서울 관악구에 위치한 서울대학교 유전공학연구소 ‘암세포생물학 연구실’은 이현숙 교수님을 필두로 2명의 post-doc, 8명의 석/박사과정 학생들이 하나가 되어 유전체 불안정성이 어떻게 암을 유발시키는지에 대한 연구에 매진하고 있습니다. 유전체 불안정성 마우스와 zebrafish 모델 시스템을 성공적으로 구축하여 개체 수준에서의 연구를 진행하고 있으며, 세포 수준에서의 연구를 통해 유전체 불안정성으로 인한 암의 발병과 세포 분열에 대한 기작을 연구하고 있습니다. 2년마다 UK-Korea mitosis meeting을 직접 개최하여 노벨상 수상자인 Sir. Tim Hunt를 포함한 저명한 학자들과 함께 교류함으로써 전세계적으로 세포 분열에 대한 연구를 주도하고 있는 저희 연구실을 소개합니다.
암은 염색체 이상의 질병이다. 19세기 말 Boveri가 염색체 이상과 암의 상관관계를 제안한 것을 시작으로 많은 과학자들은 암세포에서 염색체 불안정성을 보고하였다. 발병기전이 다른 다양한 암세포들이 공통적으로 개수가 정상에서 벗어난 이수배수체를 포함한 염색체 이상을 나타냈는데, 이는 이수배수체가 암의 시작 및 진행과 긴밀하게 연관되어 있다는 것을 시사한다. 일례로 유방암 등에 관계하는 암억제인자인 BRCA2 유전자를 망가뜨린 마우스는 극심한 염색체 이상을 나타내는 것이 확인된 바 있다.
세포분열기의 이상은 이수배수체를 설명할 수 있는 가장 설득력 있는 메커니즘이다. 응축된 염색체가 분리되는 과정은 매우 정교하게 진행되고 있으며 이는 세포분열 체크포인트 (Spindle assembly checkpoint)를 통해 조절된다. 본 연구실에서는 안정적인 염색체 분리를 관장하는 세포분열 체크포인트의 활성화/비활성화 기작을 연구하고 motor protein과 세포 분열을 조절하는 분자적 기작에 대한 심층적 이해를 위한 실험을 수행하고 있다. 더불어서 체크포인트 결손 마우스를 통해 세포분열기의 이상과 암 발생의 상관관계를 이해하고자 하며 암 억제인자인 BRCA2의 텔로미어 안정성 유지에 기여하는 역할을 연구하여 염색체 불안정성의 개념을 발전시키고자 한다.
1) 세포분열 체크포인트 활성화 / 비활성화 기작 연구
세포분열기 중 sister chromatid가 양극으로 균등하게 분리되어 이동되려면 세포분열 체크포인트가 정상적으로 작동해야 한다. 만약, 단 하나의 동원체라도 중심체에서 나오는 microtubule과 부착하지 못하면 체크포인트 활성상태가 유지되어 Ubiquitin ligase인 APC/C-CDC20가 억제되면서, 다음 세포주기로의 진행이 일시적으로 멈춘다. 반대로 모든 sister chromatid들의 동원체들이 안정적으로 microtubule들에 부착되면, 체크포인트가 비활성화되면서 APC/C-CDC20가 Securin과 cyclin B를 분해시키기 때문에 세포는 세포분열기 중기를 지나 말기로 들어간다. 결과적으로, 정상세포에서 안정적으로 염색체가 분리되는 데에 체크포인트의 활성과 비활성이 균형을 이루며 작용하는 것이 분리되는데 중요하고 체크포인트가 망가지는 경우 염색체 수적 이상인 이수배수체가 발생될 수 있다. 체크포인트 조절에 관련한 분자기전에 대해 본 연구실에서는 세포분열 체크포인트 활성화 작용 기전으로써 BubR1이 acetylation이 필수적임을 규명한 바 있고 acetylation을 망가뜨린 BubR1 K243R/+ knock-in 마우스 모델을 제작한 결과 자발적으로 높은 빈도의 암이 발생하는 사실을 보고하였다. 나아가 위의 사전연구를 바탕으로. 체크포인트 비활성화 기전을 규명하기 위해 BubR1이 deacetylation될 때 작용하는 신호 네트워크를 비롯한 심화 연구를 수행하고 있다.
2) 새로운 유전체 불안정 마우스 모델 구축 및 분석
BubR1 acetylation이 저해된 BubR1 K243R/+ 마우스의 경우, 약 40%의 비율로 개체들의 다양한 조직에서 암이 자연적으로 발생한다. 해당 마우스의 경우, 세포분열 체크포인트 약화로 인한 염색체 불안전성과 암 발생간의 상호관계를 잘 나타내는 in vivo 모델이라고 볼 수 있다. 본 실험실에서는 염색체 불안정성으로 매개되는 암발병이 실제 인간 암의 진행과정에 어떤 연관성이 있는지 살펴보기 위해 췌장암(K-Ras G12D/+; Pdx1-Cre), Burkitt lymphoma (Eu-myc), 대장암 (APC min/+) 마우스 모델과 대표적 암억제인자 P53, P19를 소실한 마우스 모델을 구축하였다. 대표적인 암 유발인자, 암 억제인자의 암 발생 진행과정에서 염색체 불안정성의 영향을 살펴보기 위해 세포 수준에서 염색체 불안정성을 분석함과 동시에 독자적으로 구축한 BubR1 K243R/+ 모델과 교배를 하여 암발병의 패턴을 개체 수준에서 분석하는 연구를 진행하고 있다. 이를 위해서 live imaging, proteonomics 및 SKY analysis 등의 기법을 이용하고 있고 organoid culture 등과 같은 기법을 이용해 연구 수행을 계획하고 있다.
3) 텔로미어 안정성 유지 기작에 대한 연구
암세포의 중요한 특징 중 하나는 무한한 분열인데, 이것을 위해서는 염색체 말단에 존재하는 텔로미어의 길이를 일정 이상으로 유지시킬 수 있어야 한다. 상당수의 암은 텔로머라아제를 통하여 그 길이를 유지하지만, 나머지 암은 ALT (Alternative Lengthening of Telomere)를 통하여 그 길이를 유지한다. 본 연구실에서는 암 억제인자 BRCA2가 텔로미어의 항상성 유지에 기여하고 있음을 실험적으로 증명하였고, 이를 바탕으로 하여 BRCA2를 통한 ALT의 억제 기작에 대한 연구를 세포 수준과 개체 수준에서 활발하게 진행하고 있다.
4) Motor protein과 세포질분열 기작에 대한 이해
Kinesin은 염색체회합 (chromosome congression), 염색분체분리 (chromosome segregation) 과정 등 세포 분열을 위한 핵심 과정에 필수적인 역할을 담당한다. Kif18A는 Kinesin 8 family에 속하는 단백질로, 유사분열기 미세소관의 길이조절과 염색체의 적도판 나열과정에 필수적이다. 본 연구실에서는 세포질 분열에서의 Kif18A의 역할에 대한 이해를 위하여 세포 수준 및 개체 수준에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 다양한 세포주들의 확립과 고해상도 이미징 기법을 바탕에 두고 정교한 분석을 진행하고 있다. 해당 연구는 KIf18A의 새로운 기능을 추가적으로 규명함으로 인해 mitosis와 cytokinesis로 이어질 때 작용하는 기전들에 대해 더욱 더 심도 높은 이해를 가능하게 할 것으로 기대하고 있다.
5) 세포분열 중요 인자들을 타깃 한 zebrafish 모델 시스템 구축
세포분열은 다양한 기작들의 매우 정교한 조절에 의해 이루어지는 과정으로, 이의 명확한 분석을 위해서는 세포수준의 단편적 연구만이 아닌, 개체수준에서의 연구가 필수적이다. 개체 내에서 가장 활발하게 세포분열이 일어나는 시기에는 배 발생 (embryogenesis)기가 있다. 이러한 사실을 근거로 본 연구실은 투명하고, 체외에서 배 발생이 진행되며, 척추동물의 발생에 관련해 표준모델로 쓰이는 zebrafish를 도입하여 세포분열기작 규명과 더불어 초기 배 발생단계에서의 세포분열 연구를 위해 사용하고 있다. 예시로, 본 연구실에서는 세포분열기 전반에 걸쳐 중요하게 작용하는 Pol-like kinase 1(Plk1)의 억제제인 BI1536를 이용하여 zebrafish model system에서 Plk1의 생리적 기능을 규명하였다. 또한 초기 배 발생 과정에서 효율적으로 유전자를 knock-down 할 수 있는 Morpholino를 이용한 targeting strategy를 확립하였고 나아가 Zinc finger nuclease와 CRISPR-Cas9 system을 이용하여 transgenic zebrafish model들을 성공적으로 구축하였다. Zebrafish를 이용한 이와 같은 폭넓은 연구는 세포분열기에 중요하다고 여겨지는 key player들이 생리적으로 가지는 기능을 연구하는데 매우 유용하게 쓰이고 있다.
저희 연구실은 모든 구성원들이 각자 자신이 맡은 연구 과제를 책임을 다해 수행하고 있습니다. 일주일에 한번씩 랩 미팅을 통하여 연구실 전체 구성원들과 함께 소통하여 연구를 이끌어나가고 있으며, 평소에도 서로간에 활발한 논의를 통하여 연구를 발전시켜 나가고 있습니다. 또한, 저희 연구에 도움이 되거나 필드에서 임팩트 있는 논문을 일주일에 한 편씩 발표하고 심도있게 논의함으로써 저희가 하는 연구에 대한 이해를 높이고, 전세계적으로 어떠한 연구가 진행되고 있는지 지속적인 관심을 기울이고 있습니다. 연구실 내에서의 소통뿐만 아니라 국내 및 해외 학회 참석을 통하여 활발한 연구교류에도 힘을 쓰고 있습니다. 특히 저희 연구실은 2년에 한번 영국과 공동으로 mitosis 학회를 직접 개최하여 필드의 유명한 석학들과 직접적으로 교류할 수 있는 장을 열어두고 있습니다. 매년 MT를 통해 연구실을 벗어나 새로운 자극을 얻고 구성원들간의 단합을 유도해 더욱 활기찬 연구실 생활을 위해서도 노력하고 있습니다. 이렇게 저희 연구실 구성원들은 연구실의 중대사부터 잡다한 일들까지도 마다하지 않고 자발적으로 참여함으로써 즐겁게 생활하고 있습니다.
연구실 소개의 기회를 주신 KOSEN에 감사 드리며, 저희 연구실 소개를 열심히 읽어주신 여러분들께도 진심으로 감사의 말씀 드립니다.
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