KOSEN 한인과학기술자네트워크

POSTECH 생물 정보학 실험실 (Structural Bioinformatics Laboratory)은 2005년 김상욱 교수님께서 설립하신 연구실입니다. 생물 정보학은 생명현상을 전산학, 수학 및 통계적인 방법론들을 이용하여 연구하는 학문으로 다양한 생물학 연구 분야를 포함하고 있습니다. 저희 연구실은 computation을 사용하여 광범위한 생물학 정보를 처리하고, 이를 통해 생물학적 현상들을 systematic하게 이해하는 것을 목표로 하고 있습니다. 김상욱 교수님께서는 POSTECH안에서 젊은 교수님 중 한 분으로 열정적으로 연구실을 이끌고 계십니다. 현재 10명의 석, 박사 통합과정의 학생들은 의학, 약학, 생물학과 같은 다양한 분야의 연구실과의 협동 연구 및 정기적인 국, 내외 학회 참석을 통해 자신의 능력을 펼치고 있습니다. 특히, 본 연구실은 국내 대학 중 최정상의 전산 시스템자원을 가지고 있어 생물 정보학 연구에 최적화된 연구 환경을 가지고 있습니다.
 

저희 연구실에서는 크게 systematic biology와 structural bioinformatics라는 두 가지 연구분야를 다루고 있습니다. 첫 번째로 (systematic biology), genome-wide한 data를 이용하여 세포 내 단백질 사이의 결합과 subcellular targeting 및 localization을 정의하고, 단백질의 활성과 질병 사이의 연관성에 대하여 연구하고 있습니다. 두 번째로 (structural bioinformatics), 진화적 정보를 이용하여 단백질 사이의 결합과, 기능을 정의하는 아미노산 서열을 선발하는 일을 진행하고 있습니다. 더 나아가, 단백질 구조의 예측과 특정 기능을 수행하는 단백질의 engineering작업을 수행하고 있습니다.
 

 

I. Genome-wide identification of protein interactome
 

I-1. PDZ 도메인은 효소(enzyme), 수용체(receptor), 이온 채널(ion channel) 등의 다양한 신호 전달 요소들을 규합하여 정보의 흐름을 제어하는 중요한 역할을 수행합니다. PDZ 도메인-리간드 사이의 상호 작용이 신경병리 혹은 암등의 질병과 밀접한 관련이 있다는 면에서, PDZ 단백질의 기능과 그 상호작용을 이해하는 것은 매우 중요합니다. 본 연구실에서는 정량적 상호작용 모델링과 세포 내 위치 정보를 통합하여, PDZ 단백질-리간드 상호작용 네트워크를 구축하였습니다. 이를 통해 PDZ 도메인과 그들의 파트너의 상호작용을 결합 세기 및 세포 내 위치를 분석하고, PDZ 단백질을 통해 조직되는 다양한 신호 전달과 PDZ 도메인-리간드 상호작용의 진화적 보존 관계를 조사하고 있습니다 (Fig. 1A).

I-2. 세포는 신호를 감지하고 이를 유전자 발현의 변화로 전달하여 환경에 반응할 수 있습니다. 막 단백질은 다양한 세포 외부 신호를 받아들이고 전달하는 기능합니다. 이러한 다양한 기능을 하기 위해서는 구조적 다양성 역시 요구됩니다. 하지만 세포막 단백질은 수용성 단백질에 비해 적은 단백질 family나 fold의 종류를 가지고 있어 구조적 다양성이 아닌 다른 기작을 통해 기능의 다양성을 얻었습니다. 본 연구실에서는 막 단백질의 dynamic interaction정보를 분석하여 세포막 단백질이 어떤 방법으로 기능적 다양성을 얻을 수 있었는지에 대한 연구를 진행하고 있습니다 (Fig. 1B).

 

II. Systematic analysis of protein localizations in the cells

II-1. 단백질의 위치 정보는 단백질의 결합 정보를 예측하거나 기능을 이해하는데 큰 도움을 줍니다. 또한 단백질의 위치 정보를 알았을 때, 새로운 질병 관련 단백질을 찾는데 도움을 줄 수 있습니다. 많은 실험적 연구 방법뿐만 아니라 생물 정보학적인 접근 방법을 통하여 단백질의 위치 정보를 파악하려는 노력들이 많이 진행이 되고 있지만 아직까지 많은 단백질 들의 위치 정보가 밝혀져 있지 않고, 예측 방법들마다 서로 다른 결과를 주는 경우가 많아 사용자에게 혼란을 주고 있습니다. 본 연구실에서는 이를, 다양한 프로그램들을 종합하여 일치되는 결과를 줄 수 있는 프로그램을 개발하였습니다. 이 단백질의 위치 정보를 이용하여, 질병의 발병 기작을 이해하는데 도움이 될 수 있을 것이라 기대하고 있습니다 (Fig. 2A).

II-2. 미토콘드리아 (mitochondria)는 거의 모든 진핵생물의 세포에서 ATP를 만들어내며 세포 사멸, 이온 항상성 유지, 여러 chemical의 생성 및 분해에 관계되어 있습니다. 미토콘드리아의 기본 기능이 잘못 되었을 경우, 신진 대사 질환과 더불어 당뇨, 퇴행성 뇌질환등이 발생한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이와 더불어 미토콘드리아와 핵간 세포질간의 communication이 기능 조절에 중요한 역할을 하고 있음이 밝혀졌습니다. 본 연구실에서는 genome, proteome, interactome과 같은 high-throughput data들을 사용하여 미토콘드리아 단백질을 규명하고 미토콘드리아 질병과 관련 있는 단백질을 찾는 일을 하고 있습니다 (Fig. 2B). 
 

 

III. Evolutionary analysis protein structures and sequences

III-1. 단백질은 세포 내 기능을 수행하는 기본 요소로 기능을 결정하는 부위는 진화하는 동안 아미노산 서열에 흔적을 남기게 됩니다. 본 연구실에서는 진화적 정보 (sequence conservation and co-evolution)를 정량적으로 통합하는 방법을 개발하고, 단백질의 binding site, translocation pathway, conformational changing pathway와 같은 기능 결정 부위를 찾는 일을 하고 있습니다 (Fig. 3A). 또한 진화 정보와 computational docking 시뮬레이션을 이용하여, 단백질 사이의 결합부위를 효과적으로 예측할 수 있는 방법을 개발 하고 있습니다. Computational docking을 통하여 발생된 다양한 형태의 protein complex중 생물학적으로 기능을 하고 있는 protein complex를 선발하기 위해서는 docking model의 서열화 (prioritizing)가 필요합니다. 본 연구실에서는 단백질의 아미노산 서열로부터 진화적 정보를 수치화하여 올바른 docking model을 찾고 있습니다 (Fig. 3B).

III-2. 세포막 단백질 (membrane protein)은 다양한 biological process에 참여 하는 중요한 약물 target입니다. 이들은 expression, purification, crystallization이 어렵기 때문에, 구조를 알아내고 기능을 연구하는데 어려움이 있습니다. 이를 극복하기 위해서는 구조의 modeling template을 확보하는 것이 매우 중요한 일입니다. 본 연구실에서는 구조를 알아내기 쉽고, 풍부한 구조 정보가 존재하는 수용성 단백질 (soluble protein)의 구조를 이용하여 세포막 단백질의 구조와 fold space를 예측하는 일을 하고 있습니다 (Fig. 3C).

III-3. 단백질의 진화 속도 (mutation rate)는 단백질의 기능 획득 (neo-functionalization)과 기능 유지를 결정합니다. 이러한 진화 속도를 결정하는 요소로는 유전자 중복 (gene duplication)과 단백질 발현양이 있습니다. 본 연구실에서는 단백질 진화에 관련된 진화 속도, 유전자 중복, 발현양 사이의 관계를 체계적으로 분석하여, 각 요인들간의 상관관계를 규명하고자 합니다.

 

연구실 구성원이 가지고 있는 생각은 실험실 분위기를 만들어 나갑니다. 교수님을 비롯한 연구실 구성원들은 연구란 적극적인 태도와 구성원의 화합을 통해 이루어 진다고 생각하고 있습니다. 교수님께서는 자율적으로 학생들 사이에서 활발한 토의를 할 수 있도록 유도해 주시고 스스로 연구 주제를 찾아 갈 수 있게 도와주십니다. 그 결과, 학생들은 독립적 연구자로서 책임감 있게 적극적으로 연구를 수행하고 있습니다. 활발한 연구와 더불어 팀의 화합을 위해 계절 마다 여행을 추진하고 있습니다. 포항이라는 지리적 이점 덕분에, 경치와 풍경이 좋은 바다와 산들을 계절에 어울리게 찾아 다닐 수 있습니다. 또한 매주 구성원 모두가 자전거 라이딩을 하고 있습니다. 자전거를 타고 손쉽게 바다를 갈 수 있다는 것은 매우 매력적이며, 라이딩 후 먹는 맛있는 저녁은 일상에 활력을 불어넣는 즐거운 일입니다.

마지막으로, 저희 연구실은 설립된 이후 빠른 시간 안에 튼튼한 연구 기반을 다졌고, 좋은 연구 성과를 내고 있습니다. 이는 연구실 구성원간의 끈끈한 유대감과 열정이 만들어 낸 결과라 생각합니다. 앞으로도 저희 연구실은 활발한 국내외 연구기관과의 교류를 통하여 생물 정보학분야에 더 많은 공헌을 하고자 노력할 것입니다. 연구실 소개의 기회를 주신 KOSEN 관계자 분들께 감사 드리며, 지금 이 글을 읽고 계신 모든 분들께도 감사 드립니다.

 

우리 연구실은 POSTECH, 생명과학관 103호에 위치하고 있습니다.
연구에 관심과 열정이 있으신 분들에게 저희 연구실은 언제나 열려 있습니다.
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