계란으로부터 산소관의 발견과 단백질 중재 산소전달 가설의 제안

Abstract

지난 80여 년간 생체 내 산소가 확산과정(diffusion hypothesis)에 의해서 전달되는 것으로 알려져 왔다. 그동 안 확산과정이 아닐 것이라는 반론이 여러 번 제기 되기는 하였으나 실험적으로 증명하지 못하였다. 본 연구에서 산소가 알부민을 통해서 전달된다는 새로운 가설인 단백질 중재 산소전달설(hypothesis of protein mediated oxygen transport)을 제안하고자 한다. 헤모글로빈 없이 산소를 어떻게 전달할 것인가에 대한 답을 찾기 위해서 헤모글로빈이 형성되기 전인 발생초기단계의 계란을 모델 시스템으로 선택하였다. 계란 공기주머니에서 계란 노른자로 연결되는 계란산소관(Egg Oxygen Vessel)을 발견하였다. 또한 계란을 Magnetic Resonance Imaging (MRI)를 이용하여 분석한 결과 계란 노른자 밖에서 노른자 중심까지 연결된 미세관을 발견하였다. Transmission Electron Microscopy(TEM)를 이용하여 분석한 결과 계란산소관의 내부구조는 기체가 이동하는 bundle모양의 구조를 가지고 있으며 그 횡단면은 원통 모양으로 기체가 이동하는 구조를 가지고 있었다. 산소관 단백질을 2-dimensional electophoresis와 mass spectrometry로 분석한 결과 ovalbumin, ovtransferrin, fibrinogen, ribozyme이 주요 단백질이었다. NO/O2 다중미세바이오센서로 측정한 결과 산소관이 산소를 함유하고 있음을 관찰하였으며 계란 산소관의 주요 단백질인 ovalbumin도 산소를 함유하고 있었다. Ovalbumin을 nitric oxide(NO)로 처리하면 ovalbumin 폴리머가 생긴다. NO 에 의해 ovalbumin monomer의 구조가 변화되는 것을 native gel로 확인하였으며, 구조가 변화된 ovalbumin monomer가 dimer. tetramer 순으로 polymerization되면서 산소를 포획하고 방출하는 것으로 가정하였다. 사람 혈액에 존재하는 알부민을 native gel과 western blot로 분석한 결과 사람혈청알부민(human serum albumin이 polymerisation되어 있는 것을 확인하였다. 산소가 확산으로 전달되는 것이 아니라 알부민 폴리머의 내부 구조를 통해서 전달 될 것으로 판단되어 본 연구에서 단백질 중재 산소전달 가설을 제안하였다.;Diffusion hypothesis is generally accepted for the oxygen transport in vivo during past 80 years. There is still controversy regarding oxygen transport and many theories against diffusion hypothesis have been proposed but not been proved experimentally. In this study, we suggest new hypothesis of protein-mediated oxygen transport in which oxygen is transported by albumin. To investigate the oxygen transport system where hemoglobin is not available, we used chicken egg as an experimental model in early developmental stage where hemoglobin is not yet produced. We optically observed egg oxygen vessels from gas bag of egg to egg yolk. In Magnetic Resonance Imaging study, microvessels were also observed which connects the center of yolk from the outside of yolk. When we investigated the internal structure of egg oxygen vessels with transmission electron microscopy, hollow bundles constituted egg oxygen vessel which seems to allow the air flow. In 2-dimensional electrophoresis and mass spectrometry study, the major proteins of egg oxygen vessel included ovalbumin, ovtransferrin, fibrinogen, and lysozyme. Oxygen vessel and ovalbumin were confirmed to contain oxygen by NO/O2 dual microbiosensor. Polymers of ovalbumin, the major protein of oxygen vessel, were increased by addition of NO. Further, structural change of ovalbumin monomer was observed in native gel by addition of NO. We speculate a structural change of ovalbumin leads to polymerization of ovalbumin and polymers of ovalbumin capture and release oxygen. We also confirmed that human serum albumin was polymerized in native gel and western blot assays. We suggest that oxygen is not transported by simple diffusion but transported via internal structure of albumin polymers.