신경발달질환은 뇌를 포함한 중추신경계의 기능 이상과 관련되어 나타나는 발달장애를 말하며, 종종 뇌전증(간질)과 동반되어 나타나기도 합니다. 상당수 신경발달질환은 평생 치료와 사회적 복지가 필요한 영구장애로 진행되기 때문에 병증을 조기에 발견하여 적절한 치료를 하는 것이 장애를 최소화하고 발달격차를 줄이는데에 중요합니다. 신경유전학 연구실은 유전정보를 분석하여 병인을 찾아내고 생쥐 및 줄기세포 등의 모델시스템을 사용하여 환자에게서 발견되는 유전적 결함이 어떻게 질환을 유발시키는지에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 또한 이에 대한 이해를 바탕으로 기존에는 난치병 또는 불치병으로 알려졌던 이들 질환에 대한 새로운 치료전략을 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

본 연구실에서는 다음과 같은 연구주제로 학사논문연구를 진행할 수 있습니다.

1. 신경발달질환 환자의 유전체 및 조직병리 분석

2. 줄기세포를 활용한 신경발달질환 세포모델 연구

3. 병인 유전자의 줄기세포 신경분화 조절기전 분석

4. 생쥐모델을 사용한 신경발달질환 병인 유전자들의 발달병리기전 분석

5. 병인 유전자의 신경발생 조절기전 분석을 통한 병태생리 규명

6. 대뇌발달기형 유발 뇌전증 모델을 사용한 자발적 과발화 억제기전 탐색

식물은 Innate immune system을 이용하여 각종 병원균 (예, 세균, 진균, 바이러스)의 침입에 자신을 보호한다. 이러한 식물면역 반응은 세포내에 존재하는 면역수용체 (immune receptor)들에 의한 병원균이 분비하는 effector 단백질들의 인식에 의하여 일어나게 된다. 식물면역학 실험실에서는 어떻게 병원균의 effector들이 식물의 면역수용체에 의하여 인식이 되고 면역반응을 일으키는지를 분자유전학적 실험들을 통하여 연구하고 있다.

식물 면역수용체에 의한 신호전달은 어떻게 일어나는가?
식물의 NB-LRR (nucleotide binding and leucine rich repeat) 면역수용체에 특정 변이가 일어나면 면역억제조절을 하지 못하여 세포사멸 (cell death) 반응이 일어나게 된다. 식물면역학 연구실에서는
1) 병원세균의 type III secretion system 을 통하여 분비되어 식물 세포로 이동하는 병원성 단백질들을 식물의 면역수용체가 인식하는 기작을 규명하고
2) 세포사멸 반응이 나타나는 변이체를 이용하여 식물 면역 signaling에서 중요한 역할을 하는 인자들을 유전학 및 생물정보학 실험들을 통하여 발굴하고 그들의 기능을 규명하며
3) 산업적으로 중요한 작물 병원균에 대한 유용한 식물 면역수용체를 발굴하여 이를 이용한 응용기술을 개발한다.

연구 배경 및 개요

저희 연구실은 마우스 질병 모델과 3차원 오가노이드 모델 개발 및 이를 이용한 인간의 다양한 질병을 연구하여 궁극적으로는 여러질병의 보다나은 치료법을 개발하는데 초점을 두고 있습니다. 특히 조직 재생, 퇴행성 질환 및 암과같은 줄기세포 관련 질병 발생 기작과 이와 관련된 신호전달경로를 주로 연구하고 있습니다. 구체적으로는 손상된 조직을 회복하는 과정을 줄기세포들이 어떻게 조율하는지, 줄기세포가 매개하는 조직 재생에서 발생과 관련된 신호전달 체계의 역할은 무엇인지, 이런 신호전달 체계와 줄기세포의 활동이 교란되었을 때 어떻게 암과 같은 질환을 일으키는 지에 대한 의문을 제기하고 연구하고 있습니다.

연구 내용

1. 마우스 유전학을 이용한 다양한 마우스 질병모델 개발 및 질환연구

a. 마우스 암질환 모델 개발 및 연구

b. 마우스 신경발달 뇌질환 모델 개발 및 연구

c. 세포/조직 재생시 혹은 암과같은 질병상태에서 조직미세환경 (microenvironment) 과 줄기세포의 상호 작용 연구

2. 줄기세포 기반 3차원 오가노이드 배양을 통한 미니뇌, 미니방광, 미니기도 등 다양한 인체조직 모사, 질병모델 개발 및 연구

a. 3차원 미니뇌를 이용한 다양한 신경발달 및 뇌질환 모델 개발 및 연구

b. 3차원 오가노이드 모델을 이용해 다양한 암질환 연구.

c. 개별적인 환자의 유전적 변이에 따른 정확한 질병 발생 기작을 연구하고, 이를 바탕으로한 환자 맞춤형 치료법 개발.

3. 줄기세포, 조직 역분화, 오가노이드 및 3D 프린팅등의 첨단의 테크놀로지를 이용한 혁신적인 질병 치료법 연구 개발.

a. 생체내 조직 역분화를 통해 다기능 조직 구현

b. 3D 바이오프린팅기술과 오가노이드 기술 융합을 통한 미니어쳐 인공장기 개발

c. 줄기세포기반 암치료법 개발

Figure 1. 줄기세포 및 암생물학 연구실의 연구배경 및 내용

주제 1 - 세포 내 감염 병원체에 대한 숙주의 선천적 면역반응 조절 연구

   본 연구실에서는 병원체 감염에 대항하여 발생하는 숙주의 선천적 면역 반응 (Innate immune response)에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히 세포질 내부로 감염하여 증식하는 병원체에 초점을 초점을 맞춰, 바이러스와 세포 내 박테리아 (Intracellular bacteria)에 대한 선천적 면역 반응을 연구하고 있다. 바이러스와 세포 내 박테리아에 의한 선천적 면역 반응은 세포질 내부의 다양한 세포 내 소기관과 그에 위치한 신호 전달 매개 단백질에 의하여 조절 된다. 이러한 신호는 미토콘드리아를 비롯한 세포 내 소기관과 신호전달 체계를 표적으로 하는 숙주 단백질과 그 유래 물질, 그리고 mechanotransduction 을 비롯한 다양한 신호전달 체계와의 상호작용을 통하여 조절 된다. 연구참여 학부생은 이러한 상호작용에 의한 항바이러스성(anti-viral) 항박테리아(anti-bacterial) 면역 반응 조절 연구에 기여 할 수 있다.

주제 2 - DNA 손상신호에 의한 DNA 수선 혹은 세포사멸 조절 기작 연구

   세포 내에서 DNA가 손상되었을 때, 손상이 적은 경우에는 DNA를 수선하는 신호가 활성화 되고 손상이 과도한 경우 세포사멸이 유도되는데, 이러한 신호는 잘못 조절되었을 때, 암의 유발 및 진행과정과 밀접한 연관관계가 있다. 본 연구실에서는 기존에 전사과정(transcription)에 중요하다고 알려진 PAF 단백질 복합체(PAF complex)가 전사뿐만 아니라 DNA 손상 수선 및 세포사멸을 조절할 수 있다는 점에 주목하고 이와 관련된 분자 생물학적 메커니즘에 대해 연구하고 있다. 연구참여 학부생은 관련 연구를 통하여 기존에 알려지지 않은 새로운 DNA 손상 신호 매개 발암 조절 기전 규명에 기여할 수 있다.

1. Biofuel project: 화석 에너지의 고갈과 지구온난화 문제에 대한 대책으로 바이오에너지의 생산이 전세계적인 화두이다. 물에서 사는 미세조류는 단위면적당 바이오디젤을 생산할 수 있는 능력이 육상식물보다 훨씬 뛰어나 신재생 에너지 재료로 각광받고 있으나 아직까지 경제성이 높지 않다. 우리는 바이오디젤 생산을 극대화시킨 미세조류를 개발하기 위한 첫 단계 연구로서, 미세조류에서 기름 생산이나 분해, 스트레스 내성에 기여하는 유전자들을 가려내고, 이들의 작용기작을 생화학적, 유전학적, 분자생물학적으로 분석하고 있다. 구체적으로는 단세포 녹조류인 Chlamydomonas에서 지방 대사가 변화한 돌연변이체, 스트레스 내성이 크게 다른 돌연변이체들을 찾았고, 이들의 작용원리를 여러 방법으로 조사하고 있다.

2. 작물의 비소 오염을 감소시키는 유전자 개발: 동남아, 방글라데시, 미국, 중국, 등 여러 곳에서 비소 오염이 심각한 문제가 되고 있다. 우리는 비소를 액포에 격리시키는 수송체를 발견하였고, 이것을 이용하여 알곡에 비소가 덜 축적되는 벼를 개발하였다. 이 연구의 노하우를 기반으로, 식물의 비소 내성에 기여하는 또 다른 유전자들을 찾고 있다.

3. ABC 수송체 연구: 우리 실험실에서는 또한 육상식물인 애기장대와 벼에서 ABC 수송체들에 관해서도 공부하고 있다. 이들은 식물에서 이차대사 산물, 호르몬, 지방, 등, 다양한 화합물들을 수송하여 식물의 생장과 스트레스 내성, 병원균 내성, 등에서 중요한 역할들을 수행하고 있다. 우리는 식물의 ABC 수송체 분야에서 세계적으로 가장 뛰어난 업적을 낸 연구단이다. 현재 성장호르몬, 스테로이드, 미네랄, 등 중요한 물질들을 수송하는 수송체들을 발견하고자 노력하고 있고, 또한 이미 발견한 것들의 작용원리를 밝히고있다.

우리 실험실은 분위기가 매우 좋습니다. 선배들이 쾌활하고, 부지런하고, 기분 좋게 일합니다. 6개국 사람들이 협동하고 있고, 모든 회의는 영어로 합니다. 우리는 학생들이 국제적으로 활동할 수 있는 전문가로 성장하도록, 지적인 자극을 주고 도전하는 분위기와 기회를 제공하고 있습니다. 성실하고 생명체를 소중하게 잘 기를 수 있는 학생을 원합니다.

1) 장내 항원에 의한 T세포 반응 의 균형 조절
T 세포는 골수에서 유래하여 흉선에서 발달하며, 우리 몸의 면역 세포 중 가장 중추적인 역할을 담당한다. 여기에는 Th1과 Th2 반응이 존재하는데, 전자는 바이러스에 감염된 세포를 죽이거나 암세포를 제거하는 세포성 면역반응을 주도하고, 후자는 면역 글로불린을 생성하여 아토피나 알레르기 반응을 유발한다. 건강을 위해서는 Th1/2 반응의 균형을 맞추어 주는 것이 중요한데, 이를 조절하는 인자는 현재까지 규명되지 않았다.
최근 연구를 통하여 음식물이나 세균 같은 장내 항원 물질이 IL4 사이토카인을 통하여 이를 조절할 수 있음을 알아 내었고 그 기전을 연구하고 있다.



2) 선천성 T 세포의 발달 및 분화
보통의 T세포가 항원을 인지한 후에 기억 세포로 전환되는데 반해서, 특정 종류의 세포들은 처음부터 기억 형질을 가지고 발달한다. 이를 선천성 T세포 (innate T cell) 이라 하며, 여기에는 NKT, MAIT,  T 등 세 종류의 세포가 있다. 이들은 다시 각각 IFN, IL4, IL17 을 내는 아형으로 구분되며, 우리 몸에서 최초로 항원을 인지하는 점막 층에 많이 위치한다. 우리 몸의 면역 시스템은 기능적으로 여러 층 (layer)을 이루며 분포하는데, 이들은 그 중간 층에 위치하며, 초기 면역 반응에 있어서 중요한 역할을 할 것으로 생각된다. 이 연구에서는 세 가지 세포의 세 가지 아형이 각기 어떤 관계를 가지고 발달하는지, 그리고 점막 층에서의 다양한 항원이 어떻게 영향을 미치는지 규명하고 있다.

암 및 면역 세포 조절 연구실에서는 Capicua (CIC) transcriptional repressor의 기능에 대해 다방면으로 연구합니다. 현재 전립선암, 간암 및 유방암 발병 및 전이 과정과 면역 세포 조절 과정에서 중요한 기능을 할 것이라 생각하고 이에 대한 연구들을 수행하고 있습니다. 연구 참여를 통해 동물 세포와 마우스를 이용하여 western blot 과 같은 기본적인 생화학/분자 생물학 실험, FACS 분석과 같은 세포 생물학 실험, 그리고 조직학적 분석법 등 다양한 실험 기법을 경험하고, 배울 수 있습니다.

해마다 연구 참여시 주제가 변경될 가능성은 항상 있습니다. 현재 연구 참여 시 수행할 연구 과제들은 다음과 같습니다.
◆ CIC 결함 시 나타나는 자가 면역 질환에 대한 분자 기작 연구.
◎ Hematopoietic lineage cell specific Cic knock-out mouse에서 보여지는 자가 면역 현상을 분석하고, 면역 세포들의 과민 활성화의 원인을 규명하는 일을 하고 있습니다. 현재는 T cell에서의 CIC 기능에 초점을 맞추고 있으나, B cell 에서의 기능에 대해서도 mouse model과 여러 가지 biochemical assay들을 이용해 연구하고 있습니다.

◆ 전립선암 및 대장암에서 CIC 의 역할 연구.
◎ 전립선암 및 대장암 세포주에서 CIC발현을 저해하면 암세포 성장 속도 및 이동 능력이 현저히 증가하며, 전립선암과 대장암 환자에서 얻은 조직을 분석해 보면, 암세포에서 CIC 발현양이 현저히 감소해 있는 것을 알 수 있습니다.
◎ 암 진행시 왜 CIC 발현양이 감소하는지에 대한 정확한 분자 기작을 연구하고 있습니다.
◎ CIC가 어떤 분자 기작을 통해 암 진행을 억제하는지에 대해서 연구하고 있습니다.
◎ 대장암의 경우 CIC 발현 억제시 항암제 내성이 증가하는 현상을 관찰하였고, 어떠한 기작에 의해 이러한 현상이 발생하는지 연구하고 있습니다.

우리 실험실의 궁극적인 연구 목표는 자가면역질환과 암 치료법 개발에 기여하는 것입니다.

체는 면역계의 핵심분자로 외부 항원에 선택적으로 결합할 수 있다. 이러한 성질을 이용하여 항체는 다양한 생물학 분야에 응용이 되고 있는데, 최근에는 암, 치매, 당뇨 등 기존의 화합물 의약품으로 치료하기 힘든 질환의 치료제로 개발되고 있다. 항체 의약품은 생명공학의 핵심 연구 주제이며 2018년 매출액 10대 의약품 중 6개가 항체를 기반으로 하는 의약품이다. 항체가 의약품으로 사용되기 위해서는 표적단백질과 강하게 결합할 수 있어야 하며, 표적 외 다른 단백질과는 결합이 없어야 한다. 또한, 항체의 기능을 무력화 시킬 수 있는 면역반응이 없어야 하며, 제조가 손쉬워야 하고, 안정성이 뛰어나야 한다.
항체는 단독으로 약물 기능을 하는 경우도 있지만, 이중특이성항체, 항체-약물복합체, CAR-T 치료제 형태로 만들어야만 기능을 하는 경우도 있다. 항체공학은 이와 같이 항체의 특성을 향상시키거나 바꾸어서 약물로서 기능할 수 있도록 하는 연구분야이다. 본 연구실에서는 GPCR 등과 같은 세포막단백질에 대한 항체를 생산하고 구조에 기반하여 항체의 성능을 향상시키는 연구를 수행하고 있다. 항체와 표적단백질 복합체의 구조는 cryo-EM과 가속기를 활용하여 빠르게 규명하고 있으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 항체의 특성을 예측하고 향상시키고 연구를 수행하고 있다.

학생들이 참여할 수 있는 연구는

(1) 표적 세포막단백질 생산, 마우스에서 항체 생산

(2) Cryo-EM을 이용한 단백질 구조규명

(3) 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 항체 engineering.

우리 몸의 면역 시스템은 매 순간마다, 면역반응을 활성화 (Immunity)시킬 건지, 또는 조절 (억제) (Tolerance) 할 지를 결정하게 된다.
만약 매우 정교하게 유지되는 이러한 면역학적 항상성 (Immune Homeostasis)이 깨지게 될 때, 다양한 면역 질환이 생기게 된다. 특히 면역 과민 반응은 아토피 피부염이나 기관지 천식과 같은 알러지 질환과, 류마티스 관절염이나 소아당뇨병과 같은 자가면역 질환을 일으키게 된다. 따라서 본 연구실에서는, 이러한 면역학적 항상성 유지가 어떠한 기작에 일어나는지를 분자.세포 면역학적 관점에서 연구를 하고, 특히 면역 과민 반응을 제어할 수 있는 장 타겟 면역 조절 물질을 개발 및 작용 기작을 규명하는 연구를 수행하고 있다.

현재 진행중인 연구로는,
(1) 전자조절인자 (transcription factor)인 Ets에 의한 면역항상성 조절 기작 연구
(2) 면역 관용 기작에 관여하는 장관 면역계의 특성 규명 (수지상 세포 (Dendritic cell))
(3) 장관계 유래 수지상세포에 의한 면역조절T 세포 (Treg) 유도 기작 규명
(4) 항암 면역 증진유도, 자가면역 질환 및 알러지 질환을 개선할 수 있는 맞춤형 유산균 선별 시스템 개발
(5) 유산균 유래 면역 활성 물질 규명 및 작용 기작 연구를 무균 생쥐를 이용하여 연구를 하고 있다.

번역(translation) 메커니즘 연구

   본 실험실에서는 Eukaryotic mRNA의 번역개시 메커니즘(translation initiation mechanism)을 밝히는 연구를 하고 있다. Eukaryotic mRNA의 번역은 여러 가지의 번역인자들이 작용하여 40S ribosomal subunit이 initiation codon을 찾는 것으로 시작되는데 본 실험실에서는 번역인자들이 mRNA에 결합하는 dynamics, 번역 인자들 간의 상호 작용, 그리고 궁극적으로 번역인자들이 어떻게 40S ribosome을 initiation codon에 결합시키는 지를 밝히고 있다. 또한 세포가 stress 상황이 놓이면 대부분의 mRNA의 번역은 저해되고 일부 mRNA의 번역은 계속되거나 강화되는데 어떤 번역인자가 stress 상황에서도 발현되는 mRNA들을 찾아내고 어떻게 번역이 계속 일어날 수 있도록 하는지에 대한 메커니즘을 규명하고 있다.

C형 간염바이러스의 복제 메커니즘과 치료제 개발 연구

   C형 간염바이러스(Hepatitis C virus)는 간염, 간경변 및 간암을 일으키는 치명적인 바이러스다. 현재 전인류의 3%가 감염되어 있는 것으로 알려져 있는데, 이 바이러스의 증식 과정을 규명하고 이것을 막는 치료제를 개발하는 일이 시급하다. 본 실험실에서는 이 바이러스가 숙주 세포에서 증식하는데 필요한 숙주의 인자들을 찾아내고 그 역할을 연구함으로써 이 바이러스의 증식과정을 규명하는 일을 하고 있다. 또한, C형 간염바이러스의 복제에 필수 불가결한 바이러스 단백질인 NS5A의 활성을 저해할 수 있는 물질을 design하고 합성한 후 C형 간염바이러스 복제를 저해하는 효능과 독성 등을 조사하여 C형 간염바이러스에 대한 치료제를 개발하는 일을 하고 있다.

인플루엔자 바이러스의 감염을 진단할 수 있는 방법 개발

   인플루엔자 바이러스는 독감을 일으키는데 많은 사람들이 이 바이러스의 감염으로 고생한다. 본 실험실에서는 여러 인플루엔자 바이러스의 subtype의 hemagglutinin (HA), neuraminidase (NA), 그리고 nucleoprotein (NP) 단백질들에 대한 aptamer들을 만들고 이들을 이용하여 인플루엔자 바이러스의 감염을 진단할 수 있는 시스템을 개발하고 있다.

학부생들이 참여할 수 있는 연구 주제

(1) 번역 인자들의 상호작용 조사 (번역인자들의 cloning, 대장균에서의 발현, 순수분리, protein-protein interaction 검정, single molecule dynamics 조사 등을 이용한 번역인자들의 상호작용 조사)

(2) C형 간염바이러스 NS5A 저해제의 항 바이러스 효과 조사 및 그 저해제에 대한 저항성을 가진 바이러스가 생성되는 과정 조사 (C형 간염바이러스의 증식과정 monitoring, 저항성 바이러스의 돌연변이가 일어난 아미노산 규명과 저항 메커니즘 규명).

(3) 인플루엔자 바이러스 진단 시스템 개발 (인플루엔자 바이러스의 HA, NA 및 NP 단백질에 대한 aptamer 생산, 이 aptamer들을 이용한 단백질 정량 시스템 개발 등)>

만능줄기세포는 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 말하며, 우리 몸을 구성하는 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있다. 하지만 어떤 분자적 메커니즘에 의해 만능줄기세포가 수많은 종류의 세포를 만들어 낼 수 있는가에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않다. 본 연구실에서는 만능줄기세포의 분화능을 조절하는 유전자나 신호전달물질을 발굴하고, 이를 통해 만능분화능의 기저가 되는 메커니즘을 연구하고 있다. 또한 본 연구실에서 발견한 메커니즘을 응용하여 만능줄기세포를 세포치료제로 개발하는 연구를 진행한다.

본 연구실에서 수행 가능한 연구 주제
1. 인간 만능줄기세포에 필수적인 유전자 발굴 및 기능 연구
2. 인간 만능줄기세포를 이용하여 초기 뇌 발생 메커니즘 연구
3. 생세포 관찰 기술을 이용한 개별 만능줄기세포의 이질성 연구
4. 인간 만능줄기세포를 성숙한 신경세포로 분화시키는 기술 개발

본 연구실은 유전자 의 안정화 유지 기작 및 질병 관련 신호 전달 기작을 구조 및 생화학, 분자 생물학의 관점에서 연구 하고 있다. 특히 단백질 분리, 특성 및 구조 규명, 구조 근거 신약 개발 등을 3세대 및 4 세대 가속기, 전자 현미경들을 이용하여 연구 하고 있으며, 분자 모델링등의 기술로 신약 발굴로도 연결 하는 과정에 있다.
본 연구실에 참여하는 학생은 다음과 같은 연구 주제로 연구를 수행 할 예정이다.
1. 유전자 손상 신호 전달 및 치유 기작의 연구
이중 나선 절단 (DNA double strand break) 및 이중나선 접합 (interstrand cross-linking)의 네트워크에 관련된 분자들의 구조 및 기능을 규명. 이를 위해서는 단백질을 분리하고, 핵산과 복합체로 결정을 만들어 X-선을 이용 구조를 규명하고, 구조에 기반한 여러가지 질병 유발과 관련 가설을 세운뒤 이를 증명하는 방법. 또한 이들 분자들의 기능을 제어 하는 신약 후보 물질들과의 복합 분자 구조를 규명하여, 신약 개발로 유도함.
2. 단맛 분자 인지 기작 규명
우리가 어떻게 단맛을 느낄수 있는지 단맛 인지 분자와 다양한 감미료들과의 분자 구조 규명을 통해 각각의 감미료들이 어떻게 단맛 수용체에 결합하고, 구조 변화를 유도 하여, 우리가 단맛을 인지하게끔 하는지 메커니즘을 설명. 이 연구는 새로운 차원의 감미료를 개발해 낼 수 있는 template 를 제공 함.
3. 당뇨병, 비만등 질병과 관련된 수용체의 분자 구조 규명
세포막에 존재하는 여러가지 GPCR들과 agonist, antagonist 등의 복합체를 3차원적 입체 구조를 규명함으로써, 이들 agonist 및 antagonist들이 표적 분자에 결합 하는 방식을 표방하는 새로운 차원의 신약 개발을 시도 하고자 함.
학생들은 유전자의 클로닝, 단백질의 정제, assay alc 구조 규명등의 연구에 참여할 예정임

연구주제
감수분열 동안 상동 염색체들 사이 재조합은 생물의 유전적 다양성 확보에 중요할 뿐 아니라 동식물의 육종에 주요 기술로 이용되고 있다. 본 연구실은 모델 식물 애기장대를 이용하여 감수분열 재조합의 시작인 DNA 이중 가닥 절단(DSB)부터 DNA 수선, 교차(crossover) 형성에 이르는 분자적 과정을 연구한다. 감수분열 재조합을 보다 효과적으로 연구하기 위해 형광 종자 및 꽃가루 시스템, 꽃가루 타이핑, 감수분열 재조합 시작점 mapping 등 혁신적인 연구 방법 및 기술을 이용한다. 감수분열 재조합에 대한 기초 연구 통해 재조합을 조절하는 새로운 작물 육종 기술을 개발하고 인류의 식량 안보와 먹거리를 풍요롭게 하는 품종개량에 기여하고자 한다.

연구내용

꽃가루 타이핑 및 교차 핫스팟 발굴

: 꽃가루 타이핑 (pollen-typing)은 PCR 기반의 실험 방법으로 교차가 빈번히 발생하는 곳(핫스팟 5-10 kb)의 교차율과 분포를 분석한다. pollen DNA 추출, allele-specific primer 디자인, PCR, Sanger-sequencing 분석까지 PCR의 특수 기술을 바탕으로 식물 교차 핫스팟에 대해 이해할 수 있다.

교차율 증가 돌연변이체 hcr (higher crossover rate) 연구

: 상동 염색체 사이에 교차 개수는 anti-crossover 유전자들에 의해 염색체에서 1-2개로 제한되어 3개 이상을 넘지 않는다. hcr2, hcr3 돌연변이체에서 돌연변이 유전자 멥핑 및 분자적 분석을 통해 기존에 밝혀지지 않은 새로운 anti-crossover 유전자를 찾고 분자적 기전을 연구한다. 형광 종자 및 꽃가루 시스템을 이용하여 교차율 증가를 시각적 통계적으로 분석한다.

mei-CRISPR 시스템 개발

: CRISPR-Cas9 시스템을 변형하여 감수분열 동안 원하는 특정 위치에 교차를 유도할 수 있는 mei-CRISPR 시스템을 개발한다.

교차율 최대화 시스템 구축

: 알려진 anti-crossover 유전자 및 본 연구실의 HCR 유전자 이용하여 교차 간섭과 제한을 최소화하고 교차율을 극대화할 수 있는 시스템을 구축한다. 이 기술은 복합 형질의 QTL mapping과 기존에 얻을 수 없었던 새로운 형질의 조합을 만들어 품종개량에 기여할 수 있다.

형광 종자 시스템을 이용한 잡종 강세 연구

: 잡종강세는 여전히 육종의 주요기술이나 관련 유전자들은 거의 밝혀지지 않았다. 형광 종자 시스템을 이용한 염색체 분절 치환 라인 (Fluorescent Seed-based Chromosome Segmental Substitution Line, FS-CSSL)과 잡종 강세 미믹 라인 (Hybrid Mimics, HM)를 구축하고 이들을 이용하여 잡종 강세를 재구성하여 잡종 강세 유전자들을 찾고자 한다.

Genome-wide meiotic DSB mapping

: SPO11-oligo sequencing 방법은 감수분열 시작점(meiotic DSBs)을 genome 전체에서 nucleotide 해상도로 분석한다. 생화학(SPO11-oligo detection, purification), 분자생물학(SPO11-oligo library construction), 유전체학(computational analysis)적 실험 방법을 다양한 돌연변이체 또는 다른 종의 식물들에 적용하여 DSB의 형성 기전 및 종 특이적 DSB 패턴을 연구한다.

1. 연구 주제
척추동물의 초기 발생과정을 이해하기 위하여, 양서류 모델 동물인 Xenopus laevis의 발생 과정에서 중요하다고 판단되는 특정 유전자들을 선정 후 cloning하고, 시공간적 발현 양상을 Whole mount In situ hybridization 기법을 통해 분석한다. 또한 microinjection을 통해 목표 유전자를 개구리 배아에 과발현 후 유발되는 phenotype을 확인한다.

2. 연구 내용 및 기대 효과
특정 유전자의 기능을 발생 과정에서 연구하는 데 있어 그 유전자의 시/공간적 발현 양상을 파악하고, 과발현 및 결손 시 일어나는 발생학적 결함을 확인하는 것은 필수적이다. 연구참여 기간 동안 학부생은 Xenopus 배아 발생 과정에서 중요하다고 생각되는 특정 유전자들을 cloning 후 공간적 발현 패턴을 확인하기 위하여, 적절한RNA probe를 디자인하고 합성하여 Whole mount In situ hybridization 실험을 수행한다. 이후 특정 유전자의 mRNA를 microinjection기법을 통해 과발현시켜 초기 배아 발생 시 나타나는 다양한 결함을 정립하는 것을 목표로 한다. 더 나아가 이 연구 결과들을 바탕으로 목표 유전자와 관련 있는 주요 발생 신호와의 관련성을 분석, 확인함으로써 기초적인 분자생물학적 실험 기법들을 익히고 척추동물의 초기 배아 발생과정을 보다 심도있게 이해할 수 있다.

3. 연구 계획
목표 유전자 선정 → PCR 기법을 통한 Cloning → antisense RNA probe및 mRNA 합성 → Whole mount In situ hybridization을 통한 발현 패턴의 분석 → mRNA overexpression을 통한 과발현 효과 분석

O 현대생명과학의 발전과 산업적 응용
현대 생명과학의 분부신 발전을 가져온 가장 큰 추동력은 인간의 유전적인 질병을 치료하기 위해서 유전자로부터 필요한 단백질을 만들어서 치료제로 활용하는 것이었다. 이러한 wish를 바탕으로 인류 최초로 고등 생명체로부터 cloning 된 유전자가 쥐의 insulin 유전자였다. 곧 이어 인간의 인슐린 유전자가 확보되었고 이로부터 인간의 인슐린을 대장균에서 생산하여 당뇨병 치료에 활용함으로써 인간이 필요한 의료용 단백질을 유전자로부터 만드는 현대생명과학이 탄생하였다 할 수 있다.
이 후로 생명과학의 발전은 무수히 많은 유전자들을 무수히 많은 생명체로부터 확보되었으며, 이제는 헤아릴 수 없을 정도의 많은 생명체의 전체 유전체의 염기서열이 밝혀짐으로써, 무한대의 유전자가 확보되었다. 유전자를 이용하여 만들 수 있는 단백질들은 활성에 따라서 인체 의약품뿐만 아니라 인간 및 가축용 백신용 단백질들, 화장품 등 미용에 들어가는 단백질들, 식품 첨가제 또는 식품생산용 단백질들, 사료첨가용 단백질들, 산업용 다양한 단백질들, 등 거의 모든 산업에 활용할 수 있다.
따라서 이러한 유전자들을 활용하여 인간이 필요로 하는 다양한 단백질을 만들어 활용할 수 있는 시대로 접어 들었다. 또한 유전자를 이용하여 생산한 단백질은 인체친화적이며 친환경적이다. 이러한 단백질을 대량으로 만드는 방법은 생명체에 유전자를 도입해서 세포가 단백질을 만들게 하고, 이렇게 만들어진 단백질을 세포로부터 순수분리 정제하여 활용하는 것이 기본적이다.
한국에서도 바이오텍 산업으로 의약품인 바이오시밀라를 생산하는 산업이 활발하게 진행되고 있다. 현재 단백질 생산을 위해서 가장 활발하게 활용되는 세포는 동물의 CHO cell이라 부르는 hamster ovarian tumor cell을 사용하거나 대장균 등 미생물, 때로는 yeast와 같은 곰팡이 등을 이용하여 재조합 단백질을 생산하고 있다. 최근에 새롭게 식물이 안전하고 저렴하게 단백질을 대량 생산하는 시스템으로 개발 되고 있다.

O 식물을 이용한 단백질 생산 시스템 개발
본 연구실에서는 새로운 안전하고 저렴하게 단백질을 대량 생산하는 시스템으로 식물 세포를 이용하여 재조합 단백질을생산하는 기술을 개발하였으며, 이를 통해서 의료용부터 산업용까지 다양한 단백질을 생산하고 이들을 활용하는 기술들을 개발하고 있다.
현재 다양한 stem cell의 growth factor들이나 cytokine들, 다양한 종류의 의료용 candidate 유전자들, bacterial growth를 control 할 수 있는 단백질들, 배기가스로부터 CO2를 포집하고 제거 할 수 있는 단백질들, 다양한 종류의 protease 유전자들을 대상으로 연구를 진행하고 있다.

O 학부생의 연구참여 내용
1) 생명과학의 가장 중요한 산업화 응용 과정인 유전자로부터 재조합 유전자의 design, 재조합 유전자의 식물세포의 도입, 식물세포로부터 단백질의 생산 과정, 식물 세포에 만들어진 단백질의 분리정제 등에 관한 다양한 부분에 대한 기초적인 지식을 습득
2) 이를 바탕으로 학생들이 활용해 보고 싶은 단백질에 대한 재조합 단백질 유전자를 design 하고, 이를 이용하여 식물세포에서 유전자 발현을 유도한 후, 식물세포에서 만들어진 재조합 단백질의 분리 정제와 만들어진 단백질의 활성을 확인해 보는 전체 과정을 수행
3) 이러한 기회를 통해서 기초적인 생명과학이 어떻게 산업적으로 활용되며, 궁극적으로 생명과학이 지속 가능한 인간 사회를 만드는데 필수적인 3 대 핵심문제인, 건강, 환경, 에너지 분야에 어떻게 기여할 수 있는지를 직접 경험해 보는 기회를 제공하고자 한다.

미래 인류의 생존을 위해 해결해야만 하는 위대한 도전중의 하나는 CO2 증가가 zero인 에너지 생산과 지속적인 food security를 들고 있다. 식물이 생산하는 바이오매스(Biomass)의 대부분은 형성층 줄기 세포의 활성에 의해 생산되며, 이를 통해 만들어지는 체관의 수송 능력을 조절함으로써 씨앗과 뿌리로 대표되는 식량으로 활용할 수 있는 조직의 생산성을 극대화 할 수 있다고 생각한다. 이를 위해 애기장대, 담배, 감자, 토마토를 재료로 하여 연구를 수행하고 있으며, 학부생은 아래 연구 주제와 관련한 실험에 참여할 수 있으며 결과는 발표 논문에 활용될 수 있다.

(1) 관다발 조직의 형성 및 조절 기작 연구
형성층 및 관다발 조직은 식물의 부피 생장을 조절하여 바이오매스 증대에 큰 영향을 준다. 본 연구실에서는 애기장대와 담배를 이용하여 형성층 및 관다발 조직의 기능을 조절하는 인자를 유전체 분석과 유전학 기법을 활용하여 동정하고 이에 대한 기능 연구를 통해 (Han and Cho et al., Nature Plants, 2018), 관다발 식물의 출현에 결정적인 역할을 하고 체관의 수를 조절하는 하는 ‘줄기(JULGI)’ 유전자를 발굴하였다 (Cho and Cho et al., Nature Plants, 2018, 그림). 줄기 유전자의 제어를 통한 식물 체관의 수 조절에 의한 꽃, 씨앗, 뿌리, 꿀, 괴경 등의 변화를 생리학적 관점에서 규명한다.

(그림 설명, 오른쪽) 형성층 및 관다발 조직이 증가한 돌연변이체. fc: fascicular cambium, if: interfascicular cambium, ph:phloem, xy:xylem

(2) RNA 이차 구조에 의한 식물 발달 조절 연구
관다발 식물이 지상에 정착하는데 필요한 조절 기작의 핵심이 RNA 결합 단백질에 의한 RNA 이차 구조의 형성이며, 이 기작이 진화적으로 보존되어 있다는 사실을 처음 규명하였다. 본 연구실에서 규명한 RNA 결합 단백질과 RNA 이차구조의 상호작용이 관다발 조직의 발달 과정에서 어떠한 내재적/외재적 조절을 받으며, 전사 후 조절 및 번역 조절 과정을 매개하는지에 대한 유전학적, 생화학적, 생리학적 연구의 일부를 수행할 있다.

(3) 식물 생장 호르몬을 통한 병 저항성과 식물 생장의 상관관계 연구
식물은 환경 스트레스 (가뭄, 홍수 및 기온 변화) 및 병충해에 의해 생산량이 현저하게 감소한다. 따라서 식물의 생장 속도를 극대화 하고 동시에 환경 스트레스에 저항성을 갖는 새로운 작물의 개발이 필요하다. 우리는 식물의 발달과정에 관여하는 식물 호르몬의 신호전달을 조절하는 다양한 인자를 통한 식물의 면역반응과 환경 스트레스 저항성 활성화 기작을 규명하고 있다.

연구주제 - 세포내 단백질 분해 경로 발견과 휴먼질환 연구

1. 배경
세포 속 단백질 분해는 세포주기 조절, 신호전달. 발달과정, 스트레스 및 면역반응 등 거의 모든 생명현상을 담당하고 있습니다. 따라서, 단백질 분해 과정이 망가지면, 비정사적 단백질들이나 수명이 다한 단백질들이 세포 내에 축적됨으로써, 각종 암, 퇴행성신경질환, 자가면역질환 등 다양한 휴먼질환의 원인이 됩니다. 우리는 거의 모든 단백질들에 적용할 수 있는 아세틸화/N-말단 분해신호와 (Hwang CS et al, Science, 2010), ‘세포 내 단백질 운명’을 쥐고 있는 N-말단 메티오닌 분해 신호를 최초로 발견하였습니다 (Kim HK et al, Cell, 2014). 또한, 혈압 조절에 중요한 단백질 Rgs2 분해과정을 밝혀내 (Park SE, Science, 2015), 고혈압, 뇌졸증 등의 심혈관 질환 치료에 새로운 단초를 제시하였습니다.

혈압 조절에 중요한 Rgs2 단백질 분해 과정 규명 (Science, 2015)

2. 주요 연구주제

 1) 아세틸화/N-말단 단백질 분해 경로 및 생물학적 기능 연구.
효모, 휴먼세포, 생쥐를 이용하여 최초로 발견한 아세틸화/N-말단 단백질 분해 경로 및 생리적 기능을 더욱 자세히 규명하고, 각종 암, 퇴행성신경질환, 심혈관질환, 감염 및 대사질환 등을 세포 내 단백질 분해 관점에서 이해하고자 합니다.

 2)진핵생물 포밀메티오닌 단백질 합성과 분해 연구.
진핵생물은 메티오닌을 단백질 합성 개시 신호로 사용한다는 기존의 학설과 완전히 다르게, 우리 연구실에서 진핵생물 세포질에서 포밀메티오닌을 통한 단백질 합성과 이를 인식해서 분해하는 포밀메티오닌/N-말단 경로를 처음 발견하였다. 다양한 환경적 스트레스, 유전적 결함, 감염 및 질환 상태 등에 따른 포밀메티오닌을 통한 단백질 합성과 분해 기전 및 생물학적 기능을 자세히 규명하고, 단백질 대사 분야에서 새로운 패러다임을 제시하고자 합니다..

(3) 단백질 메틸시스테인 디메틸라제 탐색 및 악성종양 연구.
악성 뇌종양, 백내장, 감염 반응의 중요성에도 불구하고, 열역학적으로 안정한 화학적 구조 때문에 단백질에 부착된 메틸시스테인에서 메틸기 떼어내는 탈메틸화 효소는 현재까지 전혀 알려져 있지 않다.
우리 연구실에서는 메틸시스테인 탈메틸화 효소 정량법을 처음 개발하여, 휴먼세포내에서 메틸시스테인 탈메틸화 효소 존재를 처음 확인하였다. 앞으로, 이효소을 동정하여 생리적 기능을 규명하고, 악성종양 치료의 관건인DNA 알킬화 항암제들의 효능을 증진시킬 수 있는 새로운 기반지식을 제공하고자 한다. 또한 감염 과 백내장 연구에 새로운 획기전인 원천 지식을 제공하고자 합니다.

메틸시스테인 탈메틸화 효소 발견과 휴먼질환 연구