단백질 다이나믹스 연구실(Protein Dynamics Laboratory, PDL)

단백질 다이나믹스 연구실(Protein Dynamics Laboratory, PDL)은 서울대학교 의과대학 생화학교실 및 의과학과에 소속되어 있습니다. 연구실은 연구관 419호에 위치하고 있으며, 저를 포함한 1명의 연구교수, 1명의 박사 후 연구원, 5명의 대학원생, 1명의 연구원이 식구를 이루어 열심히 공부하고 있습니다. 연구는 주로 단백질의 분해 기작을 중심으로 하고 있는데, 정제된 재조합단백질을 이용한 생화학적 실험과 배양세포를 이용한 세포생물학적 접근이 주를 이루고 있습니다. 특히, 퇴행성뇌질환의 병인이 되는 침전성 단백질의 제거에 관한 분자기작을 다각도로 파악함으로써, 질병의 이해 및 치료에 기여하고자 합니다. 연구실은 제가 하버드의대에서 최초 부임한 경희대학교 응용화학과에서 2011년에 최초로 설립되었습니다. 2015년 서울의대로 제가 이직하면서 학생과 연구의 수준이 많이 성장하였다고 생각합니다.

저희 연구실의 연구분야는 크게, 1) 단백질 분해 매커니즘의 생화학적 이해, 2) 이를 바탕으로한 퇴행성 뇌질환의 치료 및 예방으로의 적용입니다. 유비퀴틴-프로테아좀 시스템 (2004년 노벨상) 및 오토파지 시스템 (2016년 노벨상)의 발견을 통하여 생명체가 가지는 단백질 분해의 시공간적 조절 기능이 인간의 건강과 질병에 핵심적으로 기여함이 알려지게 되었습니다. 그러나, 고령화 시대에 그 위험성이 더 커지고 있는 단백질대사 이상질환의 대부분은 정확한 발병 기전이 아직 밝혀지지 않아서, 이의 예방 및 근본적인 치료 방법이 아직 개발되지 않은 상황입니다. 예를 들어, 알츠하이머 병의 경우 대표적인 병리적 특징으로 베타아밀로이드(beta-amyloid) 단백질과 타우(tau) 단백질의 비이상적 축적과 응집이 뇌 속에서 관찰됩니다. 이 과정에서의 세포 내 변화와 알츠하이머 환자의 인지기능이 저하가 밀접히 관련되어 있다고 생각되고 있습니다. 최근 베타아밀로이드를 표적으로 하는 약물의 개발이 대규모 임상시험에서 실패로 끝나면서, 타우를 중심으로 하는 치료적 접근과 기전의 연구가 활기를 띠고 있습니다. 저희 연구실에서는 수년간 타우 단백질의 변형과 분해, 응집을 막는 생화학적 기작을 집중적으로 연구하고 있으며, 저희의 연구결과가 타 연구자의 연구에 도움이 되어 치매 치료의 새로운 접근법 개발에 기여하고자 희망하고 있습니다.

본 연구실에서 관심을 가지고 있는 단백질 분해의 핵심적 기관은 프로테아좀(proteasome)이라는 거대단백질중합체입니다. 과거, 프로테아좀의 활성을 증대시키는 저분자화합물을 개발하기도 하고, 활성이 증대된 형태의 변형프로테아좀을 개발하기도 하여, 세포 안에서 비이상적으로 축적된 타우 단백질을 선택적으로 제거할 수 있음을 증명하였습니다 (Nature 2010, Nature Communications 2016). 또한, 인간프로테아좀을 안정세포주에서 정제하고 세포 내로 전달하는 방법을 개발하여 타우 단백질의 응집과 독성을 늦출 수 있었습니다 (Nature Communications 2014). 올리고머 형태의 타우 단백질의 직접적인 용해를 시도하고자, 타우 단백질에 선택적으로 결합하는 압타머(aptamer)를 동정하여 신경 세포내의 단백질 응집을 억제하는 결과를 얻었습니다 (Molecular Pharmaceutics 2016 등). 그러나 프로테아좀의 활성 변화는 또 다른 단백질 분해 기작인 자가포식(autophagy) 활성이 변한다는 사실을 발견한 이후로 프로테아좀과 자가포식을 통한 단백질 분해 기작의 종합적인 변화에 관심을 갖게 되었습니다 (Cell Reports, in revision). 현재는, 또한 타우 단백질의 번역후 수식화 (post-translational modification) 과정을 시험관에서 구현하는데 성공함으로써, 타우 단백질의 분해저해와 침전의 근원적인 이유를 연구하고 있습니다.

위의 연구내용에서 보시듯이 저희 연구실은 생화학, 세포생물학, 신경과학, 뇌과학 등 의생명과학의 다양한 분야의 핵심기술을 사용하고 있으며, 다양한 공동연구를 통하여 새로운 방법론과 연구론을 적극 받아들여 연구에 적용하고 있습니다. 기초와 임상을 아우르는 다층적 수준의 연구를 통하여, 궁극적으로 치매치료를 위한 이론적 토대를 마련하고자 합니다. 본 연구실에는 저와 공동의 목표를 가지고 있는 대학원생과 연구원들이 밤낮없이 연구에 몰두하고 있습니다. 제가 하는 일은 그저, 연구하는 과정에서 생기는 어려움(정신적, 기술적, 학문적)을 덜어주는 것이라고 생각합니다. 고단한 과정에서도 묵묵히 자신의 능력을 확장시켜나가는 연구원들께 이 자리를 빌어 감사의 마음을 전합니다. 바라컨데, 자신이 수립한 연구가설을 증명해 나가거나, 지적 호기심을 확장하는 일, 공부를 통해서 자신이 성장하는 일들이 다른 직업을 통해서는 얻을 수 없는 굉장히 소중한 것임을 알아주시기 바랍니다.

저희 단백질 다이나믹스 연구실은 서울대학교 의과대학을 비롯한 국내외 여러 대학 및 연구소와 다양한 분야의 연구자들과 긴밀한 공동 연구 및 연구협력 활동을 수행하고 있습니다. 이 글을 빌어서, 생화학교실과 서울의대, 총동창회(창의선도신진연구자 사업). 그리고 여러 공동연구자분들께 진심어린 감사의 말씀을 전합니다. 열심히 연구하여 보답하도록 하겠습니다.