세포 분해 생물학 연구단
(Cellular Degradation Biology Center)
○ 단장 : 권용태
○ 소속 : 서울대학교 의과대학
○ E-Mail : yok5@snu.ac.kr
○ Webpage: https://cdbc.snu.ac.kr
Ⅰ. 설립배경
- 인간의 신체 구성 물질은 매일 일정 부분 합성이 되고, 또 그만큼 분해가 되며, 이러한 항상성이 깨어질 경우 각종 질병을 유발할 수 있다. 지난 20여 년 동안 세포 내 개별 단백질 분해기전의 기전은 비교적 상세히 밝혀졌으나, 단백질 복합체 또는 비단백질적인 세포내 소기관의 분해 및 조절에 관한 연구는 미토콘드리아 등이 몇몇 예를 제외하면 거의 전무한 상황이다. 하지만 여전히 국내외 관련 연구는 배양세포를 이용한 개별 단백질의 유비퀴틴화나 UPS의 부분적, 단편적 조절기작에 집중하고 있으며, 오토파지에서도 세부 매커니즘 연구, 분자수준 구조규명, 질병과의 연관성에 대한 연구에 집중하고 있는 현실이다.
- 거대 단백질/RNA 복합체, 소포체, 페록시좀, 골지바디, 지방과립 등 소기관 수준의 분해 조절기전은 선행연구가 거의 없을 정도로 미개척 난제로 남아있다. 본 센터를 통하여 단백질이나 RNA의 복합체, 그리고 세포 내 소기관들의 분해 기작을 규명하고, 질병 상관성을 밝히며, 더 나아가 제어기술을 개발하는 연구를 수행하고자 한다. 이를 기반으로 세포 및 인체 수준에서의 “다층적 거시 분해 생물학”이라는 신규 학문을 정립하고, 더 나아가, “분해 기반” 치료 전략을 제시하고자 한다 (그림 1).
- 예를 들어, 세포내 소기관 및 병원체는 페록시좀 형성장애/젤웨거신드롬(페록시좀), 알파1-항안티트립신 결핍증, 낭포성 섬유증(소포체), 비만, 당뇨, NASH(지방과립), 항생제내성, 결핵(병원균) 등 다양한 질병의 직접적인 원인이나 치료제 개발의 핵심타겟이 될 수 있다. 이들 질병 중 일부는 소기관 자체를 분해와 관련이 있기 때문에 전통적 치료전략이 듣지 않는 희귀난치성 질환이다. 또한, 우리나라가 초고령화 사회에 진입함에 따라 노화 관련 만성질환이 급증하고 있는데, 이들 역시 세포 내 단백질 항상성 저하로 인한 비정상적 소기관의 증가와 이를 매개하는 변형 단백질과 생체물질의 축적, 연관된 세포독성이 공통적인 병리기전으로 작용한다. 따라서, 본 사업단이 개발하는 분해기전 조절 기술이 다양한 인간질병의 "분해 기반" 치료기술 개발에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
그림 1. 본 연구센터에서 제안하는 “거시 분해 생물학”의 연구범위와 비젼
Ⅱ. 연구목표
1. 연구목표
- 세포 분해 생물학 연구센터(SRC)는 세포 내에 존재하는 다양한 단백질이나 RNA의 복합체, 그리고 소기관 및 병원체들의 분해 기작을 규명하여 세포 및 인체 수준의 "거시적 분해 생물학"을 정립하고자 한다. 또한 관련 질병과의 상관관계를 규명하고 조절기술을 개발하여 "분해 기반" 치료 전략을 제시하고자 한다.
- 위 목표를 달성하기 위하여 본 연구센터는 유기적으로 연결된 두 개의 그룹으로 구성되었다. 1그룹은 단백질 및 RNA 복합체의 분해기작을 2그룹은 세포내 소기관 및 병원균의 분해기작을 중심으로 연구를 진행하고 있다.
- 두 그룹 참여연구자의 공동연구를 통하여 규명된 세포내 분해의 차별적 기전과 공통적 기반을 기반으로 다양한 질환 치료로 적용 가능한 분해제어 기술을 개발하고 있다 (그림 2).
그림 2. 본 연구센터가 수행하는 다층적 연구내용과 이들간의 유기적 연결성
2. 연구내용
○ 상기된 연구목표를 달성하기 위한 보다 구체적인 연구내용이 아래에 그룹별로 제시되었다. .
<그룹 1>
◯ 세포질 단백질 복합체의 분해: proteasome, ribosome, 및 p62 body (세부 1-1, 이민재)
· 세포 내에는 여러 가지 단백질 복합체들이 존재하는데 이들 중 proteasome, ribosome, p62 body, 및 aggresome을 중심으로 분해 기작을 연구할 것임. 이 중 proteasome은 ubiquitin-proteasome system(UPS)에서 단백질을 분해하고 ribosome은 단백질을 합성하는 복합체임. 또한 p62 body는 퇴행성뇌질환 환자들의 뇌 등에서 병리학적으로 관찰되는 단백질 복합체이며 오토파지를 통해 분해가 됨. 한편, aggresome은 proteasome이나 lysosome에 의해 실시간으로 분해되지 못하는 단백질들을 임시로 모아놓는 구조물인데, 그 기질들이 천천히 해체되어 오토파지에 의해 분해됨. 본 세부과제에서는 이들 복합체의 분해를 조절하는 통합 기전을 규명할 것임.
◯ 세포핵 단백질 복합체의 분해: Cajal bodies, nucleolus, PML, 및 ND10s (세부 1-2, 송재환)
· 세포핵 내부에 존재하는 단백질 복합체(nuclear bodies, NBs)는 다양한 형태 및 크기를 가지며 기능도 다양함. NBs는 세포 생육을 위해 중요한 역할을 하며, 유전자 발현, 스트레스 반응 등을 조절하며, 필요시 형성되었다가 상황이 종료되면 proteasome이나 lysosome에 의해 분해됨. 본 세부과제에서는 cajal body, PML 등 세포의 핵 내 복합체의 형성 및 분해를 연구할 것임.
◯ 신경세포의 수송 단백질 복합체의 분해: Transport RNPs, stress granules, P bodies (세부 1-3, 이진아)
· 신경세포에서는 RNA와 ribonucleoprotein으로 이루어진 구조(RNP granules)를 통해 mRNA의 항상성을 조절함. 세포질의 mRNA를 분해하거나 일시적으로 저장하는 P-body(Processing body)와 mRNA 번역 시작을 억제하는 스트레스 과립 (Stress granules)은 mRNA의 농도 및 위치를 조절하는 등 다양한 생리적 역할을 함. 본 연구에서는 이들 단백질/RNA 복합체의 구성성분 분석 및 형성 시 발생하는 PTM과 분해기작을 연구할 것임.
◯ 핵공 단백질 복합체의 분해: Nuclear Pore Complex (세부 1-4, 고준석)
· 핵막을 관통하는 NPC는 핵-세포질 간 선택적 물질의 이동을 관장하며, 약 30개의 nucleoporin으로 이루어져 있는 세포 내 가장 큰 transport channel임. 세포 노화 혹은 퇴행성 신경 질환 발생과 NPC 기능 (permeability barrier, active transport) 손실 간 상관관계가 보고됨. 본 연구에서는 NPC의 quality control에 관련된 생성과 분해, 특히 분해의 분자 기작에 관한 연구를 진행할 것임.
◯ 핵막 단백질 및 RNA 복합체 분해의 프로테오믹스 분석 (세부 1-5, 한도현)
· 상기 단백질 및 RNA 복합체의 구성성분을 프로테오믹스를 사용해서 분석하는 동시에, 질병 특이적인 마커와 PTM을 발굴함으로써, 다른 세부과제에서 기전을 규명하거나 제어기술을 개발하는데 공동연구를 수행할 것임.
그림 3. 그룹1의 이민재, 송재환, 이진아, 고준석 교수는 세포 내 단백질 및 RNA 복합체의 분해에 관한 연구를 수행할 것이고,
한도현 교수는 프로테오믹스 분석을 통해, 복합체의 구성 성분, PTM, 질병 특이적 마커를 발굴할 것임.
<그룹 2>
◯ Peroxisome (페록시좀)의 분해기작 (세부 2-1, 권용태)
· 페록시좀은 DNA 없이 단일막 구조로 이루어진 과산화소체로서 50개 이상의 효소들이 Redox 신호전달과 지질 항상성 유지에 필수적인 역할을 수행함. 환경에 따라 합성, 증식 및 사멸이 다양하게 일어남. 주요 기능으로는 Beta-oxidation을 통한 지방산 분해와 활성산소 해독, 매우 긴사슬 지방산이 대사, 간의 담즙산, 콜레스테롤, plasmalogen 합성, 요산, 아미노산, 퓨린 분해 등을 들 수 있음. 본 연구에서는 N-degron pathway가 pexophagy, 즉 오토파지에 의한 peroxisome의 분해를 조절하는 기전을 연구할 것임.
◯ Endoplasmic reticulum (소포제)의 분해기작 (세부 2-1, 권용태)
· 소포체는 단백질 합성 및 분비, 단백질의 2차 구조형성, 수송, 당질화(glycosylation), 칼슘 저장 등 다양한 역할을 함. 따라서 항상 단백질 부하가 걸려있어 사소한 스트레스에도 쉽게 손상되는 소기관임. 본 연구에서는 정상적인 세포 내에서나 스트레스 상황에서 소포체가 분해되는 기작을 신규로 발굴한 ER-phagy의 리셉터로 기능을 하는 TRIM13을 중심으로 연구할 것임.
◯ Lipid droplet (지방 과립)의 분해기작 (세부 2-2, 서영호)
· 세포는 fatty acid의 세포 내 독성을 막기 위해 에스테르화를 거쳐 중성 지방의 형태로 주로 근육, 간, 지방 세포 등의 지방과립에 저장됨. 또한, 지방과립은 막의 구성 물질 합성, 단백질의 저장, 세포 보호 및 대사와 같은 다양한 역할을 하는 중요한 소기관임. 본 연구에서는 지방과립의 분해기작을 호르몬 매개 기전, lipophagy, lipolysis 등의 과정을 통합하여 연구할 것임.
◯ 세포내 침입한 병원균의 분해(박테리아, 바이러스)의 분해기작 (세부 2-3, 김석희)
· 항생제 내성균에 억제 방법이 거의 없는 상태에서, 2050년 경 매년 1천만 명이 박테리아 감염으로 사망할 것으로 예상됨. 이 수치는 사망 원인 1위로써 암 보다 더 위험한 질병이 될 것임. 세포질에 침입한 병원균은 제노파지(xenophagy) 등 여러 가지 방법으로 감지되고 또한 분해됨. 본 세부과제에서는 세포 내에 침입한 병원균을 분해하는 기전을 규명하고, 제어기술을 개발해서 항생제 내성 박테리아 및 결핵에 대한 신개념 치료 전략을 제시하고자 함.
◯ 세포내 소기관 및 병원균 분해 관련 분자 구조-기능 연구 (세부 2-4, 송현규)
· 오토파지에 의해서 분해할 cargo를 선별하기 위해서는 selective autophagy adaptor 단백질들이 중요한 역할을 함. p62/SQSTM1, NBR1, NDP52, optineurin 외에 여러 특정 autophagy adaptor 들이 밝혀지고 있으나, 구조-기능 연구는 p62에 집중되어 있음. 본 세부과제에서는 세포 내에 소기관 및 병원균 분해에 관련된 분자들의 구조-기능을 밝혀 기전을 이해하고 “분해기반” 신개념 치료전략을 위한 기본 정보를 제공하고자 함.
◯ 세포내 소기관 제어 물질 발굴 (세부 2-5, 지형민)
· 독자적으로 구축한 분자다양성을 기반으로 한 의약유사 저분자 화합물 라이브러리를 활용하여 고효율 생리활성 스크리닝법, 특히 이미지 기반 스크리닝에 특화되어 있음. 세포내 소기관 및 단백질의 분해과정을 모니터링 할 수 있는 스크리닝을 개발하고, 이를 활용하여 새로운 개념의 세포내 소기관 제어물질을 발굴하고자 함. 또한 이렇게 발굴된 활성물질의 작용메커니즘을 규명하기 위해서 비표지 표적단백질 규명 기법인 TS-FITGE 기술을 활용하여, 세포내 표적단백질을 규명하고, 이를 기반으로 새로운 작용기전의 First-in-class therapeutics를 개발하고자 함.
그림 4. 그룹 2의 권용태, 서영호, 김석희 교수는 세포 내 소기관 및 병원균의 분해에 관한 연구를 수행할 것이고, 송현규 교수는 구조-기능 분석을 통한 질병 제어 타깃 발굴하고,
권용태 교수는 분자모델링 및 합성을 통해 제어 물질의 발굴 및 최적화를 담당할 것임. 또한, 지형민 교수는 소기관 제어 신규 물질을 스크리닝하고 합성을 할 것임.
Ⅲ. 기대효과 및 전망
- 세포 분해 기전과 관련된 연구와 문헌이 일부 축적되어 있으나, 모두 미시적 수준의 분자기전 규명에 초첨이 맞추어져 있어서, 완전히 독창적이고 진보된 이론을 확보하기 위해서는 전문성 있는 연구진들의 공동연구 수행이 필수적인 상황이다. 본 연구센터의 참여연구진들은 모두 개별 분야에서의 역량을 인정받고 있고, 융합성 있는 주제의 연구를 기 수행 중에 있다. 이들의 체계적인 구성과 기존 연구 리소스/노하우의 공유, 열정적인 연구진의 학제 간 연구의 시너지를 통하여 원천성 있는 연구결과를 이끌어 낼 수 있을 것으로 사료된다.
- 의과학적 미충족 수요의 달성: 지금까지 치료제 개발은 대부분 수용체나 효소 등 특정 단백질을 타겟하여 활성을 제어하거나 신호전달체계를 조정하는 데 초첨을 맞추어 왔다. 그러나 아직 특정 대형 단백체 또는 세포 내 소기관을 조절하는 방법은 개발이 되지 않고 있는 상황이다. 다양한 질병 병리과정에서 소기관의 관여가 과거부터 파악되어 왔으나, 이 과정 내에 일어나는 다양한 생화학적 변화에 대해서는 아직 깊이 있는 연구가 시도되지 못한 상황이기 때문에, 이를 이해하고 조절방법을 개발하고, 전임상에 적용하는 방법은 국민의 건강 향상과 세계 의료시장의 선제적 적용이 가능할 것으로 생각된다 (그림 5).
그림 5. 세포분해 생물학 연구센터의 연구개발을 통하여 기대되는 파급효과
