한빛사 인터뷰
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
단백질 순수 정제를 통한 단백질-단백질 상호작용(Protein-protein interaction, PPI) 연구는 생물학적 과정에서 단백질들이 서로 강하게 결합하거나 상호작용함을 직접적으로 검증함으로써 생물학적 메커니즘을 밝히는 학문입니다. 단백질은 생명체의 구성과 기능에 가장 필수적인 고분자 유기물로써 효소, 호르몬, 구조적 단백질, 면역 체계의 주요 구성 요소로 작용합니다. 이러한 단백질은 세포 내에서 단독으로 기능하는 경우는 매우 드물며, 상호작용을 통한 단백질 활성 조절, 단백질 안정성 조절, 신호 전달, 물질 대사, 유전자 발현 조절 등 다양한 생명 현상을 조정하므로 단백질간의 상호작용을 동정하고 검증하며 그 기능을 연구하는 것은 생명 활동 메커니즘의 이해 확대를 넘어 질병 메커니즘을 규명하고 이를 통한 신약 개발에 기반이 될 수 있습니다.
단백질이 생명 활동에 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀진 것은 불과 20세기 초였으며 2000년대 초 인간 게놈 프로젝트 이후 단백질 상호작용 대한 연구가 활발히 이루어지기 시작하였고 현재에는 고해상도 단백질 구조 분석 기술과 더불어 AI 소프트웨어를 통한 단백질 상호작용 검증 및 예측이 가능해지고 있습니다. 하지만, 단백질을 순수 정제하여 시험관내에서 직접적 결합성을 확인하거나 세포 내 유전자 조작을 통한 세포 내 단백질 상호작용 분석은 대체 될 수 없는 필수불가결한 실험 요소 입니다. 뿐만 아니라, AI 기술의 발달로 단백질 상호작용 스크리닝 방법이 발전하고 있는 것은 사실이지만 아직까지 구축된 데이터베이스를 기반으로는 정확한 단백질 상호작용 예측 및 검증이 어렵다는 점에서 생화학 실험 기술 기반의 단백질 정제 및 상호작용 연구는 현재까지도 가장 중요한 핵심 분야 입니다.
발전하는 현대 기술과 생화학 기반의 실험체계가 잘 어우러져 발달 된다면 수 많은 PPI를 빠른 시간 내에 동정하고 그 생물학적 기능을 탐구 함으로써 각종 질병에 대한 치료제 개발에도 앞장 설 수 있는 분야가 될 것이라 생각합니다.
본 연구에서는 인간 세포 내 존재하는 서로 다른 6개의 히스톤 H3 라이신 4 (Histone H3 lysine 4, H3K4) 메틸화 단백질 복합체 (KMT2 family) 중에서 MLL2 복합체의 non-histone 타겟 단백질의 존재를 동정하고자 하였습니다. 이를 위해 Tagging된 MLL2 단백질을 chromosome 상에서 stably 발현하는 인간 세포 주를 제작하여 단백질을 정제하였으며 질량 분석을 통해 나온 후보단백질 중 단백질 아르기닌 메틸화 효소 1 (Protein arginine methyltransferase 1, PRMT1)을 강한 결합 단백질로 선정하여 일련의 실험을 수행하였습니다. 순수 정제한 intact 단백질뿐만 아니라, 유전자 클로닝을 통한 단백질 조각화를 통해 단백질 상호작용 구역을 동정하였으며 나아가, PRMT1 단백질에 의한 MLL2 단백질 메틸화를 동정하였습니다. 이러한 일련의 실험을 진행하며 박테리아, 곤충, 인간 세포로부터의 단백질 정제, 유전자 클로닝을 통한 단백질 조각화 및 활성 조절, 세포 배양과 유전자 조작을 통한 세포 주 제작 및 세포 실험 등 생화학의 핵심 실험 기술들을 습득하고 이를 통해 데이터를 창출 할 수 있었습니다. 연구자의 손으로 직접 조작한 유전자를 가지고 세포 배양을 통해 원하는 단백질을 정제하고 이를 이용하여 실험을 진행한다는 것은 novel하지는 않지만 noble한 연구이지 않나 생각합니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
저는 카이스트 생명과학과, 진핵세포 전사 연구실에서 김재훈 교수님의 지도아래 박사학위를 받았습니다. 저희 연구실은 생화학 기반의 연구에 초점을 두고 있으며 단백질 정제, chromatography를 통한 순수 정제, 단백질 조작 및 활성 조절 등 단백질의 상호작용 및 활성 연구에 초점을 두고 있습니다. 나아가, 순수 정제된 단백질을 통해 chromatin을 시험관내에서 직접 assembly하고 이를 활용하여 in vitro transcription assay를 수행 함으로써 특정 히스톤 변형 (Histone modification)에 대한 심도 있는 연구를 수행할 수 있습니다. 뿐만 아니라 세포 배양과 유전자 조작 기술을 통한 세포 주 제작 등 인간 세포 배양을 통해 in vitro 실험 결과를 세포 내에서도 분석하는 시스템을 구축하고 있습니다. 훌륭하신 교수님 지도아래 우수한 인재들과 함께 연구를 해나갈 수 있는 환경이 갖추어져 있다고 생각합니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
단백질을 연구하는 연구자로써 기본적인 박테리아 발현 시스템을 넘어서 곤충 세포 배양을 이용한 baculovirus expression system, 인간 세포 주 제작을 통한 intact 단백질 복합체 정제 그리고 매뉴얼 chromatography와 FPLC 사용을 통한 단백질 순수 정제 기술을 습득하였으므로 어딜 가서든 단백질 정제에 관해선 전문적인 지식을 가지고 있다고 얘기할 수 있다는 점에서 자부심을 느낍니다. 뿐만 아니라 정제된 단백질을 이용하여 굉장히 tricky한 assay도 (ex. Chromatin assembly, transcription assay etc.) 수행 할 수 있다는 점에서 항상 보람차다고 느낍니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
생명과학이란 학문에는 많은 분야가 있으며 그 중에서 자신이 선택한 길이 어떠한 이유건 끝까지 갈 수 있는 선택을 했으면 합니다. 생명과학자로써 박사학위를 받는다는 것은 결코 쉬운 길이 아니라는 것을 잘 알고 있으시겠지만 도착점에 도달하는 속도는 크게 중요하지 않다고 생각합니다. 많은 경험을 하고 배우고 느끼며 다른 분야 보다 늦을 수 있지만 그 과정에서 ‘왜’, ‘어떻게’ 라는 목적과 방법에 대한 심도 있는 고찰과 이해를 수행했다면 본인이 선택한 길이 정답이지 않을까 싶습니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
단백질 연구와 관련된 신약 회사에서 신약 개발 연구를 하고자 합니다. 현재 단백질-단백질 상호작용 확인을 통한 질병 메커니즘 규명, 단백질 상호작용을 억제하는 저분자 억제제 및 차단 기술을 통한 암세포 치료 및 면역질환 치료제가 개발되고 있습니다. 박사 학위 동안 학문적 연구를 수행하였다면 이제는 산업적 연구를 수행하고 싶습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
대학원 입학부터 6년 동안 진행해 왔던 프로젝트가 엎어지고 박사 학위의 꿈이 크게 무너졌을 때 포기하지 말라며 응원해준 주변 지인 분들께 감사의 인사를 드리며 다시 시작한 프로젝트로 좋은 논문 낼 수 있게 끝까지 지도해주신 저희 김재훈 교수님께 감사의 인사 드립니다.
그리고 긴 박사학위 기간 동안 항상 옆에서 지켜준 저의 가족, 행복을 충전해준 제 와이프에게도 고맙다는 말 드립니다.
다시 돌아봐도 쉽지 않은 여정이었지만 저에겐 20대 청춘을 바친 정말 뜻 깊고 의미 있는 시간들이었습니다. 박사학위를 준비하는 후배들에게 항상 힘내고 포기하지 말라는 말 전하고 싶습니다.
#Biochemistry
#Protein purification
#Protein-protein interaction (PPI)
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