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서울대학교 생명과학부 허원기 교수님의 실험실에는 ‘분자세포단백체학 실험실’이란 이름보다 더 친숙한 이름이 있습니다. 선뜻 이해하기 어려운 ‘분자세포단백체학 실험실’도, ‘Yeast 실험실’도 아닌 연구 분야와 실험 대상에 앞서 학생들을 하나 되게 만들어주는 ‘Team Huh’란 이름입니다. Laboratory이기에 앞서 실험실원들을 인간적으로 유기적으로 묶어주고 있는 team이란 단어가 더 친숙하게 느껴집니다. Team Huh는 2005년 3월 서울대학교 생명과학부에 자리를 잡았습니다. 분자세포단백체학 실험실에서는 진핵세포의 대표적인 연구 모델인 Saccharomyces cerevisiae (budding yeast)를 가지고 연구를 진행 중이며, 특히 nucleolus와 ribosome 단백질의 기능, TOR signaling pathway의 기능에 대해 프로테옴 수준에서 분자/세포생물학적인 연구를 하고 있습니다. Team Huh의 중심이신 허원기 교수님은 서울대학교에서 이학 석사와 박사를 마치고 University of California, San Francisco (UCSF)에서 3년간 박사후 연구 과정을 거치신 후 2004년 9월 서울대학교 조교수로 임용되셨습니다. 3년 전 3명으로 시작했던 실험실은 교수님의 열정과 노력으로 몇 년 사이 약 열 명 정도 규모가 되는 실험실로 발전하였고 중간에 실험건물의 이사 등 여러 우여곡절이 있었지만 실험실원들의 피땀 어린 노력으로 실험실 세팅 등의 기초 작업도 어느 정도 마무리되었습니다. 이제는 신생 실험실이라는 이름에서 벗어나 높은 곳을 향해 더욱 발전하고자 하는 중견 실험실의 모습으로 한 단계 더 도약하려 하고 있습니다. 1. Team Huh의 연구 내용 분자세포단백체학 실험실에서는 진핵 세포의 대표적인 연구 모델인 Saccharomyces cerevisiae (budding yeast)를 대상으로 연구를 하고 있습니다. 다량 배양, 빠른 생식주기, 유전적 변형의 편리성 등 박테리아의 실험적 이점을 가지고 있지만 원시적 형태의 진핵생물이기 때문에 이들에서는 포유동물에 이르기까지 보존된 메커니즘도 찾아볼 수 있는 등의 많은 장점을 갖고 있습니다. 따라서 yeast에서의 연구를 통해 궁극적으로는 human cell system에서도 통용되는 생명 현상의 근본 메커니즘에 대한 insight를 제공하는 것이 우리 실험실의 목표라 할 수 있습니다. 현재 우리 실험실에서 진행되고 있는 주요 연구 주제는 다음과 같습니다. 1) Dissection of TOR signaling pathway TOR signaling pathway는 translation initiation, transcription, 액틴 형성, 자가 탐식(autophagy) 등의 조절에 관여한다고 알려져 있으며, 특히 주변의 mitogen이나 영양분 농도의 변화를 감지하여 ribosome 단백질의 translation과 ribosome 생합성을 직접적으로 조절함으로써 세포의 성장과 증식에 있어 핵심적인 조절 인자로 기능함이 최근의 연구를 통해 밝혀지고 있습니다. TOR signaling pathway가 발암 과정 및 세포내에서 일어나는 여러 가지 중요한 현상의 조절에 밀접하게 관련되어 있다는 사실이 알려지면서 최근 TOR kinase에 의해 조절되는 인자들을 규명하고 이들이 어떠한 생화학적/세포생물학적 기작을 통해 그 활성이 조절되는지를 밝히는 게 매우 중요한 과제로 떠오르고 있습니다. Ribosome 생합성이? 조절된다는 것은 결국 인에 존재하는 단백질들이 TOR kinase의 주요한 타겟이 될 가능성이 매우 높음을 시사합니다. 저희 실험실에서는 TOR signaling pathway에 의해 조절되는 인자들을 체계적으로 규명하기 위해 선생님이 2003년에 제작하셨던 GFP library를 이용하여 rapamycin에 의해 localization 혹은 발현양이 변화하는 단백질들을 선별하고 이들의 분자적인 기작들에 대해 심화연구를 진행중에 있습니다. 2) In vivo analysis of protein-protein interaction network by Bimolecular Fluorescence Complementation 세포내 모든 생물학적인 일들은 단백질을 통해 이루어집니다. 이때 단백질들은 특정단백질 혼자 일을 하기도 하지만 서로 다른 단백질들과 혹은 파트너들을 바꾸어가며 상호작용을 통해 일을 할 수도 있습니다. 따라서 단백질간의 상호작용을 알아보는 일은 단백질의 기능을 유추함에 있어 큰 생물학적인 의미를 갖는다고 할 수 있습니다. Bimolecular fluorescence complementation (BiFC)는 단백질 상호작용을 분석하기 위해 개발된 기법으로 형광단백질을 N 말단 및 C 말단 절편으로 나눈 후 상호 작용을 알아보고자 하는 두 단백질 뒤에 각각 발현되게 한 후, 두 단백질이 상호작용을 하기 위해 가까워졌을 경우 형광단백질의 두 절편이 다시 형광 단백질로 형성되어 나타나는 형광을 분석하는 방법입니다. 이 방법은 살아있는 세포 내에서 단백질 상호작용을 분석할 수 있고 또한 단백질 상호작용이 일어나는 세포내 위치까지 알아낼 수 있기 때문에 기존의 단백질 상호작용 분석기법에 비해 많은 장점을 가집니다. 우리 실험실에서는 BiFC 기법이 yeast에서도 적용될 수 있음을 밝혔고, 앞으로는 프로테옴 수준에서 단백질들 간의 상호작용에 대해 심화 연구를 하고자 합니다. 3) Architecture and function of nucleolus 진핵세포의 핵 안에는 DNA 가닥이 히스톤 및 다른 단백질들과 뭉치고 접혀서 chromatin이라는 동적인 폴리머를 형성합니다. Chromatin 리모델링 기구와 히스톤 변성 효소의 작용을 통해 chromatin은 다른 단백질들의 접근이 가능한 형태(euchromatin)와 불가능한 형태(heterochromatin)로 구성되며, 이와 같은 epigenetic mechanism을 통해 생물체는 유전 정보의 양을 훨씬 더 증가시킬 수 있습니다. 응축된 형태의 heterochromatin에는 DNA 결합 인자가 잘 접근하지 못하고 유전자의 침묵 현상(gene silencing)이 일어난다고 알려져 있는데, 이러한 heterochromatin 영역을 형성하는 것으로 알려져 있는 염색체 부위로는 centromere 영역, telomere 영역, ribosomal DNA (rDNA) repeats, mating-type 유전자 영역 등이 있습니다. 저희 실험실에서는 다양한 단백체학적 방법론들을 이용하여 효모 세포에서 heterochromatin 영역 중 하나인 rDNA repeats에 결합하는 단백질들을 동정하고 분석함으로써 heterochromatin의 생성 원리와 기작을 밝히는 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 연구 목적을 달성하기 위해 tandem affinity purification (TAP) tag이 달린 단백질들을 대상으로 chromatin immunoprecipitation과 정량적 PCR 기법을 사용하여 rDNA repeats에 결합하는 단백질들을 동정하고, 동정된 단백질들의 결실 및 과량 발현을 통해 이들이 실제로 rDNA repeats의 gene silencing에 관여하는지를 연구하고 있습니다. 또한 rDNA repeats에서의 gene silencing이 rDNA stabilitiy와 lifespan에 주는 영향과 이들 결합 단백질들의 인산화, 아세틸화, 유비퀴틴화 등을 조사하고 이러한 post-translational modification이 이들 단백질의 기능과 상호작용에 미치는 영향을 연구함으로서 노화나 수명연장에 어떠한 관여를 하는지 연구하고 있습니다. 이러한 연구는 암과 노화 등의 중요한 생물학적 문제를 해결하는 데 있어 매우 중요한 지식적 기반을 제공하리라 예상됩니다. 또한 여러 가지 stress 조건이나 TOR pathway를 저해하는 rapamycin을 처리했을 때 rDNA repeats의 구조적 변화와 nucleolus 단백질들의 localization의 변화가 rDNA stabilitiy와 lifespan에 어떤 영향을 줄 것인지에 대해 연구하고 있습니다. 4) Novel function of ribosomal proteins

4-1) Ribosome은 mRNA로부터 단백질을 만들어내는 translation 과정에서 핵심적인 역할을 담당함으로써 세포가 생명현상을 유지하는데 없어서는 안 될 중요한 기구입니다. 이러한 ribosome 이 정상적으로 만들어지기 위해서는 세 종류의 RNA polymerase (rRNA를 합성하는 Pol I, ribosome 단백질을 만드는 Pol II, 5S rRNA를 만드는 Pol III)의 기능이 매우 유기적이고 정교하게 조절되어야 합니다. 최근 들어 ribosome을 구성하는 80여개 단백질 중 특정 단백질이 결실되거나 혹은 다량 발현 될 때 세포사멸(apoptosis) 혹은 암이 발생한다는 사실이 잇따라 보고되고 있는데, 이는 ribosome의 구성과 기능에 아주 사소한 잘못이 생기더라도 치명적인 결과를 줄 수 있다는 걸 의미합니다. 하지만 지금까지의 연구들은 ribosome 단백질 기능 이상에 수반되는 현상적인 결과들만 보고하는 수준에 머무르고 있을 뿐, 분자수준에서 정확한 기작을 밝히는 연구는 거의 없는 편입니다. 이에 우리 실험실에서는 ribosome 단백질의 기능 이상이 세포기능에 미치는 영향을 분자 수준에서 이해하기 위한 시도로서, GFP-tagged library와 synthetic genetic array기법을 이용하여 ribosome 단백질 기능의 이상이 단백체 발현에 어떠한 영향을 미치는지를 유전체 수준(genome-wide level)에서 분석하고 있습니다. 이를 통해 ribosome 단백질의 기능 이상에 따른 여러 단백질의 양적인 변화를 알아보고 이를 통해 진핵생물에서 tumorigenesis 또는 병리학적인 측면에서 ribosome 단백질이 연관되어 있을 가능성을 밝히고자 합니다. 4-2) Eukaryotic ribosome은 cytoplasm에서 function을 하고 synthesis, processing 그리고 assembly는 nucleolus에서 일어납니다. 전체 ribosome은 4개의 rRNA species와 ~78개의 ribosomal protein으로 구성되어 있는데, Sacchromyces cerevisiae에서는 78개의 ribosomal protein중에서 59개가 두 개의 genomic copy를 가지고 있습니다. 이러한 두 개의 copy를 가진 ribosomal protein은 서로 매우 유사한 기능을 할 것으로 생각이 되며 그래서 서로 유사한 localization pattern을 가질 것으로 추측할 수 있습니다. 하지만 2003년 에 발표된 GFP library database를 보면 몇몇 ribosomal protein들은 두 단백질이 거의 동일함에도 불구하고 서로 다른 localization을 보입니다. 한 예로 ribosomal protein L7은 yeast에서 Rpl7a와 Rpl7b 두 종류로 존재 합니다. 이 두 단백질은 245개의 염기서열 중 240개가 서로 일치하여 97%의 상동성을 보이고 있음에도 불구하고 RPL7A는 cytoplasm에 RPL7B는 cytoplasm과 nucleolus에 존재합니다. 저희 실험실에서는 거의 동일하다 생각되어지는 두 ribosomal protein의 localization이 다를 수 있으며, 어떤 생물학적인 의미가 있을지에 대해 연구하고 있습니다.

2. Team Huh의 실험실 생활 1) 연구에 관하여 교수님께서는 항상 열정이 있는 자유로운 분위기를 강조하셨기에 실험실 분위기도 그와 많이 닮아가게 되었습니다. 꾸준한 실험이 중요한 생물학 분야에서는 무엇보다 성실성과 끈기가 높이 평가되는데 출퇴근 시간에 대한 특정한 규제가 없이 자율에 맡기고 있음에도 실험실 구성원이 유기적으로 아침 일찍 나와 자신의 실험에 몰두하는 모습을 볼 수 있습니다. 일주일에 한 번 랩 미팅 시간을 통해 학생들은 번갈아가면서 교수님과 다른 학생들 앞에서 자신의 실험 결과를 발표하고 의견을 교류하며, 이와 더불어 국내외 논문들의 발표를 통해 최신 연구 동향을 살펴보고 이에 대한 토론을 하는 시간도 갖습니다. 랩미팅과 별개로 일주일에 한 번 가지게 되는 개별미팅 시간에는 일주일간의 실험의 경과를 보고하고 앞으로 진행할 방향에 대하여 교수님과의 토론시간을 갖고 있습니다. 2) 실험 외 활동 Team Huh는 매년마다 팀의 화합을 위해 여름 MT를 추진하였으며, 겨울에는 분자세포생물학회 동계학술대회에 전원 참가해왔습니다. 젊은 실험실이라는 특성에 맞게 활기찬 생활을 추구하는데 꽃이 필 무렵 봄이나 단풍이 아름다운 가을에는 교수님과 함께 관악산 산행을 합니다. 실험실 구성원의 생일에는 잔치상을 펼쳐놓고 다 같이 다과를 즐기면서 생일을 축하하는 행사를 진행하기도 합니다. 3. Team Huh의 멤버 소개 마지막으로.. 아직 3년 밖에 안 되어서 별로 내세울게 없는 신생 실험실에 실험실 소개의 기회를 주신 KOSEN 관계자 여러분께 감사의 말씀 드립니다. 실험실 생활을 하다보면 고립되어 간다는 느낌을 받을 때가 있습니다. 내가 하는 일에 신경 쓰기도 벅차서 다른 사람이 어떤 일을 하는지 어떻게 살고 있는지를 생각하지 못 할 때가 많은 것 같습니다. 이런 기회를 통해 저도 다른 실험자분들이 어떤 연구를 하는지 어떻게 여가를 즐기시는지를 알게 되었습니다. 다른 분들도 저희 실험실에서 하는 일과 사진들을 잠시 감상하시며 커피한잔의 여유를 즐기셨으면 합니다. 4. Team Huh와의 연락 주소: 서울특별시 관악구 신림동 서울대학교 504동 401호 전화: 02-880-9243 Fax: 02-873-4740 홈페이지: http://biosci.snu.ac.kr/professor/50/ Email: wkh@snu.ac.kr (교수님) 글쓴이 : 성민경 도우미 : 하철웅, 장연지