실험실

본 실험실에서는 생물체에서 일어나는 다양한 화학반응의 체계적인 이해를 목표로 하고 있습니다. 생물학적 촉매인 효소의 기능 및 조절에 대한 종합적인 연구를 통해 궁극적으로 분자수준에서 생명현상을 설명할 수 있는 기반을 다지고 있습니다.

특히 bioactive lipid의 생합성에 관여하는 효소를 중심으로 구조적 특성, 효소반응 메커니즘, 활성 및 비활성의 조절기전에 관한 연구가 진행되고 있습니다. 아울러 효소반응 kinetics, 효소분해기전, 단백질간의 상호작용에 관한 이해를 바탕으로 관련질병치료의 효율적인 접근방법을 제시하고자 합니다.

[저산소에 의한 세포내 유전자 발현 변화]
우리 실험실은 세포가 산소 공급이 낮은 (1 % 이하의 산소 농도), 고형암, 혈관이 부족한 미세환경 (줄기세포 미세환경), 허혈성 질환, 비만 조직의 세포들이 겪는 다양한 세포생리학적 변화를 연구하고 있습니다. 산소농도가 낮아지면 암의 전이, 혈관생성, 노화, 세포골격, 해당과정등에 관여하는 다양한 유전자들의 발현이 변화하고, 그 결과 세포의 성질이 변화하여, 분화와 노화가 억제되고, 줄기능이 향상되고 암치료에 저항성을 보입니다. 우리 실험실은 저사소에 의한 유전자 발현 조절 기전을 연구하며, 특히 아래 4가지 주제에 대한 연구를 수행하고 있습니다.

(1) 저산소증, 세포노화 및 히스톤 탈메틸화효소
(2) 저산소증, 지방세포분화와 지질대사
(3) 산소의존성 다이옥시제네이스 억제제 발굴
(4) HIF-1α 및 산소의존성 다이옥시제네이스를 조절하는 신호

우리 실험실에서는 Wnt와 Hippo signaling의 조절 이상에 의해 유발되는 다양한 질병을 치료하는 방법을 찾기 위해 Wnt와 Hippo signaling이 어떻게 조절이 되는지를 알고자 하는 연구를 수행하고 있습니다.
우리 실험실에서는 Wnt와 Hippo signaling을 조절하는 새로운 단백질을 발굴하여 그 단백질들이 어떤 방법에 의해 이들 signaling을 조절하는지를 연구합니다. 다양한 분자 생물학적 방법이나 유전체 분석 방법을 이용하여 동물세포, 배아줄기세포, 오가노이드(organoid) 및 형질전황생쥐(transgenic mice)에서 Wnt와 Hippo signaling의 조절 기전을 연구하고, 그러한 연구를 바탕으로 이들 신호전달의 이상에 의해 유발되는 다양한 질병을 치료하는 방법을 개발하고자 노력하고 있습니다.
이러한 연구목표를 달성하기 위해 우리 실험실에서는 4단계 BK21 사업, 한국연구재단 및 치매극복연구개발사업단에서 연구비를 지원을 받아 아래와 같은 연구를 수행하고 있습니다.
[1] Identification of noble signal transduction of Wnt signaling by TFEB
[2] Studying cross-talks with Wnt and Hippo signaling and providing therapeutic targets
[3] The discovery of novel components and their function in Hippo Signaling Pathway
[4] Verifying Mest/Peg1 loss-of-imprinting as a causative mechanism of Alzheimer’s disease

2012 초파리를 이용한 실내 대기 유해물질의 검출 방법

우리 연구실에서는 x-ray crystallography를 이용해서 단백질의 3차원 구조를 규명하고 있습니다.
이를 이용해서 효소의 작용기작, 수용체 단백질들의 리간드 인식방법, 신호전달 단백질들의 상호 작용원리 등을 물리, 화학적으로 이해하고자 합니다.
주요 연구주제로는 인간의 선천면역계에서 중요한 역할을 하는 단백질과 박테리아의 단백질을 구조 규명과 기능연구를 수행합니다.

[노화 및 신경퇴화에서의 뇌 단백질 품질 관리 연구]
세포생물학 연구실은 신경세포의 무결성 유지와 붕괴, 그리고 노화 기간 동안의 신경세포 감소 현상을 이해하는 것을 목표로 하고 있습니다.

생쥐 모델 및 이로부터 유래한 일차 세포를 다루는 전문 지식을 활용하여, 다음과 같은 키워드를 토대로 연구를 수행하고 있습니다. (1) 신경퇴행성질환, (2) 성상세포 활성화, (3) 유비퀴틴-프로테아좀 시스템, 그리고 (4) 자가포식-리소좀 경로.

우리 연구실의 목표는 세포 품질 관리 시스템을 조절하여 신경퇴행성질환을 극복하기 위한 새로운 치료 전략을 개발하는 것입니다.

(1) 첫 번째 목표는 신경세포의 생존 능력 강화 또는 신경보호 모델을 확립하는 것입니다. 이를 위해 리포칼린-2 (LCN2)와 같은 분비성 신경독성 단백질 레벨를 조절하고, 활성화된 성상세포에서 전사체 프로파일을 변경하거나 활성화 상태를 조절하고자합니다.
(2) 두 번째 목표는 성상세포와 같은 아교세포가 신경세포와 상호작용하며 신경세포의 무결성에 영향을 주는 분자적 기전을 이해하는 것입니다.
(3) 마지막으로, 신경퇴행성질환을 가진 동물 모델에 우리의 치료 전략을 적용하고, 이를 통해 실제로 생체 내에서의 신경보호 효과를 검증하고자 합니다.

[나노과학을 생명과학에 연결하는 신기술 개발]
우리 연구실은 나노과학을 생명과학에 접목하는 새로운 신흥 기술 개발을 추구하고 있습니다.
우리 연구실에서는 새로운 유형의 기능성 나노 물질을 제조하고 생물학적 감지, 이미징 및 분자 및 약물 전달 등 다양한 생물학적 응용 분야에 대한 참신하고 새로운 접근 방식을 수행합니다.

(1) 첫째, 비전문 연구자도 쉽게 따라할 수 있는 간단하고 신뢰성이 높은 기능성 나노구조체 제조 전략을 개발하고, 질병의 조기 진단 및 유비쿼터스 생물학적 모니터링을 위한 고감도 광학센서 개발을 목표로 합니다.
(2) 둘째, 생물학적 메커니즘을 밝히기 위한 고감도 및 탁월한 공간 분해능을 가진 기능성 나노프로브를 이용하여 분자수준, 세포 수준에서 다세포 기관 수준까지 세포 거동을 관찰하는 것을 목표로 합니다.
(3) 마지막으로, 생체 적합성, 생분해성, 자극 반응성 및 표적 선택성을 갖춘 기능성 나노캐리어를 사용하여 미세하게 제어되고 표적화된 방식으로 생물학적 제제(예: 약물, 유전자 등)를 전달하는 방법을 개발하는 것을 목표로 합니다.

우리 연구실은 유전체, 후성유전체, 전사체 등을 다양한 시퀀싱 기술을 활용하여 연구하고 있습니다. Whole genome sequencing, RNA-seq, ChIP-seq, ATAC-seq, Hi-C seq, bisulfite-seq 등의 기술을 사용하여 실험과 분석을 수행하고, 더 나아가 새로운 기술 또한 개발하고 있습니다.

실험 방법 개발
우리는 single-cell multimodal 기술인 단일 핵 메틸 3C 시퀀싱 (snm3C-seq)을 개발하고 발표했습니다. 이 기술은 단일 세포에서 두 가지 이상의 특성을 동시에 관찰할 수 있게 해줍니다(Nature Methods 2019). 이 기술은 2019년에 Nature Methods에서 올해의 기술로 선정되었으며, 현재 뇌를 연구하기 위한 Brain Initiative에서 사용되고 있습니다.

분석 도구 개발
우리는 다양한 시퀀싱 기술에 대한 분석 방법을 개발하고 있습니다. 그 중에서도 우리는 Hi-C 시퀀싱을 사용하여 암 조직에서의 Structural Variations (SVs)를 연구하였으며, 유전체의 3차원 구조에서의 변화와 그 영향에 대한 연구결과를 2022년에 발표하였습니다 (Nature 2022).
또한, 이전에 개발한 snm3C에 대한 모든 기본 분석 파이프라인을 개발하였으며, 기본 분석을 위한 프로그램을 계속 개발하고 있습니다 (Nature Methods 2019).

[숙주 면역 체계와 바이러스 사이의 상호작용 연구]
우리 실험실은 숙주와 바이러스 간의 복잡한 상호작용이 인간 건강과 질병에 미치는 영향에 대해 연구하고 있습니다.

숙주-바이러스 상호작용은 바이러스 감염과 숙주의 면역 방어 체계 사이의 관계를 통해 감염의 결과를 결정하는 배틀그라운드를 만들어 냅니다. 바이러스 와 숙주 간의 상호작용은 바이러스의 침입, 복제, 바이러스의 면역 회피 및 숙주 면역 활성화 등을 조절하는 섬세한 분자 및 세포 조절 과정을 수반합니다. 이러한 상호작용을 주도하는 조절 기전을 이해하는 것은 바이러스에 대한 기초 지식 확립과 바이러스 감염에 대항하는 효과적인 전략 개발을 위해 매우 중요합니다.

우리 실험실의 연구 방향은 다음과 같이 크게 세 부분으로 나눌 수 있습니다.

(1) 바이러스 감염에서 엑소좀 (exosomes)의 역할에 대해 밝히고자 합니다. 바이러스 확산, 면역 조절 및 질병 진행과 어떤 연관성이 있는지 연구합니다.
(2) 바이러스 복제를 제한하는 주요 숙주 항바이러스 인자를 발굴하고 분자적 특징 및 메커니즘에 대해 밝히는 것을 목표로 합니다.
(3) 숙주 세포 시스템을 조작하여 면역 감시 회피하는 바이러스 전략에 대해 연구합니다.

[시냅스 가소성 현상 및 인지기능의 분자기전 연구]
신경세포는 주변 신경세포와 시냅스라는 구조를 형성하고 이를 통해 전기신호를 전달하고 있습니다. 시냅스를 통한 신호전달 체계는 한 세포에서 다른 세포로 정보를 전달할 뿐만 아니라 많은 신경세포들로 구성된 신경네트워크 수준에서 얻어진 정보를 취합하고 계산하는 역할도 하고 있습니다. 흥미롭게도 시냅스에서 전달되는 전기신호의 세기는 일정하게 유지되는 것이 아니라 신경세포가 전기적으로 활성화되는 빈도와 강도에 따라서 변하게 됩니다. 이와 같은 전기신호 전달의 가변적인 특징을 “시냅스 가소성”이라 하며, 이러한 현상은 두뇌에서 학습과 기억형성을 가능하게 하는 주요 기반으로 작동하는 것으로 알려져 있습니다. 신경생리학 실험실에서는 조현병을 비롯한 뇌정신질환 위험성 유전자가 어떻게 시냅스 가소성의 조절 및 동물 행동에 영향을 주는지 분자수준에서 이해하고, 이를 바탕으로 새로운 치료 표적을 제시하고자 합니다.