생체 내 생물발광 기반 연구

 

In Vivo Bioluminescence Based Studies of Arabidopsis

Research Group

기본적인 단세포 생물부터 인간을 포함한 복잡한 다세포 생물에 이르기까지 모든 생물은 지구의 자전으로 인해 24시간 주기를 따릅니다. 유기체는 이 주기에 맞추기 위해 흔히 일주기 시계라고 불리는 특정 생체 시계 시스템을 진화시켜 왔습니다. 일주기 시계가 여러 중요한 생물학적 기능에 핵심적인 역할을 하는 것으로 밝혀지면서 그 근본적인 조절 과정에 대한 연구가 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.

Example of bioluminescence timelapse of Arabidopsis to investigate the circadian clock. 

생체 시계 시스템은 세 가지 기능적 부분으로 나눌 수 있습니다:

입력 시스템: 외부 환경의 변화를 반영합니다.  예를 들어 식물의 경우 빛과 온도가 가장 중요한 입력 매개변수입니다.

두 번째 부분은 생물학적 안정성을 유지하는 생물학적 일주기 시스템으로 정의할 수 있는 중앙 발진기라고 합니다.

출력 시스템: 하류 유전자의 기능을 조절하여 작용합니다.

류 교수(상하이 상하이 생물과학원 류 연구실)는 애기장대를 모델 유기체로 삼아 빛 조절 전사 메커니즘과 빛 조절 발달 연구에 주력하고 있습니다. 또한 빛 조절 전사 및 일주기 시계 조절 전사의 분자 메커니즘을 연구하고 있습니다.

Research Focus

이 분야의 연구를 수행하기 위해 류 교수 연구팀은 빛과 온도 수준을 정밀하게 제어할 수 있는 완벽한 생체 발광 감지 시스템을 구축했으며, 이는 그림 1에 나와 있습니다. 이 시스템에서 출력 신호는 24웰 플레이트에서 성장한 애기장대의 Luc 단백질에 특이적으로 표지된 생체 발광 신호를 사용하여 측정합니다. 그런 다음 상용 렌즈가 장착된 고감도 카메라를 사용하여 이미지를 기록합니다.

Figure 1: The Bioluminescence detection system used by the Liu Lab features precise control of light and temperature and high performance CCD imaging camera.

24웰 플레이트 두 개에 대한 이미지 예시는 그림 2(a)에 나와 있습니다. 두 세트의 24웰 플레이트에서 애기장대의 전체 생체 발광 이미지를 동시에 캡처했습니다. 신호의 평균을 사용하여 관심 있는 특정 단백질의 발현을 확인했습니다. 이 실험은 6일 동안 1시간 간격으로 수행되었습니다. 이를 통해 생성된 일주기 리듬 곡선은 그림 2(b)에 나와 있습니다.

Figure 2: (a) typical bioluminescence image of Arabidopsis imaged in two sets of 24-well plate;(b) typical circadian rhythm curve

생성되는 신호 레벨이 매우 낮고 실험 기간이 길기 때문에 이러한 연구를 효과적으로 수행하기 위해서는 검출기 선택이 매우 중요합니다. 기존의 잎사귀 움직임 분석 방법과 비교할 때 두 가지 장점이 있습니다(참고 자료 5에서 데이터 확인 가능):

• 첫 번째는 신호가 더 정확해지고 일주기 리듬 곡선의 주기, 위상 및 진폭을 더 정확하게 계산할 수 있다는 것입니다. 이러한 매개변수는 생물학적 시스템의 성장, 신진대사 및 표현형 분석을 결정하는 데 매우 중요합니다.
• 두 번째 장점은 가능한 한 넓은 시야를 확보하는 것입니다. 짧은 시간 내에 데이터 정확도를 높이려면 가능한 한 많은 플랜트를 분석하는 것이 더 낫기 때문입니다.

이 작업에 가장 이상적인 솔루션은 iKon-M CCD 카메라로 밝혀졌습니다. iKon-M은 95% QE의 고감도 센서가 특징입니다. 암전류가 매우 낮다는 것은 노이즈 플로어가 매우 낮다는 것을 의미합니다. 이 조합은 이러한 실험에 필요한 긴 시간 동안 배경 소음에 대해 신호를 감지할 수 있다는 것을 의미하므로 중요합니다. iKon-M의 13mm x 13mm 센서 크기는 24웰 플레이트 두 세트를 고해상도로 캡처하는 데 완벽하게 일치하여 실험 데이터를 효율적으로 수집할 수 있습니다.

Testimonial

"The iKon-M CCD camera helps us obtain data more accurately and more conveniently. We can also do other important scientific research using protein interaction based BiFC and BiLC methods."

- Libang Ma, Liu Lab

All data courtesy of the Liu Lab. Find out more about the exciting research at the Liu Lab here.

Bibliography 

1. Fei Wang, Yongshun Gao, Yawen Liu, Xin Zhang, Xingxing Gu, Dingbang Ma, Zhiwei Zhao, Zhenjiang Yuan, Hongwei Xue, Hongtao Liu*.(2019) BES1 regulated BEE1 controls photoperiodic flowering downstream of blue light signaling pathway in Arabidopsis. New Phytologist.
2. Qian Zhang, Zhi Xie, Rui Zhang, Peng Xu, Hongtao Liu, Hongquan Yang, Monika S. Doblin, Antony Bacic, and Laigeng Lia*.(2018) Blue Light Regulates Secondary Cell Wall Thickening via MYC2/MYC4 Activation of the NST1-Directed Transcriptional Network in Arabidopsis. The Plant Cell.
3. Liang T, Mei S, Shi C, Yang Y, Peng Y, Ma L, Wang F, Li X, Huang X, Yin Y, Liu H*. (2018) UVR8 interacts with BES1 and BIM1 to regulate transcription and photomorphogenesis inArabidopsis. Developmental Cell. 44:1-12
4. Yang Y, Liang T, Zhang L, Shao K, Gu X, Shang R, Shi N, Li X, Zhang P, Liu H*.(2018)  UVR8 interacts with WRKY36 to regulate HY5 transcription and hypocotyl elongation in Arabidopsis. Nature Plants. doi: https://doi.org/10.1038/s41477-017-0099-0
5. Xu Li, Dingbang Ma,Sheen X. Lu,Xinyi Hu,a Rongfeng Huang,  Tong Liang, Tongda Xu, Elaine M. Tobin and Hongtao Liu*. (2016) Blue Light- and Low Temperature-Regulated COR27 and COR28 Play Roles in the Arabidopsis Circadian Clock ,The Plant Cell, 28: 2755–2769, DOI: https://doi.org/10.1105/tpc.16.00354