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연구센터 / 사업단 소개

4차원 뉴클레옴 유전체 연구단 (4D Nucleome Genome Research Center)

  • 작성자

    김형표 (연세대학교)
  • 작성일자

    2024-03-08
  • 조회수

    947

4차원 뉴클레옴 유전체 연구단 

(4D Nucleome Genome Research Center) 

 

 

○​ 저자명: 김형표

○​ 저자소속: 연세대학교

○​ 연락처: 02-2228-1842

○​ 이메일: kimhp@yuhs.ac

 

Ⅰ. 설립배경

□ 유전체정보를 이용한 맞춤의학 실현을 위해서 개인 특이적 유전적 변이의 생물학적 기능을 파악하고 질병과의 연관성을 규명하는 것이 필요함

□ 이를 위해 단순한 1차원적 유전체정보 해독을 넘어서서 유전체정보의 기능을 구체적으로 이해하는 단계로의 진입이 필수적임

□ 현재까지 유전체정보의 기능적 이해는 주로 “단백질 합성 부분”에 집중되었으나, 전체 유전체의 99%를 차지하며 정교한 유전자 발현 조절을 통해 개인 특이적 형질 발현을 담당하는“비단백질 합성 부분”의 기능에 대한 이해는 많이 부족함

□ 최근 “세포핵 내 유전체(Nucleome)”의 공간적(3차원), 시간적(4차원) 차이에 의한 생명현상 규명 및 질환 발병 기전 이해라는 새로운 개념이 부각되고 있음

□ 4차원 Nucleome (4DN)의 중요성을 인식하고, 미국을 비롯한 선진국들은 대형 공동 프로젝트를 선제적으로 진행하고 있으며, “질환과 연계된 4차원 유전체 코드”라는 미래의학의 컨텐츠 확보를 위해 국가 간의 치열한 경쟁이 시작되고 있음

□ 이러한 국제적 추세에 대비하기 위해서는 국가 차원에서 과감하고 집중적인 투자를 포함한 종합적 대책 마련이 시급함

□ 우선적으로 1) 인프라 구축을 통한 4DN 데이터 생산 및 분석 체계의 표준화 및 효율화, 2) 학제 간 융합과 인력양성을 통한 창의적인 기술 개발 등이 필요함

□ 장기적으로 1) 한국인 4DN 표준지도를 각 조직별 단일세포 수준에서 확립, 2) 한국인 만성질환 연계 4차원 유전체 코드 발굴, 3) 진단 및 신약 개발 응용 기술 개발 등이 필요함

 

 

Ⅱ. 연구목표

 

1. 연구목표

 본 연구단은 초고속 시퀀싱(NGS), 이미징, 빅데이터, 인공지능(AI) 등 다양한 방법론을 포함하는 학제간 융합을 바탕으로, 세포핵 내 유전체의 시공간적 변화 (4D-nucleome; 4DN)를 추적할 수 있는 분석 기술을 개발하고 4DN 표준지도를 작성하여, 생명 현상을 규명하고 질환 발병 기전을 이해하며 궁극적으로 맞춤형 정밀의학을 실현할 수 있는 기반 기술 확보를 목표로 함. 이러한 최종 목표를 달성하기 위하여 다음과 같은 세부 목표를 상정함. 1) NGS 기반 4DN 데이터 분석 기술 개발 및 표준지도 작성, 2) 이미징 기반 단일세포 4차원 크로마틴 구조 분석 기술 확립 및 검증, 3) 기계학습 기반 데이터 가공 기술 및 4DN 데이터 분석 표준 핵심 알고리즘 개발, 4) 심근병증 질환 모델 구축 및 4DN 데이터 분석 기술 유효성 검증

 

 

2. 연구내용

 

1단계: 4DN 분석 기반 기술 확보

□ 정상인 유래 iPSC 및 심근세포 NGS 기반 4DN 데이터 생산 및 표준지도 작성
□ 초고해상도 4차원 크로마틴 시공간적 분석 기술 확립
□ 4DN 연계 공공 빅데이터 수집, 데이터베이스 플랫폼 구축
□ 심근병증 환자 코호트 확보 및 임상데이터베이스 구축
□ 정상인 유래 iPSC 및 심근세포 단일세포 수준 NGS 기반 4DN 데이터 생산 및 표준지도 작성
□ Mouse cell 분화 모델에서 이미징 기반 4DN 분석 기술의 당위성 검증
□ 4DN 데이터 통합 분석 알고리즘 개발, 분석파이프라인 시험 평가 및 국제 표준지도와의 비교
□ 환자 유래 iPSC 제작을 통한 심근병증 질환 모델 구축

2단계: 4DN 기반 맞춤형 질환 유전체 응용기술 적용 및 검증
□ 심근병증 환자 유래 iPSC NGS 기반 4DN 데이터 생산 및 표준지도 작성
□ 심근병증 환자 유래 iPSC 세포에 크로마틴 구조 분석 이미징 기술 적용 및 검증
□ 심근병증 모델 데이터 통합 분석을 통한 질환 기작 이해
□ 환자 iPSC 유래 심근세포 제작을 통한 심근병증 질환 모델 구축
□ 심근병증 환자 iPSC 유래 심근세포 NGS 기반 4DN 데이터 생산 및 표준지도 작성
□ iPSC부터 심근세포로의 분화 과정에서 단계별 시간에 따른 이미징 기반 크로마틴 구조 분석 
□ 4DN 데이터 통합분석 파이프라인 고도화를 통한 심근병증 기작 이해와 데이터 공유
□ 심근병증 특이적 4DN 변이 데이터베이스 구축 및 임상데이터와의 통합분석을 통한 기술 유효성 검증 
□ 4DN 데이터 및 표준지도 분석 파이프라인 확립 및 공개 

 


 

Ⅲ. 기대효과 및 전망

 

□ 세계적으로 급속도로 발전하고 있는 유전체 분야의 선도 연구에 해당하며, 원천기술 확보를 위한 중요한 기반 데이터베이스를 생산하고 활용함으로써 성공적인 한국 다중 오믹스 연구의 동력과 경쟁력을 향상시킬 것으로 기대됨.

□ 4DN 초정밀 유전체 지도로부터 한국인에서 특이적으로 발견되는 유전체 변이 및 발현 유전자를 탐색하는 통합 분석 파이프라인의 개발로 심장 질환 이외의 기타 난치성 복잡 질환의 원인 유전 변이 및 신규 약물 표적을 발굴하거나 기존 약물의 효과를 예측하기 위한 연구에 확대 적용이 가능할 것으로 기대할 수 있음. 

□ 인간에서 관측되는 유전 변이의 분석으로부터 진단/예측 마커 및 치료 타겟을 발굴하는 것은 중요한 최신 학문적 연구 방법이며, 활용성은 매우 큼. 특히, 세계적으로도 심장 질환에서 다중 오믹스 기반의 정밀의료 연구는 매우 드문 연구로서 도전적이며 기술적 파급력이 큼.