BioLab
서울대학교 유전체엔지니어링 연구실
김진수 교수
연구실 소개
연구실 홈페이지우리 연구실은 DNA에 결합하는 zinc finger protein에 대한 연구를 바탕으로 Genome Engineering이라는 새로운 분야를 개척하고 있다. Zinc finger protein은 인간과 동물, 식물을 포함한 모든 진핵생물의 세포에 다수 존재하는 단백질로서 주로 특정 염기서열 DNA에 결합하여 유전자의 발현을 조절하는 전사인자(transcription factor)의 역할을 수행한다.
우리는 지난 10여년 간의 연구를 통해 zinc finger protein과 DNA 상호작용의 규칙을 파악했으며 이를 바탕으로 어떠한 주어진 DNA 염기서열에 대해서도 이에 특이적으로 결합하는 새로운 DNA-binding protein을 만들 수 있게 되었다. 이를 이용해 인공 전사인자(artificial transcription factor)를 만들어 특정 유전자의 발현을 촉진시킬 수도 있고 반대로 억제할 수도 있으며 특정 염기서열을 갖는 DNA를 절단하는 “유전자 가위”를 만들어 세포 내에서 유전자 염기서열을 마음대로 편집할 수 있다. 우리는 이러한 방법을 유전학, 생명공학 및 분자의학에 활용하여, 유전병의 원인이 되는 돌연변이를 교정하거나 각종 동물, 식물 및 배양세포의 형질을 개선하기 위해 유전체를 엔지니어링 하는 연구를 수행하고 있다.
연구분야
유전자 스위치
모든 세포에 다수 존재하는 전사인자들은 특정 유전자로부터 단백질이 만들어지는 과정(이를 전사 과정이라 한다)을 촉진하거나 억제하는 “유전자 스위치”의 기능을 수행한다. 전사인자들은 일반적으로 두 개의 서로 다른 역할을 하는 부분들로 구성되어 있다. 그 하나는 zinc finger와 같이 DNA를 특이적으로 인식하는 부분(이를 DNA결합 도메인이라 한다)이고 다른 하나는 여러 종류의 단백질들과 상호작용하여 전사를 촉진하거나 억제하는 기능을 담당하는 부분(전사조절 도메인)이다. 이 두 부분은 조립식으로 구성되어 있어서 서로 다른 전사인자들로부터 유래하는 DNA결합 도메인과 전사조절 도메인을 연결해 인공적인 전사인자를 만들 수 있다. 자연계에 존재하는 전사인자들이 수 천, 수 만 개의 유전자들 가운데 특정한 유전자들에만 작용하는 이유는 바로 각각의 전사인자들이 서로 다른 DNA결합 도메인을 가지고 있기 때문이다. DNA결합 도메인은 특정한 유전자의 염기서열을 인식하여 그 장소에 결합 함으로서 전사인자가 그 유전자에만 작용하도록 유도한다.
우리는 전사인자의 조립성 구조에 착안하여 맞춤형 전사인자를 만들어 원하는 유전자를 마음대로 조절하는 방법을 개발하는데 성공했다. 즉 주어진 DNA 염기서열에 특이적으로 결합하는 zinc finger protein을 새롭게 만들고 이를 전사조절 도메인에 연결하여 맞춤 전사인자를 만드는 것이다. 이 방법을 이용하면 각종 미생물, 동물, 식물 세포 내에 존재하는 수 많은 유전자들 가운데 원하는 유전자를 선택해서 임의대로 조절할 수 있다.
“유전자 가위”를 이용한 유전체 편집 (genome editing)
유전자 가위는 맞춤형 zinc finger protein에 DNA를 절단하는 효소를 연결하여 만든 zinc finger nuclease(ZFN)를 의미한다. 유전자 가위는 동물, 식물 세포의 유전체에서 특정 염기서열을 인식하여, 마치 가위가 실을 자르듯이, DNA를 자른다. DNA는 이중나선이기 때문에 이때 생성된 절단 부위를 double strand break(DSB)라고 하는데 모든 세포들은 DSB를 효과적으로 수선하는 내재적인 기능이 있다. 유전자의 교정이나 편집은 바로 이러한 내재적 수선 과정을 이용한 것이다. 즉 ZFN에 의해 유전체의 한 장소에 DSB가 생기면 세포가 이를 고치는 자발적인 과정에서 연구자가 원하는 변이를 일으킬 수 있다. 이 방법을 이용하면 세포 내에 존재하는 수만 개의 유전자 중 하나를 선택하여 일부러 망가트릴 수도 있고 반대로 고장 난 유전자를 고칠 수도 있다. 예를 들어 질병을 초래하는 유전자에 돌연변이를 일으켜 그 유전자에 의해 지정되는 단백질이 제대로 만들어지지 않게 할 수도 있고 기능을 모르는 유전자를 일부러 망가트린 후 그 효과를 관찰함으로써 그 유전자의 기능을 추정하는 유전학 연구수단으로 활용할 수 있다. 또한 각종 가축, 작물의 특정 유전자 염기서열을 편집하여 형질이 개선된 개체를 만들 수 있다.
우리 연구실은 자체적으로 또는 외부와의 공동연구를 통해 아래와 같이 유전학, 생명공학, 분자의학의 다양한 분야에서 신기원을 개척하고 있다.
- 인간 체세포의 역분화를 통한 분화만능 줄기세포 제조
- 유전자 스위치를 이용한 세포의 분화 조절
- 유전자 가위를 이용한 배양 세포의 유전자 교정
- Zebra fish, C. elegans 등 연구용 동물과 Arabidopsis 등 연구용 식물에서 특정 유전자를 파괴하는 새로운 유전학 연구 방법 개발
- 유전자 교정을 통한 질병 내성 가축 개발
- 토마토, 벼 등 식용 식물의 유전자 편집을 통한 고부가가치 작물 개발
연구성과
2004년 이후 대표논문
연구실 구성원
하고싶은 이야기
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