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Laboratory of Chromatin Organization and Protein Dynamics (유전체 구조제어 및 단백질 다이나믹스 연구실)

  • 작성자

    김유리 (DGIST)
  • 작성일자

    2021-12-15
  • 조회수

    2486

Laboratory of Chromatin Organization and Protein Dynamics 

유전체 구조제어 및 단백질 다이나믹스 연구실

 

김유리

DGIST

 


연구실 소개

 

본 연구실은 신생 연구실로서, 사람의 유전체가 세포핵 내의 3차원 공간에서 어떠한 형태로 조직화되어 있으며 그 구조의 변화가 사람의 질병과 노화에 어떻게 영향을 미치는지 연구하는 것을 미션으로 하고 있습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해서 저희 연구실은 크로마틴 3차 구조, DNA 손상 복구을 포함한 연구 주제들을 단분자 생물리학과 미세유체역학 시스템을 이용하여 포괄적으로 다루고 있습니다. 최근에 단분자 이미징을 이용하여 코헤신 단백질이 DNA loop을 형성한다는 것을 밝혀냄으로써 Science지에 논문을 개제하였고 현재는 그 조절 인자들이 크로마틴 3차 구조에 미치는지에 대한 연구를 실시하고 있습니다.

 

  

 그림 1. 단분자 이미징을 위한 프리즘 타입의 TIRF 현미경 도식. 레이저 빔을 이용하여 도립현미경의 샘플상에 전반사 (Total Internal Reflection)를 일으킴으로써 백그라운드 노이즈를 낮추고 표면상에 있는 DNA와 단백질의 형광만을 관찰함으로써 단분자 수준으로 실시간 이미징을 가능하게 함. 

 

 

 

연구내용

 

1. 크로마틴 구조 연구

 

세포핵 내의 유전체는 세포 주기와 상태에 따라 서로 다른 밀도로 접힌 크로마틴 형태로 존재합니다. 이러한 크로마틴 접힘은 시간적, 공간적으로 다이나믹하게 변화하며 다양한 DNA 단백질에 의해 조절됩니다. 코헤신 복합체는 ATPase를 가지고 있는 SMC1/SMC3를 포함한 4개의 subunit으로 이루어진 단백질로써, ATP를 이용하여 크로마틴 loop을 형성하는 모터 단백질이며 TAD (topologically associated domain)라고 불리는 크로마틴 도메인을 형성하는데 필수적인 요소입니다. 

코헤신이 크로마틴 구조에 기여하는 메커니즘을 밝힘으로써 최근에 사이언스지에 논문을 게재하였습니다. 두개의 코헤신 복합체가 symmetric한 형태로 DNA loop extrusion 모델에 부합하는 방식으로 loop을 형성하며 이 과정은 ATP 가수분해를 필요로 한다는 사실을 밝혀냈습니다. 코헤신이 크로마틴 상에 시기적절하고 다이나믹하게 붙고 떨어지는 과정은 매우 중요하며 이를 조절하는 여러 조절인자들인 PDS5, WAPL, ESCO1 등의 요소들의 역할과 조절 메커니즘을 밝히는 연구를 시행하고 있습니다. 

 

그림 2. 코헤신과 크로마틴 구조에 대한 연구


2. 크로마틴 단백질 다이나믹스

크로마틴 상에서는 유전체의 복제와 전사, 손상 복구 등의 다양한 세포 기작들이 일어나며 이 작업들은 각각의 특화된 크로마틴 단백질들의 다이나믹한 기능의 조합으로 수행되며 조절됩니다. 단백질들의 기능 중에서도 프로모터나 DNA 손상 부위 등 유전체 상의 특정한 부위를 빠르고 효과적으로 찾아내는 메커니즘이 바로 크로마틴 상에서의 일차원적 확산 (1D diffusion) 입니다. 이와 같은 단백질의 움직임을 실시간으로 이미징하고 생물리적 분석 방법을 통해 접근함으로써 일반적인 생화학적 기법으로 관찰할 수 없는 단백질의 역할과 기능을 규명할 수 있습니다. 유전체 손상 복구 단백질이 장애물이 될 수 있는 nucleosome을 점프해서 지나다닐 수 있도록 설계되어 있는데 중요 부위의 돌연변이 단백질은 그 기능을 잃고 세포내에서도 손상 복구 기능을 잃는다는 것을 증명하였습니다. 이와 같이 단분자 이미징을 통한 크로마틴 단백질의 역동성을 이해하는 것은 세포 건강을 유지하는 단백질의 다양한 기능과 특성을 밝히는데 기여하고 질병 메커니즘을 밝히는 연구를 하고 있습니다.    

 

그림 3. 크로마틴 단백질의 1D diffusion과 target search 모델​


3. 세포핵 구조와 노화 연관성 연구를 위한 생물리적 기법 연구

세포핵 내에서 세포막 근처에 존재하는 크로마틴은 compact한 heterochromatin 형태로 주로 존재하며 DNA 손상을 막아주는 역할을 하고 있습니다. 핵막 내부에서는 외부 물리적 힘에 반응할 수 있는 라미나 구조와 연결되어 크로마틴 리모델링에 관여합니다. 저희 연구실에서는 크로마틴 도메인이 어떻게 세포 스트레스, DNA 손상, 세포 움직임 등과 같은 외부 물리적 자극에 의해 어떻게 반응하고 조절되는지 연구합니다. 

 

연구책임자 


 

김유리 교수

주소: 대구시 달성군 현풍읍 테크노중앙대로333, E5-212

전화: 053-785-1650

이메일: yoori.kim@dgist.ac.kr

홈페이지: https://www.yk-laboratory.org/

 

연구진 구성


 

교수: 김유리

석사과정: 신효경

연구보조원: 금종원

학부연구생: 이서영

 

대표논문

• Corey Frazer, Mae I Staples, Yoori Kim, Matthew Hirakawa, Maureen A Dowell, Nicole V Johnson, Aaron D Hernday, Veronica H Ryan, Nicolas L Fawzi, Ilya J Finkelstein, Richard J Bennett, Epigenetic cell fate in Candida albicans is controlled by transcription factor condensates acting at super-enhancer-like elements, Nature Microbiology, July 27, 2020

• Yoori Kim, Zhubing Shi, Hongshan Zhang, Ilya J. Finkelstein, Hongtao Yu, Human cohesin compacts DNA by loop extrusion, Science, 366(6471), 1345-1349, December 13, 2019

• Yoori Kim, Christopher M. Furman, Carol M. Manhart, Eric Alani, and Ilya J. Finkelstein, Intrinsically disordered regions regulate both catalytic and non-catalytic activities of the MutLα mismatch repair complex, Nucleic Acids Research, 47(4), 1823-1835, February 28, 2019

• Yoori Kim, Armando de la Torre, Andrew Leal, Ilya Finkelstein, Efficient modification of λ-DNA substrates for single-molecule studies, Scientific Reports, 7(1), 2071, December 1, 2017 

• Maxwell Brown, Yoori Kim, Gregory Williams, John Huck, Jennifer Surtees, Ilya Finkelstein, Dynamic DNA binding licenses a repair factor to bypass roadblocks in search of DNA lesions, Nature Communications, 7:10607, February 3, 2016

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