연구내용

본 연구실(MIME-ST)에서는 우리 몸에 서식하고 있는 마이크로바이옴이 우리의 건강과 질환에 미치는 영향을 마이크로바이옴이 만들어내는 물질을 통해 이해하고자 합니다. 특히, 질환 치료를 위해 이용되는 약물, 수술, 식이에 대한 개개인별 상이한 반응성 차이를 마이크로바이옴을 기반으로 작용기전을 이해함으로써 궁극적으로는 개인별 맞춤의학에 접근하고자 합니다.

주요 연구 분야는 다음과 같습니다.

마이크로바이옴이 약물 및 수술의 반응성에 미치는 영향 연구

마이크로바이옴이 소장 상피세포에 남기는 각인 효과 연구

마이크로바이옴이 당뇨 및 암에 미치는 영향 및 작용기전 연구

엄마와 아기 간에 마이크로바이옴의 효과의 단절이 나타날 수 있는 미숙아에 대한 연구

이를 위해 마이크로바이옴 배양, 마이크로바이옴 특이적 박테리아 효소 저해제 발굴, 마우스 및 인간 혹은 미숙아 조직 유래 장 오가노이드, 세포 배양, 세포 신호전달 연구 등을 활용하고자 합니다. 특히, 기초연구의 중개연구로의 연결을 위해 삼성병원 신생아 연구팀을 비롯한 병원과 공동연구를 수행하고 있습니다.

궁극적으로는, 마이크로바이옴 기반 치료법 및 예방법을 발굴하여 생애전주기 삶의 질 향상을 이루고자 합니다.

박테리아와 인간 세포를 포함한 모든 세포들이 ‘세포밖 소포체’를 분비하고 이를 이용해 ‘세포간 정보교환’을 하고 있음이 규명되고 있다. 세포간 정보교환 연구실은 세포밖 소포체 연구에 집중해 온 전문연구그룹으로, 1) 세포밖 소포체의 분리, 정제 및 특성 연구 기술 확립, 2) 프로테옴과 트랜스크립톰 분석 및 구성성분 네트워크 분석, 3) 생성기전 연구, 4) 혈관신생 및 면역반응 조절 등 다양한 기능 연구, 5) 암, 패혈증 등 다양한 질병원인 규명 및 새로운 진단/치료 방법 개발 등을 통해 ‘세포밖 소포체가 세포간 정보교환에서 중요한 기능을 수행하는 세포밖 소기관 (extracellular organelle)인 세포간 정보교환체’임을 규명하는 연구를 진행하고 있음.
학사논문 연구주제
1. 세포밖 소포체 분리 기술 개발
2. 세포밖 소포체 정량 기술 개발
3. 장내 세균유래 세포밖 소포체 기반 interkingdom communication 연구: 암, 당뇨, 면역 질환, 정신 질환
4. 세포밖 소포체를 이용한 백신 개발
5. 세포밖 소포체를 이용한 약물전달 기술 개발
6. 세포밖 소포체를 이용한 재생의학 기술 개발
7. 세포밖 소포체를 이용한 암 치료 및 진단 방법 개발

1. Exploration of Synaptic mRNAs in Synaptic Plasticity 뉴런에는 많은 수상돌기들이 있고 표면에는 spine들이 존재한다.
수상돌기의 spine들은 다른 뉴런의 축색돌기 말단과 연접하여 시냅스를 형성하여 신호를 받는다. 그러므로 dendritic spine과 axon terminal에는 신경신호를 인식하는 많은 수용체들과 신호전달 단백질들이 있음과 동시에 mRNA들도 존재하고 있다. 따라서 수상돌기와 축색돌기 말단에 존재하는 mRNA들은 어떻게 그곳까지 수송되는지? 수송된 mRNA들은 어떻게 번역되어 신경신호전달에 필요한 단백질을 만드는지? 임무수행을 마친 mRNA들은 어떻게 분해되는지? 본 연구실에서는 mRNA binding factor들을 동정하고 그 역할을 규명함으로써 위의 질문에 답을 얻고자 한다. 그리고 수상돌기 및 축색돌기 말단에 존재하는 mRNA의 발현을 통해 synapse의 구조가 어떻게 변하여 신경신호전달 효율을 높이는지 이해함으로써 시냅스 가소성의 기작을 규명하고자 한다.
2. Functional Role of Vaccinia Related Kinase (VRK) family VRK family는 VRK1,2,3로 구성되며, VRK1은 세포주기에서 cyclin D1의 발현을 높이고, chromatin의 응축을 유도하며, telomere의 안정화에 중요한 역할을 하는 효소이다. 두경부편평상피암을 비롯한 폐암, 위암 등에도 많이 발현되어 있으므로 이 효소의 활성을 조절하면 암의 성장을 억제할 수 있다. VRK2 효소는 chaperonin의 stability를 조절하여 단백질의 폴딩과 응집 현상에 밀접한 영향을 미친다. 단백질 응집 현상은 알츠하이머씨병, 파킨슨씨병, 헌팅톤씨병 등 퇴행성 뇌질환에 공통적으로 보이는 현상이다. 따라서 VRK2의 활성을 조절하면 이들 퇴행성 뇌질환의 치료방법 개발이 가능하다. VRK3는 자폐증에 관여하는 사실을 확인함으로써 그 원인에 대한 규명이 이루어지고 있어 생쥐의 행동실험과 조직학적 및 생화학적 분석에 대한 이해와 경험이 가능하다.

장내 공생 미생물은 숙주의 생리 작용에 광범위한 영향을 미치는 환경 요인으로 알려져 있습니다. 따라서, 장내 공생 미생물총 (gut microbiota)의 불균형 및 기능 이상은 현대 사회에서 다양한 난치성 질환의 증가를 야기하는 주요 원인으로 생각되고 있습니다.
국내 처음으로 구축된 POSTECH무균 마우스 시설을 활용하여, 장내 공생 미생물과 장 점막 면역 체계의 상호 작용에 대한 연구를 수행하고 있습니다.

현재 진행중인 연구는 다음과 같습니다.
o 음식 및 장내 공생 미생물에 의한 장 점막 면역 체계 발달 연구
o 장내 공생 미생물의 종 특이적 면역 조절 연구
o 염증성 장질환 (inflammatory bowel disease, IBD) 유도 기전 및 마이크로바이옴 기반 치료 기법 도출
o 유해 공생 미생물 및 병원균의 장내 적응 연구
o 장내 공생 미생물에 의한 자가면역 반응 조절

특히, IBD 유도에 관여하는 유해 공생 미생물 (마우스 또는 인체 유래) 발굴하여, 이들 유해 공생 미생물에 의한 대장 내 T 세포 반응 유도 기작을 규명하는 연구를 진행 중입니다. 이를 위해, T 세포 매개 IBD 모델, 단일 세균 이식 무균 마우스 동물 모델을 이용하고 있습니다. 이러한 기초 연구를 통해서, IBD에 대한 효과적인 마이크로바이옴 기반 치료제 개발에 기여하고자 합니다.


br/> 실험실의 연구 참여를 통해서, 무균 마우스 모델 활용 기법, 유세포 분리 (cell sorting) 및 분석 (FACS analysis), 조직학적 분석, 시험관 내 T 세포 분화 등의 다양한 면역학적 분석 기법을 경험할 수 있습니다. 학부생이 참여 할 수 있는 연구는 다음과 같습니다.

o 다양한 유해 공생 미생물의 대장 내 면역 반응 유도능 및 특성 분석
o IBD 모델에 따른 특정 약물의 질환 조절 효과 분석 및 기전 연구
o 다양한 환경 (무균, 일반 등)에서의 장내 면역 세포의 분포 및 유전자 발현 분석

우리 실험실에서는 서로 다른 단백질간, 단백질과 기질간 또는 단백질과 DNA간의 상호작용을 생화학적, 구조생물학적 방법을 통해 밝힘으로써, 생체내에서 일어나는 일련의 신호전달 활성화 과정을 분자 수준에서 이해 하고자 합니다. 이에 대한 정보를 바탕으로 각종 질병에서 일어나는 비이상적 상호작용을 설명하고, 이를 조절할수 있는 방법 개발하고자 합니다.
현재 진행 하고자 하는 연구 내용으로는
- 박테리아에서 DNA 손상 치료 단백질간의 상호 작용과 활성화 메커니즘 연구
- 식물에서 면역 수용체와 병원균 effector 단백질 간의 상호작용 연구
- 세포내 PRR이 활성화 이후 면역 항상성에 끼치는 영향 연구
등을 진행하고자 합니다.
이에 대해서 학생들이 참여 할수 있는 실험 내용으로는
- 유전자 클론닝 및 발현 벡터 최적화
- E. coli 와 Mammalian protein expression system을 이용한 단백질 발현 및 정제
- Co-ip를 이용한 단백질간의 상호작용 분석, EMSA
등을 수행할 예정입니다.

생물정보학과 미래의료 기술 개발에 대해 공부한다. 환자의 임상데이터 및 유전자의 서열/발현 분석 데이터를 바탕으로 질병의 예측, 진단, 치료 타겟 선정에 관련된 다양한 생물정보학 방법론에 대해 공부한다. 대용량 유전자 서열분석 방법론, 임상 및 생명 빅데이터 분석의 기본 기술과 통계 방법론 대해 공부한다.

대용량 개인 맞춤형 유전자 분석 기술의 발전에 따라 환자들의 바이오 빅데이터가 쌓이고 있다. 디지털 헬스케어 기술 개발에 필요한 생물정보학 방법론, 환자와 병원에서 얻은 임상 빅데이터 분석을 통한 질병 유전자 탐색, 질병의 예후 및 생존율 예측에 관련된 생물정보학 방법론을 공부한다. 또한 이를 바탕으로 질병 발병과 유전자 이상의 상관관계를 정량적으로 탐색 가능한 생물정보학 방법론을 알아본다.

실험 동물모델의 유전형-표현형 탐색 연구. 다양한 모델 생물을 이용한 유전자 편집 실험을 통해, 인간 질병의 상동 유전자의 표현형을 검증하는 실험이 진행되고 있다. 하지만, 인간과 모델 생물 간에는 유전형-표현형의 차이가 존재한다. 모델 생물과 인간 간의 유전자 표현형의 차이를 이해하고 질병 연구에 필요한 유전자를 선택할 수 있는 분자 진화의 이해에 대한 연구 방법론을 공부 한다.

세부 연구 방법론
네트워크 모듈 규명 및 단백질 기능 분석을 통한 질병 발생 기작에 대한 연구.
유전자의 변이나 발현량의 변화가 질병에 미치는 영향을 예측하는 연구.
오믹스 데이터를 통합하는 유전자-질병 표현형 지도 구축에 관한 연구

연구내용

세포막 수송체 단백질 중 ABC(ATP-binding cassette) 수송체 와 SLC(Solute Carrier) 수송체들은 인간을 포함한 거의 모든 생명체 세포에 존재하여 포도당, 아미노산, 뉴클레오사이드 및 하전된 이온등 같이 모든 생물의 생존에 필요물질들을 세포막 내외로 운반하는 역할을 하고 있고, 이들의 기능 이상은 각종 질병에 관련되어 신약개발의 표적이 됩니다.

수송체 구조 생물학 연구실에서는 세포막 수송체 단백질들이 어떻게 다양한 기질을 세포막을 통해서 수송하는지에 대한 작동 메커니즘을 규명하여, 관련 질환 해결의 실마리로 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다.

학부생들이 참여할 수 있는 연구 주제

ABC 수송체의 구조 변화 과정을 연구

ABC 수송체는 가장 큰 수송체패밀리로서, ATP가 결합하는 NBD(Nucleotide binding domain)이 있으며, 그 도메인에ATP 결합 또는 가수분해 에너지는 TMD(Transmembrane domain)의 구조변화를 일으켜서 물질을 세포안밖으로 이동시킵니다.

대표적인 ABC수송체를 하나 선정하여, ATP 결합에 의한 구조 변화와 ATP 가수분해 후 일어나는 ABC수송체의 구조 변화와 운반하는 물질과의 결합에 의한 ABC수송체의구조 변화도 관찰할 예정입니다.

학부생들이 참여할 수 있는 연구 실험내용
1) Ecoli, Insect와 mammalian system을 이용하여 타겟이 되는ABC 수송체 단백질 발현 조건 확립,
2)ABC 수송체 단백질을 가장 안정하게 추출할 수 있는 detergent 및 최적화된 정제 버퍼 조건과 thormostability(열 안정성)등을FSEC(Fluorescence-detection size-exclusion chromatography) 에 나온 결과를 기반하여 확립,
3)정제된 단백질을 가지고Electron Microscopy을 위한 그리드 준비 등을 수행할 예정입니다.

뇌는 독보적으로 우리의 몸에서 가장 많고 다양한 gene이 발현되며, 복잡한 구조를 가지고 있는 부위이다. 뇌가 복잡할 수밖에 없는 이유는 우리 몸의 대부분 행동을 control하며, 감각기관으로부터 들어오는 여러 정보를 종합적으로 처리하여 적절한 판단을 내리기 때문이다. 또한, 뇌는 현재의 정보뿐만 아니라, 과거에 처리되었던 정보와 행위, 그로 인한 결과까지 저장해두었다가 현재의 판단에 사용한다. 여기서 말하는 후자가 기억이며, 이는 고등생물의 뇌의 가장복잡하며 중요한 기능 중에 하나이다. 기억은 중추신경계(CNS)안 신경세포간의 synapse연결에서 구조적 기능적 변화로부터 유발되는 것으로 알려져 있다.

특히 이 기억을 연구하는데 있어서 좋은 모델은, 중독(addiction)이다. Nicotine 또는 alcohol의 남용으로 일어나는 중독과 연관된 기억은 아주 강력하여, 약물투여를 중단한 다음에도 심지어는 평생 지속되기도 한다. 이런 이유로 중독은 언제나 재발할 위험성을 가지고 있으며, 따라서 중독에 대한 치료는 심각한 사회적 이슈이다. 그러나 이런 중독 기억의 불변, 지속성에 대해선 많이 밝혀진 것이 없다. 따라서, 중독기억형성과정에 대한 분자적, 전기생리학적, 행동적 연구를 통해 중독을 보다 효과적으로 치료할 수 있을 것으로 생각된다.

또한, 그 반대되는 양상을 띠는 공포(fear)도 기억연구에 좋은 모델이다. 이 역시 강력하며 지워지지 않는다. 공포의 기억을 완화시키기 위한 행동적 치료법조차 공포기억을 영원히 지울 수는 없다. 재발되는 공포기억의 트라우마, 또는 비적절한 공포기억으로부터 유발되는 panic disorder등은 중요한 사회적 문제이다. 본 연구실에서는 이렇게 기억에 대한 여러 가지 issue를 systems neuroscience 적 관점에서 공부하고 있음.

학생들이 참여할 수 있는 실험들을 들어보면:

- 기억유발에 따라 변화하는 neural circuit에 대한 생화학적 연구

- Cocaine self-administration 행동실험

- Brain slice를 통한 synapse간의 연결 관찰

- 공포기억의 학습화에 대한 행동실험

본 연구실은 “세포-조직-기관-개체의 계층적 구조에서 가장 하위에 위치한 세포의 유전자 발현 및 표현형의 변이가 상위 생체 시스템의 전체 기능을 어떻게 결정할까?”라는 질문을 가지고 발달, 면역, 종양, 노화 등 다양한 생체 및 질환 시스템의 세포 간 변이와 전체 시스템 기능 간의 인과관계를 연구하고 있다. 이를 위해 단일 세포 다중오믹스 분석, 유전체 편집, 기계 학습 기반 바이오 빅데이터 분석 등 세가지 핵심 기술을 통합하여 세포의 분자적 특성과 기능이 세포간 상호작용을 통하여 조직, 기관, 개체의 전체적인 기능을 결정하는 생물학적 원리를 찾고자 한다.

합성생물학 연구실에서는 기존에 생체 내에 존재하는 분자 네트워크와는 다른 새로운 세포 내 기능 조절 네트워크를 구성하는 연구를 진행하고 있습니다. 분자 수준에서부터의 생물정보 분석과 디자인, 실험적 검증을 통해 세포 기능을 인공적으로 조절할 수 있는 분자 네트워크 대해 다방면으로 연구합니다. 최근에는 핵산 (Nucleic Acid) 디자인을 통한 새로운 분자 계산법인 ribocomputing 기법의 개발을 진행하고 있습니다. 앞으로 합성생물학을 통한 새로운 조절 네트워크를 구성하는 것이 바이오 에너지와 의료용 물질 생산, 면역계와 상호작용하고 리포터 역할을 할 수 있는 smart probiotic 과 같은 다양한 응용 분야에 적용될 것으로 기대되며 이에 대한 연구들을 수행하고 있습니다. 연구 참여를 통해 대장균 및 다른 미생물을 이용하여 cloning 과 같은 기본적인 분자 생물학 실험, FACS, plate reader 등의 다양한 분석용 실험 기법을 경험하고, 합성 생물학에서 많이 이용되는 계산 및 모델링 방법에 대해 배울 수 있습니다.

학부생들이 참여할 수 있는 연구 주제
(1) Ribocomputing device – 대장균 내에서의 논리 회로 구현을 위해 분자 수준의 디자인과 cloning, 대장균에서의 발현, reporter expression 검증을 수행합니다.
( 2) SNP-selective nucleic acid probe – SNP을 구분할 수 있는 프로브를 테스트 하기 위해 분자 수준의 디자인과 PCR을 통한 reporter expression 검증을 수행합니다.

본 연구실은 중추신경계 및 주변 장벽 내 고유의 면역 시스템과 신경-면역-혈관 상호작용을 세포 및 분자 수준에서 이해하고 이를 바탕으로 다발성경화증, 포도막염 같은 자가면역성 신경질환과 치매 등 퇴행성 신경질환의 병리 기전과 치료 타겟을 발굴하는 것을 목표로 합니다.

우리 연구실은 뇌에서 일어나는 인지기능을 분자적 수준에서 이해하는 데 중점을 두고 있습니다. 오감을 통해 인지되는 외부자극은 뇌에서 특정 신경회로를 전기적으로 활성화함으로써 정보를 전달하고 그에 상응한 인지행동을 유발합니다. 본 연구실에서는 각 신경세포 내에서 활성화되는 신호체계 및 유전자 발현 조절의 구성과 기능에 관심을 두고 특히 후성유전체의 역동적 변화와 기능을 밝히는 데 주력하고 있습니다.

본 연구실은 2010년에 미국 UT Southwestern Medical Center에서 설립되었고 2018년 10월부터 포항공대 생명과학과로 이전하게 되었습니다. 저희 실험실에선 다양한 정신질환의 모델을 이용해 분자 신경생물학, 후성 유전체학, 전사체 및 유전체 분석 등의 최신 기술들을 적용하여 연구를 진행하고 있어 학부생들이 다양한 연구경험을 할 수 있는 환경을 제공하고 있습니다. 현재 중점적으로 연구하는 분야는 다음과 같습니다.

• 1. 저희 연구실에서 최초로 발견한 enhancer RNA의 특징과 기능성을 밝히고 자폐증의 질병모델 마우스를 이용해 eRNA의 발현변화를 연구하여 향후 의생명 전반적인 연구분야에 새로운 연구분야를 제시하려고 합니다.
• 2. 뇌에서 외부자극에 의해 일어나는 유전자 발현조절 기작을 분자적 수준에서 연구합니다. 특히 다양한 후성유전체 단백질들의 신경세포 내에서의 기능을 밝히는 데 중점을 두고 있습니다. 유전자 조절기능 뿐 아니라 다른 연구실과의 협업을 통해 신경생리학적 변화 및 인지행동에 미치는 영향도 함께 연구합니다.
• 3. Enhancer 는 최근 다양한 종류의 실험모델에서 유전자 발현조절에 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있는데 저희 연구실에선 신경세포에서 특정 자극에 의해 활성화되는 enhancer들을 발굴 및 활용하여 복잡한 신경세포 네트워크를 분석하는데 유용한 새로운 분자 생물학적 도구들을 개발하고 있습니다.
• 4. Enhancer와 그 조절을 받는 단백질 유전자들 간의 상호 연결체계를 최신 유전체 기법을 이용해 분석하고 이를 바탕으로 유전체 돌연변이들의 질병유발에 관련된 기작을 밝히려고 합니다.
• 5. 최근에 활용되기 시작한 단일세포상에서의 유전체 연구기법을 도입하여 뇌에 존재하는 다양한 종류의 세포들의 이질성을 밝히고 더 나아가 eRNA같은 non-coding RNA를 단일세포 수준에서 정량분석할 수 있는 최신 기술을 개발하고 있습니다.

정신분열증(schizophrenia) 및 우울증(depression) 등을 포함하는 정신질환들은 현재 우리사회에서 많은 사람들이 앓고 있는 질환이지만 명확한 발병 분자기전에의 이해는 초보단계에 불과합니다. 최근 이에 대한 분자생물학적 접근이 활발해져 Molecular Psychiatry (분자 정신의학) 라는 분야로 정립되고 있으며 앞으로 현대 신경과학의 중요한 부분을 차지할 것으로 여겨집니다. 분자 신경의학 연구실은 이러한 추세에 발맞추어 생화학, 세포학, 약리학, 유전학 그리고 행동생물학적 실험 기술 등을 이용하여 도파민 신경전달물질 관련 정신질환의 분자기전을 분석하는 연구를 수행하고 있습니다.
이에 따라 본 연구실에서 학사논문연구를 할 경우 다음과 같은 방향에 관련한 mini-project를 직접 진행하게 됩니다.

- 정신질환 후보 병인 유전인자들의 신경세포 및 신경계 내 기능 분석

- 정신분열증 후보병인 요소들간의 기능적 상호작용의 분석

- 동물 행동 분석을 통한 정신질환 관련 동물모델의 정성

- 신경계 발생의 분자기전 분석

- 도파민 신경전달체계의 조절기전 분석

모든 진핵세포 안에서 막으로 둘러쌓여 발견되는 소기관의 구조와 기능을 연구하고 있습니다. 다양한 질병에서 세포 소기관의 구조와 기능 이상이 관찰되며, 소기관 관련 인자들이 억제된 마우스는 비정상적인 표현형을 보입니다. 이를 통해 세포 소기관이 우리 몸에서 중요한 기능을 한다고 볼 수 있습니다. 하지만 조금 더 구체적으로 이것이 어떻게 조절되는지와 같은 질문에 대한 답은 여전히 모호합니다.

우리는 세포 소기관 중에서도 구조와 기능이 다이나믹하게 변화하는 골지체(Golgi complex)에 관심이 많습니다. 특히 다양한 외부의 자극(스트레스, 자극, 노화, 면역 반응 등)에 따라 골지체의 구조와 기능이 어떻게 조절되는지를 규명하는 연구를 수행하고 있습니다(Nature 2015, Nature 2019, J Clin invest 2021, Sci Adv 2021, Autophagy 2022). 세포 소기관과 이를 둘러싼 이중 지질막에 관심있는 학생들의 연구 참여를 환영합니다.

연구 주제

1. Membrane trafficking and Organelle dynamics

- 세포 소기관 사이의 네트워크 연구

- 이중 지질막의 다이나믹스와 관련 기능 연구

2. Exosome glycosylation

- 당구조 변화를 이용한 난치암 진단마커 발굴

- 암세포가 배출하는 엑소좀이 면역시스템과 암 전이(Metastasis)를 조절하는 과정 연구

신경발달질환은 뇌를 포함한 중추신경계의 기능 이상과 관련되어 나타나는 발달장애를 말하며, 종종 뇌전증(간질)과 동반되어 나타나기도 합니다. 상당수 신경발달질환은 평생 치료와 사회적 복지가 필요한 영구장애로 진행되기 때문에 병증을 조기에 발견하여 적절한 치료를 하는 것이 장애를 최소화하고 발달격차를 줄이는데에 중요합니다. 신경유전학 연구실은 유전정보를 분석하여 병인을 찾아내고 생쥐 및 줄기세포 등의 모델시스템을 사용하여 환자에게서 발견되는 유전적 결함이 어떻게 질환을 유발시키는지에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 또한 이에 대한 이해를 바탕으로 기존에는 난치병 또는 불치병으로 알려졌던 이들 질환에 대한 새로운 치료전략을 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

본 연구실에서는 다음과 같은 연구주제로 학사논문연구를 진행할 수 있습니다.

1. 신경발달질환 환자의 유전체 및 조직병리 분석

2. 줄기세포를 활용한 신경발달질환 세포모델 연구

3. 병인 유전자의 줄기세포 신경분화 조절기전 분석

4. 생쥐모델을 사용한 신경발달질환 병인 유전자들의 발달병리기전 분석

5. 병인 유전자의 신경발생 조절기전 분석을 통한 병태생리 규명

6. 대뇌발달기형 유발 뇌전증 모델을 사용한 자발적 과발화 억제기전 탐색

주제 1 - 세포 내 감염 병원체에 대한 숙주의 선천적 면역반응 조절 연구

   본 연구실에서는 병원체 감염에 대항하여 발생하는 숙주의 선천적 면역 반응 (Innate immune response)에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히 세포질 내부로 감염하여 증식하는 병원체에 초점을 초점을 맞춰, 바이러스와 세포 내 박테리아 (Intracellular bacteria)에 대한 선천적 면역 반응을 연구하고 있다. 바이러스와 세포 내 박테리아에 의한 선천적 면역 반응은 세포질 내부의 다양한 세포 내 소기관과 그에 위치한 신호 전달 매개 단백질에 의하여 조절 된다. 이러한 신호는 미토콘드리아를 비롯한 세포 내 소기관과 신호전달 체계를 표적으로 하는 숙주 단백질과 그 유래 물질, 그리고 mechanotransduction 을 비롯한 다양한 신호전달 체계와의 상호작용을 통하여 조절 된다. 연구참여 학부생은 이러한 상호작용에 의한 항바이러스성(anti-viral) 항박테리아(anti-bacterial) 면역 반응 조절 연구에 기여 할 수 있다.

주제 2 - DNA 손상신호에 의한 DNA 수선 혹은 세포사멸 조절 기작 연구

   세포 내에서 DNA가 손상되었을 때, 손상이 적은 경우에는 DNA를 수선하는 신호가 활성화 되고 손상이 과도한 경우 세포사멸이 유도되는데, 이러한 신호는 잘못 조절되었을 때, 암의 유발 및 진행과정과 밀접한 연관관계가 있다. 본 연구실에서는 기존에 전사과정(transcription)에 중요하다고 알려진 PAF 단백질 복합체(PAF complex)가 전사뿐만 아니라 DNA 손상 수선 및 세포사멸을 조절할 수 있다는 점에 주목하고 이와 관련된 분자 생물학적 메커니즘에 대해 연구하고 있다. 연구참여 학부생은 관련 연구를 통하여 기존에 알려지지 않은 새로운 DNA 손상 신호 매개 발암 조절 기전 규명에 기여할 수 있다.

암 및 면역 세포 조절 연구실에서는 Capicua (CIC) transcriptional repressor의 기능에 대해 다방면으로 연구합니다. 현재 전립선암, 간암 및 유방암 발병 및 전이 과정과 면역 세포 조절 과정에서 중요한 기능을 할 것이라 생각하고 이에 대한 연구들을 수행하고 있습니다. 연구 참여를 통해 동물 세포와 마우스를 이용하여 western blot 과 같은 기본적인 생화학/분자 생물학 실험, FACS 분석과 같은 세포 생물학 실험, 그리고 조직학적 분석법 등 다양한 실험 기법을 경험하고, 배울 수 있습니다.

해마다 연구 참여시 주제가 변경될 가능성은 항상 있습니다. 현재 연구 참여 시 수행할 연구 과제들은 다음과 같습니다.
◆ CIC 결함 시 나타나는 자가 면역 질환에 대한 분자 기작 연구.
◎ Hematopoietic lineage cell specific Cic knock-out mouse에서 보여지는 자가 면역 현상을 분석하고, 면역 세포들의 과민 활성화의 원인을 규명하는 일을 하고 있습니다. 현재는 T cell에서의 CIC 기능에 초점을 맞추고 있으나, B cell 에서의 기능에 대해서도 mouse model과 여러 가지 biochemical assay들을 이용해 연구하고 있습니다.

◆ 전립선암 및 대장암에서 CIC 의 역할 연구.
◎ 전립선암 및 대장암 세포주에서 CIC발현을 저해하면 암세포 성장 속도 및 이동 능력이 현저히 증가하며, 전립선암과 대장암 환자에서 얻은 조직을 분석해 보면, 암세포에서 CIC 발현양이 현저히 감소해 있는 것을 알 수 있습니다.
◎ 암 진행시 왜 CIC 발현양이 감소하는지에 대한 정확한 분자 기작을 연구하고 있습니다.
◎ CIC가 어떤 분자 기작을 통해 암 진행을 억제하는지에 대해서 연구하고 있습니다.
◎ 대장암의 경우 CIC 발현 억제시 항암제 내성이 증가하는 현상을 관찰하였고, 어떠한 기작에 의해 이러한 현상이 발생하는지 연구하고 있습니다.

우리 실험실의 궁극적인 연구 목표는 자가면역질환과 암 치료법 개발에 기여하는 것입니다.

체는 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, 마우스에서 항체 생산

(2) Cryo-EM을 이용한 단백질 구조규명

(3) 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 항체 engineering.

우리 몸의 면역 시스템은 매 순간마다, 면역반응을 활성화 (Immunity)시킬 건지, 또는 조절 (억제) (Tolerance) 할 지를 결정하게 된다.
만약 매우 정교하게 유지되는 이러한 면역학적 항상성 (Immune Homeostasis)이 깨지게 될 때, 다양한 면역 질환이 생기게 된다. 특히 면역 과민 반응은 아토피 피부염이나 기관지 천식과 같은 알러지 질환과, 류마티스 관절염이나 소아당뇨병과 같은 자가면역 질환을 일으키게 된다. 따라서 본 연구실에서는, 이러한 면역학적 항상성 유지가 어떠한 기작에 일어나는지를 분자.세포 면역학적 관점에서 연구를 하고, 특히 면역 과민 반응을 제어할 수 있는 장 타겟 면역 조절 물질을 개발 및 작용 기작을 규명하는 연구를 수행하고 있다.

현재 진행중인 연구로는,
(1) 전자조절인자 (transcription factor)인 Ets에 의한 면역항상성 조절 기작 연구
(2) 면역 관용 기작에 관여하는 장관 면역계의 특성 규명 (수지상 세포 (Dendritic cell))
(3) 장관계 유래 수지상세포에 의한 면역조절T 세포 (Treg) 유도 기작 규명
(4) 항암 면역 증진유도, 자가면역 질환 및 알러지 질환을 개선할 수 있는 맞춤형 유산균 선별 시스템 개발
(5) 유산균 유래 면역 활성 물질 규명 및 작용 기작 연구를 무균 생쥐를 이용하여 연구를 하고 있다.

번역(translation) 메커니즘 연구

   본 실험실에서는 Eukaryotic mRNA의 번역개시 메커니즘(translation initiation mechanism)을 밝히는 연구를 하고 있다. Eukaryotic mRNA의 번역은 여러 가지의 번역인자들이 작용하여 40S ribosomal subunit이 initiation codon을 찾는 것으로 시작되는데 본 실험실에서는 번역인자들이 mRNA에 결합하는 dynamics, 번역 인자들 간의 상호 작용, 그리고 궁극적으로 번역인자들이 어떻게 40S ribosome을 initiation codon에 결합시키는 지를 밝히고 있다. 또한 세포가 stress 상황이 놓이면 대부분의 mRNA의 번역은 저해되고 일부 mRNA의 번역은 계속되거나 강화되는데 어떤 번역인자가 stress 상황에서도 발현되는 mRNA들을 찾아내고 어떻게 번역이 계속 일어날 수 있도록 하는지에 대한 메커니즘을 규명하고 있다.

C형 간염바이러스의 복제 메커니즘과 치료제 개발 연구

   C형 간염바이러스(Hepatitis C virus)는 간염, 간경변 및 간암을 일으키는 치명적인 바이러스다. 현재 전인류의 3%가 감염되어 있는 것으로 알려져 있는데, 이 바이러스의 증식 과정을 규명하고 이것을 막는 치료제를 개발하는 일이 시급하다. 본 실험실에서는 이 바이러스가 숙주 세포에서 증식하는데 필요한 숙주의 인자들을 찾아내고 그 역할을 연구함으로써 이 바이러스의 증식과정을 규명하는 일을 하고 있다. 또한, C형 간염바이러스의 복제에 필수 불가결한 바이러스 단백질인 NS5A의 활성을 저해할 수 있는 물질을 design하고 합성한 후 C형 간염바이러스 복제를 저해하는 효능과 독성 등을 조사하여 C형 간염바이러스에 대한 치료제를 개발하는 일을 하고 있다.

인플루엔자 바이러스의 감염을 진단할 수 있는 방법 개발

   인플루엔자 바이러스는 독감을 일으키는데 많은 사람들이 이 바이러스의 감염으로 고생한다. 본 실험실에서는 여러 인플루엔자 바이러스의 subtype의 hemagglutinin (HA), neuraminidase (NA), 그리고 nucleoprotein (NP) 단백질들에 대한 aptamer들을 만들고 이들을 이용하여 인플루엔자 바이러스의 감염을 진단할 수 있는 시스템을 개발하고 있다.

학부생들이 참여할 수 있는 연구 주제

(1) 번역 인자들의 상호작용 조사 (번역인자들의 cloning, 대장균에서의 발현, 순수분리, protein-protein interaction 검정, single molecule dynamics 조사 등을 이용한 번역인자들의 상호작용 조사)

(2) C형 간염바이러스 NS5A 저해제의 항 바이러스 효과 조사 및 그 저해제에 대한 저항성을 가진 바이러스가 생성되는 과정 조사 (C형 간염바이러스의 증식과정 monitoring, 저항성 바이러스의 돌연변이가 일어난 아미노산 규명과 저항 메커니즘 규명).

(3) 인플루엔자 바이러스 진단 시스템 개발 (인플루엔자 바이러스의 HA, NA 및 NP 단백질에 대한 aptamer 생산, 이 aptamer들을 이용한 단백질 정량 시스템 개발 등)>

만능줄기세포는 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 말하며, 우리 몸을 구성하는 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있다. 하지만 어떤 분자적 메커니즘에 의해 만능줄기세포가 수많은 종류의 세포를 만들어 낼 수 있는가에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않다. 본 연구실에서는 만능줄기세포의 분화능을 조절하는 유전자나 신호전달물질을 발굴하고, 이를 통해 만능분화능의 기저가 되는 메커니즘을 연구하고 있다. 또한 본 연구실에서 발견한 메커니즘을 응용하여 만능줄기세포를 세포치료제로 개발하는 연구를 진행한다.

본 연구실에서 수행 가능한 연구 주제
1. 인간 만능줄기세포에 필수적인 유전자 발굴 및 기능 연구
2. 인간 만능줄기세포를 이용하여 초기 뇌 발생 메커니즘 연구
3. 생세포 관찰 기술을 이용한 개별 만능줄기세포의 이질성 연구
4. 인간 만능줄기세포를 성숙한 신경세포로 분화시키는 기술 개발

본 연구실은 유전자 의 안정화 유지 기작 및 질병 관련 신호 전달 기작을 구조 및 생화학, 분자 생물학의 관점에서 연구 하고 있다. 특히 단백질 분리, 특성 및 구조 규명, 구조 근거 신약 개발 등을 3세대 및 4 세대 가속기, 전자 현미경들을 이용하여 연구 하고 있으며, 분자 모델링등의 기술로 신약 발굴로도 연결 하는 과정에 있다.
본 연구실에 참여하는 학생은 다음과 같은 연구 주제로 연구를 수행 할 예정이다.
1. 유전자 손상 신호 전달 및 치유 기작의 연구
이중 나선 절단 (DNA double strand break) 및 이중나선 접합 (interstrand cross-linking)의 네트워크에 관련된 분자들의 구조 및 기능을 규명. 이를 위해서는 단백질을 분리하고, 핵산과 복합체로 결정을 만들어 X-선을 이용 구조를 규명하고, 구조에 기반한 여러가지 질병 유발과 관련 가설을 세운뒤 이를 증명하는 방법. 또한 이들 분자들의 기능을 제어 하는 신약 후보 물질들과의 복합 분자 구조를 규명하여, 신약 개발로 유도함.
2. 단맛 분자 인지 기작 규명
우리가 어떻게 단맛을 느낄수 있는지 단맛 인지 분자와 다양한 감미료들과의 분자 구조 규명을 통해 각각의 감미료들이 어떻게 단맛 수용체에 결합하고, 구조 변화를 유도 하여, 우리가 단맛을 인지하게끔 하는지 메커니즘을 설명. 이 연구는 새로운 차원의 감미료를 개발해 낼 수 있는 template 를 제공 함.
3. 당뇨병, 비만등 질병과 관련된 수용체의 분자 구조 규명
세포막에 존재하는 여러가지 GPCR들과 agonist, antagonist 등의 복합체를 3차원적 입체 구조를 규명함으로써, 이들 agonist 및 antagonist들이 표적 분자에 결합 하는 방식을 표방하는 새로운 차원의 신약 개발을 시도 하고자 함.
학생들은 유전자의 클로닝, 단백질의 정제, assay alc 구조 규명등의 연구에 참여할 예정임

연구주제
감수분열 동안 상동 염색체들 사이 재조합은 생물의 유전적 다양성 확보에 중요할 뿐 아니라 동식물의 육종에 주요 기술로 이용되고 있다. 본 연구실은 모델 식물 애기장대를 이용하여 감수분열 재조합의 시작인 DNA 이중 가닥 절단(DSB)부터 DNA 수선, 교차(crossover) 형성에 이르는 분자적 과정을 연구한다. 감수분열 재조합을 보다 효과적으로 연구하기 위해 형광 종자 및 꽃가루 시스템, 꽃가루 타이핑, 감수분열 재조합 시작점 mapping 등 혁신적인 연구 방법 및 기술을 이용한다. 감수분열 재조합에 대한 기초 연구 통해 재조합을 조절하는 새로운 작물 육종 기술을 개발하고 인류의 식량 안보와 먹거리를 풍요롭게 하는 품종개량에 기여하고자 한다.

연구내용

꽃가루 타이핑 및 교차 핫스팟 발굴

: 꽃가루 타이핑 (pollen-typing)은 PCR 기반의 실험 방법으로 교차가 빈번히 발생하는 곳(핫스팟 5-10 kb)의 교차율과 분포를 분석한다. pollen DNA 추출, allele-specific primer 디자인, PCR, Sanger-sequencing 분석까지 PCR의 특수 기술을 바탕으로 식물 교차 핫스팟에 대해 이해할 수 있다.

교차율 증가 돌연변이체 hcr (higher crossover rate) 연구

: 상동 염색체 사이에 교차 개수는 anti-crossover 유전자들에 의해 염색체에서 1-2개로 제한되어 3개 이상을 넘지 않는다. hcr2, hcr3 돌연변이체에서 돌연변이 유전자 멥핑 및 분자적 분석을 통해 기존에 밝혀지지 않은 새로운 anti-crossover 유전자를 찾고 분자적 기전을 연구한다. 형광 종자 및 꽃가루 시스템을 이용하여 교차율 증가를 시각적 통계적으로 분석한다.

mei-CRISPR 시스템 개발

: CRISPR-Cas9 시스템을 변형하여 감수분열 동안 원하는 특정 위치에 교차를 유도할 수 있는 mei-CRISPR 시스템을 개발한다.

교차율 최대화 시스템 구축

: 알려진 anti-crossover 유전자 및 본 연구실의 HCR 유전자 이용하여 교차 간섭과 제한을 최소화하고 교차율을 극대화할 수 있는 시스템을 구축한다. 이 기술은 복합 형질의 QTL mapping과 기존에 얻을 수 없었던 새로운 형질의 조합을 만들어 품종개량에 기여할 수 있다.

형광 종자 시스템을 이용한 잡종 강세 연구

: 잡종강세는 여전히 육종의 주요기술이나 관련 유전자들은 거의 밝혀지지 않았다. 형광 종자 시스템을 이용한 염색체 분절 치환 라인 (Fluorescent Seed-based Chromosome Segmental Substitution Line, FS-CSSL)과 잡종 강세 미믹 라인 (Hybrid Mimics, HM)를 구축하고 이들을 이용하여 잡종 강세를 재구성하여 잡종 강세 유전자들을 찾고자 한다.

Genome-wide meiotic DSB mapping

: SPO11-oligo sequencing 방법은 감수분열 시작점(meiotic DSBs)을 genome 전체에서 nucleotide 해상도로 분석한다. 생화학(SPO11-oligo detection, purification), 분자생물학(SPO11-oligo library construction), 유전체학(computational analysis)적 실험 방법을 다양한 돌연변이체 또는 다른 종의 식물들에 적용하여 DSB의 형성 기전 및 종 특이적 DSB 패턴을 연구한다.

본 연구실은 성체 줄기세포의 발생 및 분화 과정을 연구하고 피부 조직에 존재하는 모낭줄기세포, 멜라닌 줄기세포와 조직 재생의 상관관계를 종합적으로 이해하고자 합니다.
특히, 이들 성체 줄기세포와 주변 환경의 조절 메커니즘 연구는 기초적인 재생생물학의 이론 정립과 함께 새로운 질병 치료법을 제시하고자 합니다

. 연구주제로는
(1) 줄기세포 정지 (Stem cell quiescence)의 조절 과정 연구를 통한 조직재생 과정 발굴
(2) 성체 줄기세포와 주변 미세환경의 상호 조절과정 이해
(3) 피부 성체줄기세포 조절 연구 (모낭 줄기세포와 멜라닌 줄기세포)
(4) 피부 상피 조직의 발생, 분화, 성장과정 이해
(5) 노화와 줄기세포의 상관관계 이해
(6) 피부 오가노이드 연구

1. 연구 주제
척추동물의 초기 발생과정을 이해하기 위하여, 양서류 모델 동물인 Xenopus laevis의 발생 과정에서 중요하다고 판단되는 특정 유전자들을 선정 후 cloning하고, 시공간적 발현 양상을 Whole mount In situ hybridization 기법을 통해 분석한다. 또한 microinjection을 통해 목표 유전자를 개구리 배아에 과발현 후 유발되는 phenotype을 확인한다.

2. 연구 내용 및 기대 효과
특정 유전자의 기능을 발생 과정에서 연구하는 데 있어 그 유전자의 시/공간적 발현 양상을 파악하고, 과발현 및 결손 시 일어나는 발생학적 결함을 확인하는 것은 필수적이다. 연구참여 기간 동안 학부생은 Xenopus 배아 발생 과정에서 중요하다고 생각되는 특정 유전자들을 cloning 후 공간적 발현 패턴을 확인하기 위하여, 적절한RNA probe를 디자인하고 합성하여 Whole mount In situ hybridization 실험을 수행한다. 이후 특정 유전자의 mRNA를 microinjection기법을 통해 과발현시켜 초기 배아 발생 시 나타나는 다양한 결함을 정립하는 것을 목표로 한다. 더 나아가 이 연구 결과들을 바탕으로 목표 유전자와 관련 있는 주요 발생 신호와의 관련성을 분석, 확인함으로써 기초적인 분자생물학적 실험 기법들을 익히고 척추동물의 초기 배아 발생과정을 보다 심도있게 이해할 수 있다.

3. 연구 계획
목표 유전자 선정 → PCR 기법을 통한 Cloning → antisense RNA probe및 mRNA 합성 → Whole mount In situ hybridization을 통한 발현 패턴의 분석 → mRNA overexpression을 통한 과발현 효과 분석

O 현대생명과학의 발전과 산업적 응용
현대 생명과학의 분부신 발전을 가져온 가장 큰 추동력은 인간의 유전적인 질병을 치료하기 위해서 유전자로부터 필요한 단백질을 만들어서 치료제로 활용하는 것이었다. 이러한 wish를 바탕으로 인류 최초로 고등 생명체로부터 cloning 된 유전자가 쥐의 insulin 유전자였다. 곧 이어 인간의 인슐린 유전자가 확보되었고 이로부터 인간의 인슐린을 대장균에서 생산하여 당뇨병 치료에 활용함으로써 인간이 필요한 의료용 단백질을 유전자로부터 만드는 현대생명과학이 탄생하였다 할 수 있다.
이 후로 생명과학의 발전은 무수히 많은 유전자들을 무수히 많은 생명체로부터 확보되었으며, 이제는 헤아릴 수 없을 정도의 많은 생명체의 전체 유전체의 염기서열이 밝혀짐으로써, 무한대의 유전자가 확보되었다. 유전자를 이용하여 만들 수 있는 단백질들은 활성에 따라서 인체 의약품뿐만 아니라 인간 및 가축용 백신용 단백질들, 화장품 등 미용에 들어가는 단백질들, 식품 첨가제 또는 식품생산용 단백질들, 사료첨가용 단백질들, 산업용 다양한 단백질들, 등 거의 모든 산업에 활용할 수 있다.
따라서 이러한 유전자들을 활용하여 인간이 필요로 하는 다양한 단백질을 만들어 활용할 수 있는 시대로 접어 들었다. 또한 유전자를 이용하여 생산한 단백질은 인체친화적이며 친환경적이다. 이러한 단백질을 대량으로 만드는 방법은 생명체에 유전자를 도입해서 세포가 단백질을 만들게 하고, 이렇게 만들어진 단백질을 세포로부터 순수분리 정제하여 활용하는 것이 기본적이다.
한국에서도 바이오텍 산업으로 의약품인 바이오시밀라를 생산하는 산업이 활발하게 진행되고 있다. 현재 단백질 생산을 위해서 가장 활발하게 활용되는 세포는 동물의 CHO cell이라 부르는 hamster ovarian tumor cell을 사용하거나 대장균 등 미생물, 때로는 yeast와 같은 곰팡이 등을 이용하여 재조합 단백질을 생산하고 있다. 최근에 새롭게 식물이 안전하고 저렴하게 단백질을 대량 생산하는 시스템으로 개발 되고 있다.

O 식물을 이용한 단백질 생산 시스템 개발
본 연구실에서는 새로운 안전하고 저렴하게 단백질을 대량 생산하는 시스템으로 식물 세포를 이용하여 재조합 단백질을생산하는 기술을 개발하였으며, 이를 통해서 의료용부터 산업용까지 다양한 단백질을 생산하고 이들을 활용하는 기술들을 개발하고 있다.
현재 다양한 stem cell의 growth factor들이나 cytokine들, 다양한 종류의 의료용 candidate 유전자들, bacterial growth를 control 할 수 있는 단백질들, 배기가스로부터 CO2를 포집하고 제거 할 수 있는 단백질들, 다양한 종류의 protease 유전자들을 대상으로 연구를 진행하고 있다.

O 학부생의 연구참여 내용
1) 생명과학의 가장 중요한 산업화 응용 과정인 유전자로부터 재조합 유전자의 design, 재조합 유전자의 식물세포의 도입, 식물세포로부터 단백질의 생산 과정, 식물 세포에 만들어진 단백질의 분리정제 등에 관한 다양한 부분에 대한 기초적인 지식을 습득
2) 이를 바탕으로 학생들이 활용해 보고 싶은 단백질에 대한 재조합 단백질 유전자를 design 하고, 이를 이용하여 식물세포에서 유전자 발현을 유도한 후, 식물세포에서 만들어진 재조합 단백질의 분리 정제와 만들어진 단백질의 활성을 확인해 보는 전체 과정을 수행
3) 이러한 기회를 통해서 기초적인 생명과학이 어떻게 산업적으로 활용되며, 궁극적으로 생명과학이 지속 가능한 인간 사회를 만드는데 필수적인 3 대 핵심문제인, 건강, 환경, 에너지 분야에 어떻게 기여할 수 있는지를 직접 경험해 보는 기회를 제공하고자 한다.

미래 인류의 생존을 위해 해결해야만 하는 위대한 도전중의 하나는 CO2 증가가 zero인 에너지 생산과 지속적인 food security를 들고 있다. 식물이 생산하는 바이오매스(Biomass)의 대부분은 형성층 줄기 세포의 활성에 의해 생산되며, 이를 통해 만들어지는 체관의 수송 능력을 조절함으로써 씨앗과 뿌리로 대표되는 식량으로 활용할 수 있는 조직의 생산성을 극대화 할 수 있다고 생각한다. 이를 위해 애기장대, 담배, 감자, 토마토를 재료로 하여 연구를 수행하고 있으며, 학부생은 아래 연구 주제와 관련한 실험에 참여할 수 있으며 결과는 발표 논문에 활용될 수 있다.

(1) 관다발 조직의 형성 및 조절 기작 연구
형성층 및 관다발 조직은 식물의 부피 생장을 조절하여 바이오매스 증대에 큰 영향을 준다. 본 연구실에서는 애기장대와 담배를 이용하여 형성층 및 관다발 조직의 기능을 조절하는 인자를 유전체 분석과 유전학 기법을 활용하여 동정하고 이에 대한 기능 연구를 통해 (Han and Cho et al., Nature Plants, 2018), 관다발 식물의 출현에 결정적인 역할을 하고 체관의 수를 조절하는 하는 ‘줄기(JULGI)’ 유전자를 발굴하였다 (Cho and Cho et al., Nature Plants, 2018, 그림). 줄기 유전자의 제어를 통한 식물 체관의 수 조절에 의한 꽃, 씨앗, 뿌리, 꿀, 괴경 등의 변화를 생리학적 관점에서 규명한다.

(그림 설명, 오른쪽) 형성층 및 관다발 조직이 증가한 돌연변이체. fc: fascicular cambium, if: interfascicular cambium, ph:phloem, xy:xylem

(2) RNA 이차 구조에 의한 식물 발달 조절 연구
관다발 식물이 지상에 정착하는데 필요한 조절 기작의 핵심이 RNA 결합 단백질에 의한 RNA 이차 구조의 형성이며, 이 기작이 진화적으로 보존되어 있다는 사실을 처음 규명하였다. 본 연구실에서 규명한 RNA 결합 단백질과 RNA 이차구조의 상호작용이 관다발 조직의 발달 과정에서 어떠한 내재적/외재적 조절을 받으며, 전사 후 조절 및 번역 조절 과정을 매개하는지에 대한 유전학적, 생화학적, 생리학적 연구의 일부를 수행할 있다.

(3) 식물 생장 호르몬을 통한 병 저항성과 식물 생장의 상관관계 연구
식물은 환경 스트레스 (가뭄, 홍수 및 기온 변화) 및 병충해에 의해 생산량이 현저하게 감소한다. 따라서 식물의 생장 속도를 극대화 하고 동시에 환경 스트레스에 저항성을 갖는 새로운 작물의 개발이 필요하다. 우리는 식물의 발달과정에 관여하는 식물 호르몬의 신호전달을 조절하는 다양한 인자를 통한 식물의 면역반응과 환경 스트레스 저항성 활성화 기작을 규명하고 있다.