크로마틴 생물학 연구실은 한국과학기술원 생명과학과 소속으로 2006년에 개설되었다. 본 연구실은 줄기세포를 포함한 여러 세포 모델을 바탕으로 크로마틴의 구조와 유전자 발현에 영향을 미치는 크로마틴 리모델러 등의 후성유전인자, 히스톤 코드를 포함한 후성유전학적 표지들과 줄기세포의 자기재생, 전분화능 사이의 상관관계와 그 조절 기전 연구를 주요 과제로 삼고 있다. 연구책임자는 한국과학기술원 생명과학과를 졸업하고 동 대학원에서 박사학위를 받았다. 이후 미국 Penn State University와 Stowers Institute에서 박사후 연구를 통해 후성 유전학과 크로마틴 생물학에 대한 연구를 수행하였으며 특히 프로테아좀이 단백질 분해 뿐만 아니라 유전자의 전사에 관여하는 non-proteolytic function이 있음을 규명했다. 후성유전학과 크로마틴 생물학에 대한 연구 경험을 바탕으로 본 실험실에서는 줄기세포의 자기 재생과 전분화능 유지와 관련된 후성유전인자와 그 조절 기전에 관한 연구를 활발히 진행하고 있다.

1. 연구의 배경

지금까지의 연구 결과에 따르면 후성유전인자들이 줄기세포의 자기 재생과 전분화능 유지 및 조절에 매우 중요한 역할을 수행한다는 사실이 알려졌다. 최근에는 후성유전학적 표지인 히스톤 코드, DNA 메틸화 등과 이를 형성하고 제거하는 효소들뿐만 아니라 크로마틴 구조를 변화시키는 크로마틴 리모델러도 줄기세포의 특성을 유지하는 역할이 있다는 사실도 알려지고 있다. 따라서 이런 결과를 바탕으로 우리 연구팀은 후성유전 인자를 통한 크로마틴 구조와 후성유전학적 표지의 조절이 줄기세포의 전사 조절 및 줄기세포능의 유지를 어떻게 제어하는지에 대한 연구를 활발하게 진행하고 있다.

2. 후성유전인자와 줄기세포 성장 조절 유전자 연구의 중요성

유도만능줄기세포(iPSC)의 주요 인자인 LIN28은 줄기세포의 자기재생과 전분화능 그리고 분화와 발달과정을 조절하는 데 중요하며, 세포성장 조절에 결정적인 c-Myc 유전자 발현을 조절하여 줄기세포뿐만 아니라 암세포의 조절에도 관여한다. LIN28은 대표적인 마이크로 RNA인 let-7 마이크로 RNA의 성숙과정을 조절함으로써 세포성장을 조절하는 것으로 알려져 있다. 많은 세포 내 단백질은 메틸화, 아세틸화와 같은 번역 후 변형(post-translational modification)을 통해 역할이 조절되는데, 전분화능 단백질들도 이런 번역 후 변형에 의해 그 역할이 조절될 것이라 예상할 수 있으나 그에 대한 연구가 많이 진행되지 않았다. 따라서 줄기세포의 특성을 잘 이해하기 위해서는 이런 LIN28과 같은 전분화능 단백질의 기능 조절 기전에 대한 연구가 매우 중요한 과제라고 생각한다.

3. 크로마틴 리모델러와 줄기세포 전분화능 연구의 중요성

DNA는 히스톤과 함께 뉴클레오좀 구조를 형성하며, 이 뉴클레오좀에 형성 및 제거되는 히스톤 변형과 이를 인지하는 다른 후성유전인자들에 의해 유전자 발현이 조절된다. 일반적으로 뉴클레오좀을 구성하는 히스톤은 유전자의 전사를 방해할 수 있기 때문에 뉴클레오좀 및 크로마틴 구조의 변형과 형 성 과정을 적절하게 조절하는 기전이 필요하다. 이런 역할을 수행하는 후성유전인자 중의 하나가 크로마틴 리모델러이다. 줄기세포의 경우 전분화능과 자기재생을 유지하는 동시에 분화되지 않도록 관련 유전자군의 매우 정교한 발현 조절 기전이 필요하기 때문에, 유전자 발현을 조절에 중요한 크로마틴 리모델러가 줄기세포의 자기재생과 전분화능을 유지하는데 기능이 있을 것이라고 예상할 수 있다. 실제로 최근 연구결과에 의하면 크로마틴 리모델러의 일종인 Chd1과 Ino80가 줄기세포의 전분화능과 자기재생 유지에 역할을 수행한다는 사실이 알려졌으며 이를 바탕으로 크로마틴 리모델러가 줄기세포의 특성 유지에 중요한 기능이 있을 것이라 생각할 수 있으며, 구체적인 분자적 기전에 대한 연구 또한 중요한 연구 주제가 될 것이다.

4. 연구 결과 및 향후 계획

1. SET7/9에 의한 LIN28A의 메틸화와 이를 통한 let-7 마이크로 RNA 조절 연구

본 연구팀은 전분화능 관련 단백질에 대한 스크리닝을 통해 LIN28A이 히스톤 모노메틸화 효소인 SET7/9에 의해 메틸화 된다는 사실을 확인했다. 흥미로운 사실은 이 메틸화를 통해 LIN28A 단백질의 안정도가 증가하며 가변적으로 핵 내 특정 부위로 집중된다는 사실을 확인했다. 이 메틸화 된 핵 내 LIN28A 은 let-7 마이크로 RNA 성숙 단계의 중간체 중 하나인 핵 내 pri-let-7과의 다중결합체 형성을 촉진함으로써 핵 내 let-7 마이크로 RNA의 성숙을 더욱 저해하고 이를 통해 줄기세포의 분화를 막는다는 분자적 기전을 확인할 수 있었다. 실제로 인간 배아줄기세포에서 SET7/9와 LIN28A의 knock-down했을 경우, 성숙한 let-7 마이크로 RNA에 의해 발현이 조절되는 표적 유전자들의 발현양상이 매우 유사하다는 사실을 전유전체 발현 조사를 통해 통계적으로 확인하였고 초기 줄기세포 분화마커들의 발현이 증가한다는 사실을 관찰했다.
이는 기존에 알려진 텃효소(TUTase)-의존적 let-7 마이크로 RNA 성숙과정 저해 기전뿐만 아니라 핵 내에서 SET7/9에 의한 메틸화를 통해 텃효소(TUTase)-비의존적으로 let-7 마이크로 RNA 성숙과정을 저해한다는 분자적 기전을 새롭게 규명하였고, 이를 통해 실제 줄기세포에서 전분화능을 유지하고 분화를 저해한다는 사실을 입증했다. 후성유전인자인 SET7/9이 LIN28A의 메틸화를 통해 마이크로 RNA의 생성과정을 조절함으로써 줄기세포의 전분화능을 유지할 수 있다는 사실을 바탕으로 다른 후성유전인자 역시 줄기세포의 전분화능을 정교하게 조절하는 역할을 할 것이라고 예상할 수 있으며 이와 관련된 후성유전인자와 LIN28과 같은 전분화능 단백질, 그리고 let-7 마이크로 RNA의 생성에 관련된 연구를 지속적으로 진행할 예정이다.

2. CHD 군의 크로마틴 리모델러의 줄기세포능 조절 연구

본 연구팀에서는 크로마틴 리모델러 중 CHD 군에 포함된 단백질들의 줄기세포의 기능을 알아보기 위해 NGS(Next Generation Sequencing)기술을 기반으로 전유전체 발현의 변화를 비롯하여 뉴클레오좀, DNA 메틸화 등 후성유전학적 표지들의 변화에 대한 연구를 진행하고 있다. 실제로 CHD 군의 크로마틴 리모델러가 knock-down된 줄기세포에서 NGS를 통해 후성유전학적 표지와 전유전체의 발현을 확인했을 때 대조군에 비해 통계적으로 유의미한 변화가 생김을 확인했다. 향후 줄기세포에서 CHD 단백질을 통해 이루어지는 후성유전학적 표지와 유전자 발현 양상 변화의 상관관계와 그 조절 기전에 대한 지속적인 연구를 수행할 예정이다.

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