TLRs play central roles in innate immune defense against viral and bacterial infection. They recognize common patterns in a large number ofmicrobial molecules and initiate potent immune responses against them. My research group has determined the first crystal structures ofTLR-ligand complexes.
These structures have revealed the extraordinary diversity of TLR-ligand interactions. From our structural observations, we have proposed a mechanism for receptor activation: ligand binding to the extracellular domains of receptors induces dimerization of the intracellular domains, which initiates signaling inside the cell by recruiting adaptor proteins to the receptor. In order to prove this hypothesis, we are trying to determine structures of complete TLR signaling complexes containing extracellular ligands and intracellular signaling proteins using cryo-EM.
The second research focus of my lab is developing therapeutic antibodies targeting membrane receptors. Monoclonal antibodies are the larges groups of biological therapeutics.The successful development of therapeutic antibodies often requires generation of a selective and potent molecule,
humanization of sequences, affinity maturation, Fe engineering to modulate effector functions.
My lab is interested in determining large number of antibody structures in complex with their target proteins using a high speed cryo-EM method.
Based on these structures, we design amino acid sequences that can improve performance of the antibodies. Affinity, specificity, stability and manufacturability of antibodies can be improved by this "structure based antibody optimization process".

항체는 면역계의 핵심분자로 외부 항원에 선택적으로 결합할 수 있다. 이러한 성질을 이용하여 항체는 다양한 생물학 분야에 응용이 되고 있는데, 최근에는 암, 치매, 당뇨 등 기존의 화합물 의약품으로 치료하기 힘든 질환의 치료제로 개발되고 있다. 항체 의약품은 생명공학의 핵심 연구 주제이며 2018년 매출액 10대 의약품 중 6개가 항체를 기반으로 하는 의약품이다. 항체가 의약품으로 사용되기 위해서는 표적단백질과 강하게 결합할 수 있어야 하며, 표적 외 다른 단백질과는 결합이 없어야 한다. 또한, 항체의 기능을 무력화 시킬 수 있는 면역반응이 없어야 하며, 제조가 손쉬워야 하고, 안정성이 뛰어나야 한다.
항체는 단독으로 약물 기능을 하는 경우도 있지만, 이중특이성항체, 항체-약물복합체, CAR-T 치료제 형태로 만들어야만 기능을 하는 경우도 있다. 항체공학은 이와 같이 항체의 특성을 향상시키거나 바꾸어서 약물로서 기능할 수 있도록 하는 연구분야이다. 본 연구실에서는 GPCR 등과 같은 세포막단백질에 대한 항체를 생산하고 구조에 기반하여 항체의 성능을 향상시키는 연구를 수행하고 있다. 항체와 표적단백질 복합체의 구조는 cryo-EM과 가속기를 활용하여 빠르게 규명하고 있으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 항체의 특성을 예측하고 향상시키고 연구를 수행하고 있다.

학생들이 참여할 수 있는 연구는
(1) 표적 세포막단백질 생산, 리보좀디스플레이 이용 표적단백질에 대한 항체 발굴
(2) Cryo-EM을 이용한 단백질 구조규명
(3) 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 항체 engineering.

• ㆍCryo-EM study of Toll-like Receptors
• ㆍActivation mechanism of cell surface receptors
• ㆍStructure based engineering of therapeutic antibodies

• ㆍV.A. al., (2023) IL9 polarizes macrophages to M1 and induces the infiltration of antitumor imuune cells via MIP-1 and CXCR3 chmokines. Cancer Research Comm., 3 (1): 80-96
• ㆍLim et al., (2022) TLR3 forms a highly organized cluster when bound to a poly(I:C) RNA ligand. Nat. Commun. 13: 6876
• ㆍJeong et al., (2016) Connecting two proteins using a fusion alpha helix stabilized by a chemical cross linker. Nat. Commun. 7: 11031
• ㆍEckert JK et al., (2013) The Crystal Structure of Lipopolysaccharide Binding Protein Reveals the Location of a Frequent Mutation that Impairs Innate Immunity. Immunity, 39: 647
• ㆍKang JY et al., (2009) Recognition of Lipopeptide Patterns by Toll-like Receptor 2-Toll-like Receptor 6 Heterodimer. Immunity, 31: 873
• ㆍPark BS et al., (2009) The structural basis of lipopolysaccharide recognition by the TLR4–MD-2 complex. Nature 458: 1191.
• ㆍJin MS, Lee J-O, (2008) Structures of TLR–ligand complexes. Immunity 29: 182
• ㆍJin MS et al., (2007) Crystal Structure of the TLR1-TLR2 Heterodimer Induced by Binding of a Tri-Acylated Lipopeptide. Cell, 130: 1071
• ㆍKim HM et al., (2007) Crystal Structure of the TLR4-MD-2 Complex with Bound Endotoxin Antagonist Eritoran. Cell, 130: 906

• ㆍB.S., Seoul National University, Korea (1987)
• ㆍPh.D., Harvard University (1995)

• ㆍ2004 : FEBS Letters Young Scientist Award (FEBS Letters)
• ㆍ2007 : Scientist of the Year (Korea Science Reporters Association)
• ㆍ2008 : KAIST Man of the Year (KAIST)
• ㆍ2008 : Scientist of the Month (KOSEF)
• ㆍ2008 : DuPont Science and Technology Award (DuPont, Korea)
• ㆍ2008 : ShimK2008: 100 Outstanding Research Accomplishments, 2007 (KISTEP)
• ㆍ2010 : 100 Future Leaders of Korea (Donga-llbo, daily newspaper)
• ㆍ2010 : Nowotny Science Prize (International Endotoxin and Innate Immunity Society)
• ㆍ2018 : Cheong-San Award (Korean Society of Biochemistry and Molecular Biology)