[서울대학교] 세포기능제어연구실
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본 연구실은 암세포주변 미세환경을 이루는 인자들과 암세포와의 상호 소통 (communication)을 통하여, 세포의 암적 기능들(adhesion, morphology, transdifferentiation, migration, invasion 등)이 조절되는 기전들을 분자적 수준에서 규명하고, 그들을 제어할 수 있는 단서를 찾고자 한다. 특히, 간상피세포를 포함하여, 암의 근원이 되는 상피세포들의 세포막에 발현하는 다양한 막단백질 혹은 세포막 receptor들의 상호 신호전달 활성 및 기능을 통하여, 세포의 형태, 전이, 이동, 및 침윤 등의 기능을 2차원 및 세포외기질로 둘러싸인 3차원적 환경에서 어떻게 조절되고 그 기전을 제어할 수 있는 지를 알고자 세포 및 동물, 그리고 임상조직을 이용하는 연구들을 수행하고 있다. 박사후연구원, 서울대 약대 및 유전공학(협동과정)의 박사과정, 석박사통합과정, 그리고 석사과정 연구원으로 구성되어 밤낮으로 연구에 매진하고 있는 본 연구실을 소개합니다.
1. 1, 2차 및 3차원적 세포 환경에서 세포이동과 침윤의 분자적 기전 이해 및 규명
세포기능제어연구실에서는 막단백질들 중에 세포의 부착, 세포-세포 부착, 세포형태 (morphology), 이동, 및 침윤 조절에 관련하는 membrane receptor들의 역할 및 작용기전을 연구하고 있다. Integrin, E-cadherin, tetraspanin, growth factor receptor, cytokine receptor 등의 세포기능 관련 역할과 세포신호전달 체계를 규명하고 TM4SF5와의 cross-talk들이 세포 이동 및 침윤과 관련하여 얼마나 중요한지 알고자 다각적으로 연구하고 있다. 특히, 2차원적 및 세포외기질로 둘러싸인 3차원적 세포 미세환경 내에서 세포의 형태, 이동, 침윤과 관련하여 상기 막단백질들에 의한 신호전달체계을 기전적으로 연구하고자, confocal fluorescent microscopy 및 time-lapse fluorescent microscopy를 이용하여 세포 내에서 분자들의 위치 및 발현 패턴을 분석 영상화하고, 전형적인 생화학적 방법을 이용하여 분자간 결합 혹은 활성 상태 등을 확인 분석하고 있다. 또한, 세포 수준뿐만 아니라 동물 모델을 이용하여, 분자생물학적 방법을 이용하여 상기 여러 세포 기능에 필요한 막단백질 혹은 신호전달인자의 유전적 변이를 도입하고, 조직 내 세포의 기능의 변화를 추적하며 특정 단백질 인자의 세포기능 및 암전이에서의 중요성을 규명하고 있다. 이로써, 세포 이동 및 침윤 억제제 및 저해제를 peptide, chemical compound 및 항체 등의 형태로 발견하고자 연구를 수행하고 있다. 세부적인 연구주제는 다음의 내용들을 포함하고 있다.Dynamics and molecular basis of pro-migratory and pro-invasive morphological features (filopodia, lamellipodia, and invadopodia)
Dynamics and mechanisms for TM4SF5-dependent cellular functions (dissemination, migration, and invasion) in 2D or 3D environment
Regulation of TM4SF5/c-Src-mediated invasion using peptide therapeutic approaches
Lysyl-tRNA Synthetase(KRS)-dependent regulation of cancer cell dissemination
Regulation of cellular self-renewal stemness of HCC by TM4SF5
Cell adhesion-dependent actin reorganization during cellular migration and invasion
ECM-dependency of TM4SF5-mediated invasive foci forming in 3D environment
그림 1. TM4SF5 is a membrane protein to directly activate FAK during cell adhesion; the intracellular loop of TM4SF5 directly binds the F1 lobe of the FAK FERM domain, which appears to release the inhibitory intramolecular interaction in FAK, leading to autophosphorylation(pY397FAK) and activation(pY577FAK). This interaction may cause activation of FAK and actin-polymerizing machinery in the leading edges of migratory cells, and enhances metastatic potential, presumably during TM4SF5-positive tumor development and progression.
그림 2. TM4SF5를 발현하지 않는 세포는 2차원 혹은 collagen I으로 둘러싸인 3차원적 환경에서 세포의 침윤 기능을 나타내는 ECM 분해 혹은 cortactin 및 F-actin이 공동으로 위치하는 invadopodia의 형성이 이루어지지 않으나, TM4SF5를 발현하는 세포는 2차원 및 3차원 공간에서 역동적인 ECM 분해 및 invadopodia 형성 기능을 보여주고 있다.
2. 막단백질 TM4SF5 tetraspanin과 integrin 등 다양한 막수용체와의 상호작용 규명 및 제어 단서 규명: TM4SF5-enriched microdomain(T5EM)의 존재 및 의미 규명
본 연구실에서는 세포막에 존재하는 여러 막단백질 혹은 세포막 receptor들과의 단백질-단백질 결합을 통하여, 결합막단백질의 기능을 조절할 수 있는 것으로 알려진 tetraspanin의 하나로 알려진 TM4SF5의 세포막 상에서 protein network을 규명하고자 한다. Tetraspanin (TM4SFs)들은 보통 세포막에서 lipid raft 혹은 caveolae처럼 단백질 그룹의 결합을 통하여 특정 community를 형성함으로써, TM4SF5-매개 신호전달 혹은 주변 막단백질의 신호전달 기능에 조절적 기능을 미칠 수 있을 것으로 추정되고 일부 확인된 바 있다. 이와같이 tetraspanin들이 모여서 거대한 단백질 결합체를 이루는 community를 tetraspanin-enriched microdomain(TEM, TERM, 혹은 tetraspanin web)이라고 불리운다. 따라서, 본 연구실에서도 TM4SF5-enriched microdomain(T5EM)이 존재할 수 있음을 추정하고, 이들의 존재를 확인 규명할 뿐만 아니라, 그를 구성하는 구성원 단백질을 검정하고, 그들간의 상호작용 및 제어작용에 따른 fibsosis, tumorigenesis, 및 metastasis의 조절 기전을 규명하고자 한다. 이러한 기전을 규명하고 구성원의 생물학적 기능 및 중요성을 확인함으로써, TM4SF5 및 그의 protein network을 제어하여 상기 질병에 대한 억제제 및 치료제 개발을 위한 기반 조성 연구가 이루어진다. 세부적인 연구주제는 다음의 내용들을 포함하고 있다.Migration and invasion of hepatocarcinoma cells under collagen type I environments
Dynamics and nature of tetraspan(in) TM4SF5-enriched microdomain(TERM)
Cross-talks between tumorigenic TM4SF5/FAK and cytokine/STAT3 signaling pathways for immune escape
Pro-metastatic cellular functions via cross-talks among different membrane receptors
Roles of TM4SF5 in liver metastasis and CTC(circulating tumor cells) in animal model studies
Drug resistance via cross-talks between TM4SF5 and other receptors such as IGFR
Mechanistic regulation and roles of TM4SF5 in liver pathology
그림 3. TM4SF5 (Flag-TM4SF5) transiently expressed in SNU761 HCC cells is co-localized with integrin a5 and EGFR at the front tips of migratory cells.
3. Anti-TM4SF5 reagent개발을 통한 항암전이제 개발 추구
경상대학교 박기훈 교수 연구팀과 더불어 TM4SF5에 의한 multilayer 세포이상증식 현상을 억제하고 epithelial-mesenchymal transition(EMT)현상을 억제할 수 있는 칼콘계 소분자화합물을 검정하고 약효 및 structure–activity relationship 분석(SAR assay)를 통하여 anti-TM4SF5 소분자화합물로써 중요 functional group을 확인하였다. 추가적인 세포 및 동물모델 실험을 통하여 TM4SF5에 의한 세포 증식, 이동, 침윤 기능 및 전이 억제 현상을 확인 규명하였으며, TM4SF5의 N-glycosylation 혹은 주변 아미노산 잔기들로 구성된 extracellular loop 2의 구조에 영향을 미침으로서 TM4SF5의 기능을 억제한다는 mode of action을 규명하였다. 10여개국에 이르는 외국 및 대한민국에 특허를 물질 및 타깃기능특허를 출원하여 일부 등록된 형태이며, 한편 anti-TM4SF5 reagent로써 항체, peptide 및 천연물약제 등의 기능을 확인 규명하여 항간질환 및 항간암/전이등의 치료억제제로서의 가능성에 대한 다수의 특허를 출원 등록하고 있다.
그림 4. Anti-TM4SF5 reagent인 TSAHC는 TM4SF5에 의한 암전이 현상을 억제할 수 있음을 확인하였다. 
본 연구실에서는 과학자로서의 꿈을 향한 과정에서, 생화학, 세포생물학, 및 분자생물학적 연구기법을 세포 (2차원 및 3차원적 배양환경), 동물, 환자조직 차원에서 적극적인 approaches를 통하여, 세포의 부착, 형태, 이동, 침윤등 다양한 기능의 제어 시스템을 기전적으로 이해하고 규명하는 시도를 추구함으로서, 체계적인 연구의 경험을 갖게끔 한다고 할 수 있다. 석사, 박사, 그리고 나아가 박사후과정에서의 훌륭한 연구자적 자신감과 고찰능력을 연구원들간, 지도교수와의 충분하게 논의하여 각 연구원들의 장래 개발에 낭비 시간이 생기지 않도록 하고 있다.
교수: 이정원 | 박사후연구원: 김태영, 이미숙 | 박사과정: 강민경, 김혜진, 류혜진, 남서희
석사과정: 송행은, 이규호, 최정은, 정재우, 김지언, 정진규 | 행정직원: 장기쁨
주소 : 서울시 관악구 관악구1번지 서울대학교 약학대학 약학과 (우) 151-742
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