생화학분자생물학회

Molecular Bioimaging Laboratory 

(분자 이미징 연구실)

조원기

한국과학기술원 (KAIST) 생명과학과

[연구실 소개]

유전자 발현조절 기전 연구

  우리 몸은 성인 기준으로 약 30조개의 세포들로 구성되어 있다. 이 수많은 세포들은 조직 장기별로 각 부위에 맞는 특화된 기능을 수행하며 생명활동을 일으킨다. 이렇게 기능적으로 분화된 세포들은 최초의 1개의 수정란으로부터 세포분열을 통해 나뉘어진다. 이 과정에서 DNA에 암호화되어 있는 약 2만여개의 유전자들은 DNA 복제를 통해 모세포에서 딸세포로 정확히 전달된다. 따라서 한 사람의 몸에 있는 모든 세포들은 근본적으로 같은 DNA 염기서열, 즉 동일한 유전정보를 가지고 있다. 그런데 분화된 세포들이 완전히 다른 기능을 수행하는 이유는 세포분열을 통한 발생 분화과정에서 세포별로 발현되는 유전자들의 종류가 달라지기 때문이다. 우리 몸의 각 세포가 가지고 있는 2만여개의 유전자 모두가 모든 세포에서 항상 발현되는 것이 아니라 분화된 세포별로 기능에 필요한 일부만이 발현되어 특화되는 것이다. 예를 들어 뇌의 신경세포에서 발현되는 유전자 세트와 간세포에서 발현되는 유전자 세트는 다르다.

  한 세포 내에서 하나의 유전자가 발현되기 위해서는 수 많은 단백질들이 관여하는 일련의 과정들이 필요하다. 아직도 우리가 이해하지 못한 유전자 발현 조절 기전들이 존재하지만 크게는 먼저 세포핵 속 DNA로부터 RNA를 합성하는 전사과정이 일어나고 이후, 세포핵 밖으로 이동한 RNA 정보로부터 단백질을 합성하는 번역과정을 통해 유전자가 발현된다. DNA에 암호화되어 있는 유전자가 발현되어 기능을 하기 위한 가장 첫 과정이 전사과정인 것이다. 따라서 세포핵 내에서 일어나는 전사 과정에 대한 이해는 서로 다른 종류의 세포나 질병 세포에서 보이는 상이한 유전자 발현 양상을 이해하기 위한 첫 단계이다. 1953년 왓슨과 크릭이 유전물질인 DNA도 특정 화학구조식을 가진 분자라는 사실을 발견한 이후 분자생물학이 발전해 온 지금까지 수많은 연구자들이 전사과정을 이해하기 위해 노력해 왔다. 하지만 아직 우리는 왜 어떤 유전자는 세포A에서 발현이 되는데, 왜 세포B에서는 발현이 되지 않는지, 무엇이 이 스위치를 조절하는지 정확히 알지 못한다. 전통적인 생명과학 학문인 생화학, 분자생물학을 중심으로 최근 주목 받고 있는 생물정보학, 후성유전학 등이 여전히 이 문제를 풀기위해 노력을 기울이고 있다.

초고해상도 이미징을 통한 살아있는 세포핵내 생체 분자 관찰

  최근 보급된 차세대 염기서열분석 기술은 전사 조절과정에 대한 우리의 이해를 비약적으로 증진시켰다. 이는 그동안 전사인자 단백질들 간의 분자적 메커니즘으로만 이해해오던 전사 조절 과정에 DNA가 히스톤 단백질들과 결합해서 구성하고 있는 염색질의 구조나 인, 핵막과 같은 세포핵내 구조체들, 나아가 세포핵 내에서 특정 유전자가 놓여있는 공간적 위치도 전사 조절에 결정적인 역할을 한다는 관점을 더해주었다. 하지만 현재까지 염기서열분석에 의한 이들 구조체들과 유전자들 간의 상호작용에 대한 연구는 고형화 된 세포들로부터 수집된 DNA, RNA 조각들의 통계적인 결과라는 점에서 여전히 부족한 부분이 있다.

본 연구실(카이스트 생체분자 이미징 연구실, Molecular Bioimaging Laboratory@KAIST)은 살아있는 단일 세포핵 내에서 초고해상도 이미징을 통해 시시각각으로 변화하는 염색질의 단위체들과 핵내 구조체들의 4차원 상호작용을 실시간으로 관찰하여 오랜 생물학 연구의 숙제인 전사 조절 과정에 대한 우리의 이해 증진에 기여하고자 한다. 초고해상도 형광이미징 기법은 세포 밖으로 정제된 생체 분자들의 단일 분자수준의 이미징을 세포 내에서 실현시켰으며, 살아있는 세포 내에서 특정 생체 분자들을 특이적으로 표지 할 수 있는 형광이미징의 강점에 기반하여 살아있는 세포 내에서 실시간으로 생체분자들의 다이나믹스를 추적 관찰할 수 있게 하였다.

연구현황 및 연구성과

연구실이 시작되고 만 4년이 지난 현재 본 연구실은 연구 목표 달성에 필수적인 여러 종류의 최첨단 초고해상도 형광현미경 셋업들과 대용량 이미지 데이터분석 자동화 워크스테이션들을 완비하였으며 이를 기반으로 흥미로운 연구결과들을 확인하고 있다. 최근 연구성과들을 요약하면 전사과정에 관여하는 액체상 전사응집체(liquid transcriptional condensate)들이 활성화된 유전자 위치에 자발적으로 응집되는 것이 아니라 염색질 구조형성 단백질들에 의한 염색질 3차원 루프구조가 전제되어야 한다는 사실을 밝혔으며, 보다 최근에는 세포핵 내부 공간에서 23쌍의 염색체들의 고유한 영역과 활성화된 유전자들의 활발히 발현되는 핵내 특정 구획들이 어떤 단백질이 구성하는 네트워크에 의해 물리적으로 구분되어져 있음을 발견하였다. 이 밖에도 아직 아무도 예측하지 못했던 전사과정 개시에 관여하는 중요한 단백질의 전사 의존적 응집현상 및 비활성 염색질 부위의 전사 조절 기능 등 새로운 연구결과들의 발표를 준비중이다.

끝으로 초고해상도 이미징을 통한 유전자 발현 조절에 관한 연구는 분명 생화학 실험들의 테스트 튜브에서 발견하지 못하는 새로운 현상들을 확인시켜주지만 동시 관찰 생체분자수의 한계, 인위적 형광표지에 의한 부작용 등 아직 기술적 한계가 존재한다. 따라서 직접 눈으로 관찰한 생명현상들을 재확인하고 유기적으로 해석하기 위해서는 이미징 외의 다양한 첨단 생물학적 접근이 필요하다. 이를 위해 현재 카이스트 학생들과 더불어 국내외 우수 연구자들과 함께 다양한 공동 연구를 진행중이다.

[연구 책임자]

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조원기 교수

주소: 대전광역시 유성구 대학로 291 기초과학동 (E6-6) 411호

전화: 042-350-2647

E-mail: wonkicho@kaist.ac.kr

Homepage: https://www.wonkicholab.com/

[연구진 구성]

교수: 조원기

석박사통합과정: 박건희, 심환용, 이익지, 박태림, 류광민, 김창엽, 이준호, 김정현, 김근희, 송치열, 도상현, 김우재

[대표 논문]

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1. Hwang HJ, Park TL and Kim HI et al (2023) YTHDF2 facilitates aggresome formation via UPF1 in an m6A-independent manner. Nat Com 14, 6248. 

2. Lee R, Kang MK and Kim YJ et al (2022) CTCF-mediated chromatin looping provides a topological framework for the formation of phase-separated transcriptional condensates. Nucleic Acids Res 50, 207-226.

3. Park TL, Lee Y and Cho WK (2021) Visualization of chromatin higher-order structures and dynamics in live cells. BMB Rep 54, 489-496.

4. Cho WK , Spille JH and Hecht M et al (2018) Mediator and Pol II clusters co-associate in transcription-dependent dynamic condensates in living stem cells. Science 361, 6400.

5. Cho WK, Jayanth N and English BP et al (2016) RNA Polymerase II cluster dynamics predict mRNA output in living cells. eLife 5, e13617.

6. Cho WK, Jergic S and Kim D et al (2014) Loading dynamics of a Sliding DNA clamp. Angew Chem Int Ed Engl 53, 6768-6771.

7. Cho WK, Jeong C and Kim D et al (2012) ATP alters the diffusion Mechanics of MutS on Mismatched DNA. Structure 20, 1264-1274.

8. Jeong C, Cho WK and Song KM et al (2011) MutS Switches Between Two Fundamentally Distinct Clamps during Mismatch Repair. Nat Struct Mol Biol 18, 379-385.​