연구실 개요

분자질병실험실 (Laboratory of Molecular Disease)은 2018년 3월 강원대학교 분자생명과학과에서 문을 열었습니다. 저희 연구실에서는 세포 내 단백질의 번역 후 조절과정 (Post-Translational Modification, PTM)간의 상호작용으로 일어나는 암, 염증질환을 포함한 다양한 질병의 진행과 억제의 메커니즘을 밝히고, 궁극적으로 기존 치료제에서 발생하는 내성을 극복할 수 있는 질병제어기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.
현재 저희 실험실에서는 목표약품특성 (Target Product Profile, TPP)을 3가지 측면에서 접근하고 있습니다. 첫째, 단백질의 번역 후 조절과정은 단백질의 안정성에 영향을 미친다고 알려져 있습니다. 인간의 질병 내에서 단백질의 분해 (Protein-degron) 네트워크를 규명하는 것은 질병의 근원을 파악하고 치료할 수 있는 실마리를 제공해줄 것입니다. 둘째, 기존 약물의 저항성을 극복할 수 있는 유전자 수준의 치료법을 연구하고 있습니다. 질병세포를 표적으로 하는 3세대 유전자가위 (CRISPR/Cas9)를 이용한 발암 유전자의 제거는 기존 약물의 한계를 극복하고, 효과적으로 질병을 억제할 수 있는 방법이 될 수 있습니다. 셋째, 줄기세포는 전분화능을 가진 세포로, 특정 세포로 분화하기 위해서는 조직 특이적인 유전자 집단의 활성이 필수적이라고 할 수 있습니다. 저희는 줄기세포 유전자 집단의 활성을 히스톤 단백질 변형 (Histone modification)을 통해 조절함으로써, 특정 세포로의 분화를 촉진시키고, 기존 줄기세포치료제의 한계를 극복하고자 연구를 진행하고 있습니다.
저희 실험실의 연구주제를 더욱 자세히 소개해 드리겠습니다.

주요 연구 내용

1. 단백질 번역 후 조절과정에 의한 단백질 분해 메커니즘 규명

진핵세포에서 단백질의 분해 기작은 크게 리소좀에 의한 분해와 프로테아좀에 의한 분해로 구분할 수 있습니다. 프로테아좀에 의한 분해는 E3 유비퀴틴리가아제가 기질에 결합하여 유비퀴틴화를 일으킴에 따라 발생합니다. 이러한 결합에 앞서 단백질 번역 후 조절과정이 선행되어 단백질의 분해가 조절될 수 있다고 밝혀져 있습니다. 저희 연구실에서는 메틸화, 인산화 등을 유도하는 작용자 효소에 의한 유비퀴틴화 메커니즘을 밝히고, 이를 통해 단백질 분해 조절이 가능한지를 알아보고자 합니다. 주된 기질로 암 유발 단백질 또는 암 억제 단백질을 표적으로 하며, 단백질 번역 후 조절과정이 일어나는 위치와, 이러한 조절과정을 유도할 수 있는 신호가 무엇인지 이해하는 것을 목표로 연구를 진행하고 있습니다. 궁극적으로는 상위 단계에서의 단백질 조절 메커니즘에 대한 이해를 기반으로 특정 암세포에서 단백질 수준을 조절하는 새로운 암 치료전략에 기여할 것으로 기대하고 있습니다.

2. 질병 특이적으로 작동하는 유전자 가위 기술 개발

유전자 가위란 DNA의 특정 부위를 인식하여 DNA를 자르거나, 붙임으로써 유전체를 교정하는 기법을 말합니다. 유전자 가위는 난치병 치료, 비만 치료 등 각종 질병을 치료하거나 동물 및 작물의 품종 개량 등 다양한 영역에 활용되고 있습니다. 하지만 기존 유전자 가위는 질병 특이적이지 않다는 단점이 있으며 이 단점을 보완하기 위해 저희는 질병 특이적으로 작동할 수 있는 유전자 가위를 고안하였습니다. 질병 세포, 특히 암세포에서는 특정 noncoding RNA 가 과발현되는 것으로 알려져 있으며, 암의 종류에 따라 암 특이적인 바이오 마커가 되기도 합니다. 저희는 noncoding RNA의 세포 내 메커니즘을 이용하기 위해, noncoding RNA에 의해 절단되어지는 특이적인 linker를 제작해 질병 세포 특이적인 유전자 가위를 고안했습니다. CRISPR/Cas9에 linker와 NES를 연결하여 제작한 이 유전자가위는 정상세포에서는 NES에 의해서 세포질에 머물러 있지만, 질병세포에서는 과발현된 noncoding RNA가 linker에 결합하여 linker의 절단이 일어나게 되고, 이를 통해서 NLS가 달린 CRISPR/Cas9은 핵으로 들어가게 됩니다. CRISPR/Cas9에는 암을 유발한다고 알려진 유전자에 대한 sgRNA가 결합되어 있는데, sgRNA가 표적 유전자를 인식하고, CRISPR/Cas9이 암 유발 유전자를 제거하면서 암세포의 성장 및 발달이 저해되게 됩니다. 이것은 현재 주로 사용되는 방식인 화학적 요법, 방사선 요법과는 구분되는 방법이라고 할 수 있으며, 기존 약물치료제의 한계인 저항성 획득의 문제를 약물과 유전자 가위의 다제병용요법을 통해서 개선할 수 있을 것이라고 생각합니다.

3. 차세대 난치성 질환 세포 치료제 개발 : '크로마틴 에피 글루 (Chromatin epi-glue)' 기술

‘크로마틴 에피 글루’ 기술이란 단백질 공학을 이용하여 특정 히스톤 단백질 변형을 감지하고, 새로운 신호를 만들어 전사를 조절할 수 있는 하나의 히스톤 변형 효소를 합성하여 유전자 발현을 One-step으로 조절할 수 있는 새로운 세포 치료 기법입니다. 저희는 이 기술을 이용하여 유전자 이상 변화를 감지하여 질병 세포만을 선택적으로 치료할 수 있으며, 기존 세포치료법의 부작용인 암 발생 가능성 증가와 외래 유전자 도입에 따른 안정성 문제들을 최소화할 수 있는 차세대 세포치료법을 개발하고자 합니다. 이를 위한 1차적인 목표는 태반 조직 세포로 분화하는 영양외배엽 (trophoblasts)의 분화 장애를 치료하는 것입니다. 영양외배엽 세포의 리프로그래밍 (reprogramming)에 관여하는 후성유전학적 조절자들을 찾고, 이것을 생체 외 (ex vivo) 줄기 세포 치료에 적용하고자 합니다. 이 방법을 통해 태반 형성에 관한 문제나 임신중독증을 임신 초기에 진단, 치료하여 난임이나 저출산 문제 등을 해결할 수 있을 것이라 기대하고 있습니다. 하지만 태반 형성에 있어서 줄기 세포의 히스톤 단백질 변형에 의한 후성유전학적 조절은 아직까지 연구 결과가 많지 않기 때문에, 저희는 태반 형성에 관여하는 히스톤 변형 다이나믹스 (dynamics)에 대한 연구를 진행하고 있으며, 단백질 공학으로 제작한 효소가 적절하게 유전자 발현을 조절할 수 있는지를 확인해 보고자 합니다.

현재 분자질병 연구실은 6명의 대학원생과 2명의 학부 연구생으로 구성되어 있습니다. 분자생물학적 실험을 기반으로 Mechanism of Action (MoA) 차별화 전략을 가진 치료제를 개발하고자 하는 많은 학생과 연구원분들에게 저희 실험실의 문은 언제나 활짝 열려 있습니다. 연구에 관심이 있는 분들은 연락 바랍니다.

연구실 홈페이지

참고문헌

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  Oh, S. R., et al. (2020) The chromatin-binding protein PHF6 functions as an E3 ubiquitin ligase of H2BK120 via H2BK12Ac recognition for activation of trophectodermal genes. Nucleic Acids Research 48 (16), 9037-9052.

• [2]

  Lee, I. K., et al. (2020) RORα Regulates Cholesterol Metabolism of CD8+ T cells for Anti-Cancer Immunity. Cancers. 12 (7), 1733.

• [3]

  Song H., et al. (2020) Isoform-specific lysine methylation by SET7 of RORα2 is required for association of the TIP60 coactivator complex in prostate cancer progression. Int J Mol Sci. 21 (5), 1622.

• [4]

  Oh, S. K., et al. (2019) RORα Is Crucial for Attenuated Inflammatory Response to Maintain Intestinal Homeostasis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 116, 21140-21149.

• [5]

  Park, S. C., et al. (2019) N-terminal Domain Mediated Regulation of RORα1 Inhibits Invasive Growth in Prostate Cancer. Int J Mol Sci. 20 (7), 1684.

연구실 구성원

저자약력