또한 생명현상을 이해하기 위해 인간이 지니고 있는 유전체(Genome)를 해석함으로써 생명의 비밀을 알아내고, 생명체와 변화되는 환경과의 상호작용을 연구하고, 근본적으로는 다양한 질병의 원인을 찾아내어 이를 치료할 수 있는 방법을 개발하고자 한다. 현재 human Chromosome 21의 해독된 염기배열 정보를 바탕으로 기능유전체학 및 생물정보학을 이용하여 염색체 21번에 위치한 질환관련유전자의 동정 및 그 기능을 해석하고 있다.
▶ 뇌신경세포 사멸 기전 규명
알츠하이머성 치매, 파킨슨병, 헌팅턴병, 척수손상, 루게릭병 등과 같은 신경계 질환의 공통된 병리 현상은 신경세포의 사멸이다. 본 연구진은 산화적독성, apoptosis 등에 의한 신경세포사멸의 특성과 기전을 분자생물학적, 면역화학적 기법 등을 사용하여, 이들이 파킨슨병, 알츠하이머성 치매 등의 퇴행성 뇌질환에서의 선택적 신경세포사멸에 어떻게 기여하는 지를 규명하고 있다. 최근 뇌염증반응이 신경세포사멸에 관계 한다는 것에 주목하여, Inflammatory oxidative enzyme을 중심으로 뇌염증반응의 기전을 분석하고 이를 토대로 뇌염증 반응을 조절하는 뇌세포 보호 조절 전략을 개발하고 있다.
1) 세포배양모델을 이용한 세포사멸기전 연구
사람 신경아세포종 (SH-SY5Y 세포)에 MPP+를 처리 하여 신경세포사를 유도하는 실험모델을 이용하여 세포사멸 기전 규명 및 조절 연구를 수행하고 있다. 배양한 신경세포에서 oxidative stress, apoptosis에 의한 뇌세포사멸의 유도 및 분석기술을 구축하였으며, 현재 뇌신경세포 사멸 기전과 조절 원리에 대하여 규명하고 있다.
[그림] 신경세포의 세포사 유도 과정
2) 뇌염증 연구
뇌를 구성하고 있는 세포로는 크게 신경세포 및 신경교세포로 나뉘어지며, 신경교세포는 성상세포 (astrocyte), 소신경교세포 (microglia), 회돌기교세포 (oligodendrocyte)등으로 구성되어 있으며 그 수는 신경세포 수의 10배를 차지하고 있다. 최근 microglia에 의한 염증반응이 대표적 신경변성질환중 하나인 파킨슨병의 주된 원인 및 결과로 주목 받고 있다. 뇌 염증반응은 노인성치매, 파킨슨병 등의 퇴행성뇌질환의 발병 및 진전의 위험인자로 알려져 있으며, 뇌 염증반응을 일으키는 microglia의 염증활성화 및 염증억제작용의 기전을 이해하는 것은 퇴행성뇌질환의 원인 및 진행과정을 이해하기 위해 중요하다. 이를 위해 활성화된 BV-2 microglia cell 및 실험동물을 이용하여 Inflammatory oxidative enzyme을 중심으로 뇌염증반응의 기전을 분석하고 있으며, 이를 토대로 뇌염증 반응을 조절함으로써 신경세포 보호 조절 전략을 개발하고 있다.
3) 뇌질환 동물모델을 이용한 세포사멸기전 연구
세포배양모델에서 입증된 신경세포사 및 뇌염증 기전의 분석, 뇌질환 치료의 방법, 약물의 효율성을 검증할 수 있는 동물모델을 구축하여 실험하고 있다. 도파민을 생성하는 신경세포를 특이적으로 손상시키는 신경독인 MPTP는 6-OHDA (6-hydroxydopamine), Rotenone과 더불어 파킨슨병에서 일어나는 생화학적, 병리학적인 현상들을 나타내고 있어 신경세포사 기전 연구, 특히 파킨슨병의 동물모델계 및 신약개발에 우수한 검색 모델계로 알려져 있다. 도파민을 생성하는 신경세포 (dopaminergic neuron)를 특이적으로 손상시키는 신경독인 MPTP (1-Methyl-4-Phenyl-1,2,3,6- Tetrahydropyridine)를 마우스의 복강에 주사하여 뇌염증 및 도파민 신경세포사를 유도한 후 뇌염증 기전의 분석, 약물의 검증, 신경세포사멸의 기전 등의 분석을 수행하고 있다.
[그림] MPTP는 중뇌의 신경세포에 세포사를 특이적으로 유도
마우스에 MPTP를 복강 주사 한 후 TH (tyrosine hydroxylase) immunostaining과 Nissle 염색을 하였다. MPTP는 흑색질 (SNpc)에 존재하는 도파민 신경세포(왼쪽)와 Striatum에 존재하는 dopaminergic fiber (오른쪽)들을 특이적으로 손실시킨다.
[그림] MPTP는 신경염증 (microglia의 활성)을 유도
MAC-1의 면역조직 염색을 통해 MPTP 투여 뒤 활성화된 microglia가 흑색질 (A,B)와 Striatum (C, D)에서 관찰되어진다.
▶ 퇴행성 뇌질환의 치료 및 예방 약물 개발
빠르게 고령화가 진행됨에 따라 퇴행성 뇌질환 연구의 필요성이 절실해 지는 시점에서 기초과학적으로 효능이 검증된 생리활성물질로부터 퇴행성 뇌질환을 예방하고 치료할 수 있는 기술개발의 필요성이 점점 늘어나고 있는 현실이다.
1) 뇌신경세포사의 조절 전략 및 기술 구축 : in vitro 모델을 이용하여 뇌세포보호 효능을 보이는 물질의 개발
▶ Chemical compound 및 약용 식물을 이용한 뇌세포 보호 효능 물질 발굴:
신경세포의 연구 모델중 하나인 neuroblastoma cells (SH-SY5Y cells)에 신경독 (MPP+)을 처리하여 세포사를 유도 한 후 다양한 chemical compound 또는 약용 식물 추출물을 투여한다. MTT assay, LDH 측정 및 FACS 분석 등을 통하여 세포사를 억제 시키는 물질을 발굴한다. 신경보호 효능 작용기전을 분석하여, 뇌세포 보호 효능을 가진 소재로 개발한다.
▶ Chemical compound 및 약용 식물을 이용한 항신경염증 효능 물질 발굴:
화합물은행 등으로부터 분양받은 chemical compound 및 약용 식물을 을 검색하여, 신경교세포의 염증활성화를 억제하는 물질을 발굴한다. LPS에 의해 활성화된 BV2 microglia 세포에서 생산되는 아질산염(NO) 및 proinflammatory cytokine 등의 분석을 통해 항신경염증 효능을 지닌 소재를 개발하고 있다.
2) in vivo 실험동물모델을 이용한 신경보호 효능을 보이는 물질 개발
퇴행성 신경질환의 동물모델계 및 신약개발에 우수한 검색 모델계로 알려져 있는 MPTP 실험 동물 모델계를 사용하여 뇌 염증반응 또는 신경세포사를 억제시키는 생리활성물질을 검색하고 그 효능을 검증하고 있다. 실험동물모델을 이용하여 항신경염증 효능 또는 뇌세포 보호 효능을 지닌 물질을 개발하고 있다.
▶ 두뇌 크기 결정 유전자 (ASPM) 의 해석
뇌 크기 (Brain size)는 개체의 특성이나 뇌기능을 설명 할 수 있는 유용한 척도 중 하나이다. 다양한 연구에도 불구하고, 뇌의 발생과 두뇌 크기의 분자 유전 결정에 관한 연구는 아직 미진하다. 본 연구실은 퇴행성 신경질환 (치매, 파킨슨병 등)의 원인이 되는 신경세포사와 관련된 유전자의 스크리닝 및 그 기능해석에 관한 연구에서 세포사가 일어나는 동안 발현이 유도되는 ASPM (인간 소두증의 "원인 유전자")를 동정하였다. 소두증을 가지는 환자는 작은 두뇌크기 (대뇌피질)로 인한 정신지체 (mental retardation)를 보이는 것이 특징이다. 연구실에서 국내·외 유일의 ASPM유전자 결손 (ASPM knockout) 생쥐를 제작하였으며, 이를 분석하여 소두증 (Microcephaly) 연구를 위한 실험 모델 마우스로 확립하고자 한다. 또한, 두뇌 크기를 결정하는 주된 유전자로 알려진 ASPM 유전자 결손 생쥐의 해석을 통해 뇌 발생 단계에서의 ASPM 역할 규명과 세포증식, 신경세포사멸과의 연관 규명 등을 통하여, 두뇌 크기의 분자 유전 결정 관련 기전 규명 및 질환 치료를 위한 기반 연구를 확립하고자 한다.
[그림] 정상인과 소두증환자의 뇌사진 : 소두증환자의 뇌 (a, c),
정상인의 뇌(b, d) (Nature Genetics, 2002)
▶ Human chromosome로부터 질환 관련 유전자의 동정 및 해석
동경대학 의과학 연구소 Human Genome Center, 이화학 연구소 (RIKEN, Genomic Science Center, Bioinformatics group)와 Human Genome 연구를 공동 수행하고 있다. Genome Center는 chromosome 21, chromosome 18, chromosome 11의 대량 염기배열결정 및 해석을 담당하고 있으며, 본 실험실은 주로 21 번, 11번 염색체의 해독 (질병유전자 예측과 동정)에 참여하고 있다. 해독한 21번 염색체는 알츠하이머병, 선천성 정신박약증인 다운증후군, 백혈병 등의 원인 유전자가 들어 있어 의학적으로도 주목받고 있다. 21번 염색체에 기인하는 신규 질병 원인 유전자의 동정 및 해석을 위해 Bioinformatics를 이용 (promoter site prediction, CpG island prediction, BLAST search and exon predictions program: FGENES, GeneMark, GENSCAN and GRAIL)하여 유전자의 exon 예측 및 그 예측에 근거한 실험적 규명 연구, novel transcript mapping과 expression profiling 작성을 수행하고 있다. 아직 21번, 11번 염색체에서 동정되지 않은 질환유전자들이 많이 있으며, 해독된 염기배열 및 transcript mapping 정보를 이용하여 새로운 질환 관련 유전자의 동정 및 해석을 수행하고 있다.
[그림] 사람 염색체21번으로부터 질환 관련 유전자의 동정 및 해석 모식도
▶ U-Health : 지능형 개인 맞춤 평생건강관리 시스템 구축
[그림] 맞춤형 의료정보 구축 프레임워크
자신의 의료기록 정보를 건강관리서버의 개인의료정보 데이터베이스를 통해 스스로 평생 관리할 수 있도록 함으로써, 출생에서부터 노년기까지 모든 건강관련 정보들을 기록ㆍ관리하며, 개인단말기를 통해 장소에 제약 없이 언제 어디서든 열람ㆍ갱신할 수 있는 시스템을 구축 하고 있다 (특허 등록). 본인의 건강에 대한 모든 정보를 웹에서 쉽고 체계적으로 관리 및 저장, 보유 할 수 있는 지능형 개인 맞춤 평생건강관리 시스템을 통한 건강이력관리로 만성질환에 대한 대비가 가능하고, 현재 빈번히 발생하고 있는 동일 질환에 대한 중복검사 및 중복투약을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 의료진들은 환자에 대한 충분한 정보를 제공 받음으로써 안전하고 정확한 진단과 치료를 기대할 수 있다.
