로 발전해나갈 수 있는 방안에 대하여 소개하고자 한다[1]. 2. 목차 1. 개요 1.1. 정량 단백질체학에서 MS의 역할 1.2. 절대정량의 도전 과제 2. Non-isotope labeled stand-ardization(NILS, 비-동위원소 표지된 표준화) 기법 2.1. 분자 MS 기반 NILS 기법 2.2. 원소 MS 기반 NILS 기법 3. Stable-isotope labeled stan-dardization(SILS, 안정한 동위원소 표지된 표준화) 기법 3.1. 분자 MS 기반 SILS 기법 3.2. 원소 MS 기반 SILS 기법 4. 분석자 결론 및 전망 지난 10년 동안 절대정량 단백질체학에서 참고 방법으로 면역검사 기반 기술이 사용되어왔지만, 특정 항체 가용성의 제한 및 검량곡선 수립에 필요한 표적물질에 상응하는 단백질 표준물질의 제한이 문제점으로 지적되고 있다. 이런 점에서 한 번의 실험에서 수천 개 단백질을 정량할 수 있는 강력한 기술로서 MS가 주목을 받고 있다. 하지만 MS 기반 기법은 검증된 정량 표준물질 및 인증된 참고(기준) 물질 이용성의 한계로 인하여 품질관리(quality control)가 충분치 못하기 때문에 임상적인 적용(질병 진단 또는 모니터링)에 제한이 되고 있다. SIL 펩타이드 표준물질을 사용하는 것이 MS를 이용한 절대정량 단백질체학에서 기준이 되는 기법으로 여겨지고 있는데, 복잡한 시료에 포함된 펩타이드/단백질을 절대정량할 수 있는 견고하고 정확한 방법이며, SISCAPA 같은 농축/정제법과 결합될 경우 매우 낮은 농도의 표적물질 정량에 가능하다. 이런 면에서 DB나 펩타이드 라이브러리 같은 몇 가지 공개 자원이 최근에 주목을 받고 있는데, 단백질체학 연구 과정에서 정량검사 및 과정에 대한 설계를 용이하기 하기 위해 이용되고 있다. SIL 펩타이드나 단백질의 사용 외에도, 동중량체 표지물질을 정량 단백질체학 연구에 사용하고 있다. 정량 표준물질(표지 또는 비표지 형태)을 합성적으로 생산하는 것은 비교적 간단한데, 기존에 구축된 수많은 펩타이드/단백질 합성 프로토콜이 있기 때문이다. 하지만 특정한 펩타이드/단백질 표적에 대한 표준물질의 이용 제한성이 문제로 대두되고 있다. 이런 점에서 특정 펩타이드/단백질 표준물질을 사용하는 대신 정량 결과 산출을 위해 MS 데이터를 컴퓨터상에서 처리하는 비표지 기법이 상당한 주목을 받고 있으며, 향후 정량 단백질체학에서 다양하게 응용될 가능성이 매우 높을 것으로 여겨진다. 하지만 비표지 정량 기법은 재현성과 정확도 면에서 해결되어야 할 점들이 있기 때문에 향후 좀 더 효과적인 생물정보학적 기술개발과 함께 분석적인 단점을 극복할 수 있는 기술개발도 함께 필요할 것이다. 한편, 정량 표준물질의 인증도 절대정량 단백질체학의 발전을 위해서 반드시 필요한 부분인데, 이런 점에서 ICP-MS의 사용이 표준물질의 질량 순도를 인증하기 위한 간단하고 빠르고 정확한 방법을 제공할 수 있는 하나의 방법이 될 것이다. 아울러, 최근에 분자 MS와 ICP-MS의 결합을 통해 종-비특이적인 표준물질이 없어도 상대적으로 복잡한 시료에서 온전한 단백질을 절대정량할 수 있는 기술개발이 주목을 받고 있지만, MS 분석 전 단계에서 시료 내 다양한 성분들로부터 표적 단백질을 분리하기 위한 분리 플랫폼 개발이 필요할 것이다. 무엇보다도 MS를 이용한 절대정량 단백질체학이 인간의 질병 진단 및 예측 또는 예후를 위해 성공적으로 사용되기 위해서는 앞서 언급한 제한점들과 기술적 한계성 등을 극복하는 것이 우선 과제일 것이며, 향후 임상에서 효과적인 적용을 위해서는 MS 기반의 단백질체학을 포함한 다양한 오믹스(omics) 기법과 생물정보학이 융합된 시스템 생물학적인 접근법을 활용하는 것도 중요한 방법이 될 것이다. 이를 통해 기존에 임상검사실에서 기준 방법으로 사용되고 있는 면역검사 기반 단백질 정량 기법을 대체 또는 보완할 수 있는 새로운 MS 기반 기법의 개발을 기대해본다. References 1. CalderOn-Celis, F, Ruiz Encinar J. Sanz-Medel A. Standardization approaches in absolute quantitative proteomics with mass spectrometry. Mass Spec Rev. 2017;1 ndash;23. 2. Aebersold R, Mann M. Mass spectrometry-based proteomics. Nature 2003;422:198 ndash;207. 3. Domon B, Aebersold R. Mass spectrometry and protein analysis. Science 2006;312:212 ndash;217. 4. Sanz-Medel A, Montes-BayOn M, del Rosario FernAndez de la Campa M, Ruiz Encinar J, Bettmer J. Elemental mass spectrometry for quantitative proteomics. Anal Bioanal Chem. 2008;390:3 ndash;16. 5. Ishihama Y, Oda Y, Tabata T, et al. Exponentially modified protein abundance index (emPAI) for estimation of absolute protein amount in proteomics by the number of sequenced peptides per protein. Mol Cell Proteomics. 2005;4:1265 ndash;1272. 6. Lu P, Vogel C, Wang R, Yao X, Marcotte EM. Absolute protein expression profiling estimates the relative contributions of transcriptional and translational regulation. Nat Biotechnol. 2007;25:117 ndash;124. 7. SchwanhAusser B, Busse D, Li N, et al. Global quantification of mammalian gene expression control. Nature 2011;473:337 ndash;342. 8. Win |
