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황재연
황재연(Jae Yeon Hwang) 저자 이메일 보기
Yale School of Medicine
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231 KB
  CV updated 2022-02-03 09:05
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C2cd6-encoded CatSperτ targets sperm calcium channel to Ca2+ signaling domains in the flagellar membrane

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

지구상의 생명체들은 성체가 된 이후 번식 과정 (Reproduction)을 통하여 자신의 자손을 생산하고 후대에 유전정보를 전달하게 됩니다. 번식 과정의 시작점은 남성의 반수체 (haploid) 생식세포인 정자 (sperm)가 여성의 생식세포인 난자 (oocyte)를 만나 수정을 하면서 시작합니다. 인간을 포함한 포유류의 정자는 암컷의 생식기도 (reproductive tract)에 사출 된 후, 고농도의 bicarbonate와 albumin, 그리고 생식기도를 따라 점진적으로 증가하는 pH의 환경에 노출이 됩니다. 여성의 생식기도의 환경을 인지한 정자는 수정능 획득 (capacitation)과정을 겪게 되며, 이는 정자 내 pH와 Ca2+ 농도가 증가를 통한 과활성화 운동 (hyperactivated motility)의 발달을 유발합니다. (Fig 1A).

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과활성화 운동은 정자가 여성의 생식기도 내의 다양한 장애물을 뚫고 성공적으로 난자가 위치한 난관의 팽대부 (ampulla)까지 도달하여 난자의 투명대 (zona pellucida)를 뚫고 최종적으로 수정을 이루도록 합니다 (Fig 1B). 이러한 특이한 운동성의 발달은 정자의 편모 (flagellum)에 4개의 선형 구조로 배열된 정자 특이적인 채널인 CatSper에 의한 Ca2+ 유입에 의하여 가능하게 되며 CatSper 채널의 결핍은 결국 남성의 불임을 유발합니다 (Fig 2).

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본 연구에서 저는 CatSper 채널이 어떻게 해서 정자의 편모로 운반 (targeting)이 되고, 독특한 선형구조를 이루는가에 대하여 알아보았습니다. 저는 CatSper 채널과 연관되어 있는, 막 연관 도메인인 C2 도메인을 포함한 CatSperτ (CatSper Targeting) 라는 단백질을 이번 연구를 통하여 처음 보고하였습니다 (Hwang et al., 2022, Cell Reports). CatSperτ의 기능상실 (loss-of-function) 생쥐 모델은 불임과 정자의 비정상적인 과활성화 운동의 발달을 유발하였습니다. 이는 정소 내 반수체 생식세포의 편모 발달 과정에서 CatSper 채널의 비 정상적인 편모 운반에 의함을 확인하였습니다. 아울러 저는 체외 모델 (heterologous system)과 정소에서의 CatSperτ 연관 단백체 (interactome) 분석을 통해 CatSperτ가 생식세포 내의 섬모 운반 (ciliary trafficking) 관여 단백질과 CatSper 채널을 연계하여 발생 중인 편모로 운반시킴을 알 수 있었습니다 (Fig 3). 일련의 연구는 정자 편모 및 운동 섬모 (motile cilia)의 막 단백질 운반 기작에 대한 이해를 도울 것으로 예상됩니다.

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최근 20년 동안의 형질전환 동물 생산 기술과 sequencing 기술의 발달은 정자의 연구 분야에도 크게 영향을 미쳐왔습니다. 정소 특이적인 다양한 유전자의 기능에 대한 연구는 최근 10년 사이에 CRISPR/Cas9 기술을 이용한 생쥐모델의 연구를 통하여 그 기능이 밝혀 왔습니다. 아울러 whole exome sequencing 기술의 발달은 2010년도 이후 그 동안 밝혀지지 않은 남성 불임에 있어 다양한 유전적 병인을 찾아내고 있습니다. 정자는 전사 (transcription)과 번역 (translation)이 이루어지지 않으며, 체외 연구 모델을 통한 그 기능의 확인이 굉장히 제한적입니다. 따라서 불임 환자의 유전체 분석으로부터 발굴된 돌연변이를 대상으로 그 유전적 병인의 검증 및 해당 유전자의 남성 생식세포의 발생 및 기능에 있어서의 연구가 더욱 활발하게 이루어질 것으로 예상됩니다.

아울러 한국에서는 조금 생소 할 수 있지만, 최근 3년 간의 학회 지원 기관과 연구 과제 등을 살펴 보면, 미국 내에서는 남성의 피임약 개발을 향한 정부와 사설 기관의 지원이 눈에 띄게 증가한 것이 가장 큰 특징입니다. 이는 자연스럽게 많은 정자 연구진들이 기존에 밝혀진 다양한 막 단백질과 정자의 발생에 중요한 단백질을 대상으로 남성 피임약 개발에 뛰어들게 만들었습니다. 따라서 결국 다양한 정자의 단백질에 대한 체외 연구 모델 확립과 이를 이용한 drug screening에 대한 연구가 향후 본격적으로 진행될 것으로 예상됩니다. 제가 이번에 발표한 논문 역시 CatSper 채널의 편모 운반 기작을 밝힘으로써 CatSper 채널의 체외 모델 확립에 기여했다고 생각하고 있습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

저는 현재 Yale School of Medicine의 Department of Cellular and Molecular Physiology에 소속되어 있습니다. 저희 학과는 physiology 분야에서 오랜 기간 동안 큰 기여를 한, 역사가 깊은 학과로, 현재까지도 많은 교수님들께서 다양한 biological system에서 ion channel과 membrane receptor에 관한 연구를 수행하고 계십니다. 이곳에서의 지난 5년의 경험을 바탕으로 생각해 보면, 학과 내 연구 분야의 다양성은 제가 연구를 수행하고 확장을 해 나가는데 굉장히 큰 도움이 되었습니다. 대표적으로 저희 학과에서는 학기 중 2 주에 한 번씩 research in progress talk (RIP talk)을 진행하는데, 학과의 대학원생과 postdoc들이 본인들의 연구 성과 및 진행에 대한 발표를 학과 구성원들 앞에서 하게 됩니다. 저의 경우 비록 학과 내에서 reproductive biology를 하시는 분들이 계시지 않지만 다양한 분야에서 ion channel을 연구하시는 교수님들께서 새로운 관점으로 질문과 코멘트를 해 주셨고 연구를 한 단계 성장시키는데 굉장히 큰 도움이 되었습니다. 또한 학과 교수님들께서 대학원생 뿐만이 아니라 postdoc들의 향후 진로에 대해 같이 고민해 주시고 조언을 주시는 등 연구 이 외에도 커리어에 대한 도움을 주시는, 따듯한 분위기의 학과라고 할 수 있습니다.

학과 내에서 제가 소속되어 있는 정진주 교수님의 연구실에서는 sperm의 ion channel인 CatSper에 대한 연구를 중점적으로 수행해 왔으며, 현재는 그 분야를 확장하여 sperm biology에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 지금은 저를 포함한 4명의 postdoc이 정진주 교수님의 지도 하에 랩에서 활발하게 연구를 수행하고 있습니다. 학과 교수님들의 전반적인 분위기와 마찬가지로 저의 멘토이신 정진주 교수님께서도 postdoc들의 career와 연구 수행에 대하여 끊임없이 함께 고민해 주시고 지도해 주시며 먼저 더 많은 도움을 주시려 노력해 주십니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

제가 정진주 교수님의 연구실에 처음 합류를 한 2016년 당시는 저희 연구실이 시작된지 1년이 채 되지 않은 시점이었습니다. 스타팅 멤버로써 저희 선생님과 함께 때론 힘들었지만 그래도 좋아하는 과학과 연구를 즐겁게 수행 하면서 제가 소속된 랩이 성장하는데 있어 기여했고, 그 시간 동안 스스로 학문적으로 더 성장했다는 것이 지금 시점에서 가장 뿌듯하게 느끼는 부분입니다.

연구 자체에 있어서 정진주 교수님 께서는 sperm biology에 있어서 학계 내의 동료 교수님들이 경외심 (admire)을 표현하는 만큼 단단한 과학을 학계에서 보여주고 계십니다. 정진주 교수님과 함께 연구의 수행과 논문의 출판을 반복하면서 결국 정확하고 옳바르게 과학을 수행하고, 이를 바탕으로 학계의 발달에 기여한 것이 제게 있어 과학자로서의 가장 큰 자부심이자 기쁨 이라고 할 수 있겠습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

한국에서 학위를 마치시고 해외에서 postdoc 생활을 막 시작하신 분들에게 조금 드리고 싶은 말씀이 있습니다. 시작 초기에 너무 조바심을 느끼고 과도한 스트레스를 받지 않으셨으면 좋겠습니다. 새 연구실에서 새 연구 주제를 충분히 이해하고 주변의 시스템과 환경에 적응을 하는데에는 시간이 드는 것이 자연스러운 일입니다. 예를 들어 참 희한하게도 학위를 하던 랩에서는 늘 되던 PCR이며 blot이며 왜 이곳에서는 안되는 경험도 있을 수 있습니다. 개인적으로 저는 정말 그럴 때 마다 “미국이라 물이 다른가… 아닌데.. 3차수는 같은 회사인데…” 이런 생각을 해본 적도 있었던 것 같습니다. 하지만 차츰 시간이 지나면서 환경에 적응하고 시스템에 적응을 하고 다시 productivity가 확 증가하는 것을 개인적으로 느꼈던 것 같습니다.

결국 시간이 지나 돌이켜 보니 productivity는 bacterial culture와 비슷 하게 linear 하게 증가되는 것이 아니라 log phase로 증가한다는 생각을 하게 되었습니다. 같은 시간을 투자해도 처음에는 눈에 띄는 성과가 바로 보이기 어려울 수도 있습니다. 하지만 그 시간 투자가 절대 의미가 없지 않음을 말씀드리고 싶습니다. 그 노력이 쌓여서 결국에는 productivity가 log phase로 진입을 가능케 할 것이라 생각합니다. 그러니 지금 당장 결과가 보이지 않는다고 스스로를 지나치게 억죄거나 너무 자책하여 금방 지쳐 버리지 마시고 긴 호흡으로 과학과 연구를 하시면 좋을 것 같습니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

이번에 소개되는 논문은 제가 학위과정에서 부터 관심있었던 “development” 분야와 밀접한 관련이 있습니다. 정자는 전사 (transcription)와 번역 (translation) 과정이 존재하지 않는 세포이기 때문에 이들의 정상적인 기능과 수정이라는 최종 목적의 도달을 위해서는 결국 정소 내의 정상적인 발달이 중요합니다. 따라서 현재는 보다 폭넓은 관점으로 정자의 편모가 어떻게 발달을 하는가에 대한 이해를 바탕으로 남성 불임에 기여할 수 있는 연구를 더 수행할 계획입니다. 아울러 정자의 편모와 체내에 존재하는 다양한 섬모 (cilia)의 구조적 특성에 착안하여 여성의 난관 (oviduct)에 존재하는 운동 섬모 (motile cilia)와 이와 연관된 여성 불임에 관한 연구 역시 수행할 계획을 가지고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

Yale에서의 지난 5년동안 멘토로서, 그리고 학계의 선배로써 처음 합류한 시점 이후 지금까지 과학자로서의 성장을 도와주신 정진주 교수님께 감사하다는 말을 가장 먼저 드리고 싶습니다. 즐겁고 제게는 더 없이 의미가 깊은 과학자로써의 여정이었고 아울러 이 연구의 수행에 큰 도움을 준 랩 동료들과 Osaka University의 Masahito Ikawa 교수님, 그리고 Yonggang Lu에게도 감사의 말을 전하고 싶습니다. 아울러 Yale에 합류한 뒤 이곳에서 많은 시간 동고동락하며 힘이 되어주신 YKBS의 박사님들과 교수님들께도 깊은 감사의 말을 전하고 싶습니다. 또한 저의 과학자로써의 시작을 있게 해 주신 이창규 교수님과 서울대학교 동물생식학 실험실의 선후배 분들과, 가학현 교수님, 윤철희 교수님, 김은배 교수님, 이승태 교수님, 박규현 교수님께도 감사의 인사를 드립니다.

마지막으로 저희 가족, 어머니와 형, 형수님, 그리고 늘 세미나에서 참조 출연 해주는 조카 서준이. 그리고 과학자로써의 성장을 누구보다 뿌듯해 하셨을 아버지께 감사의 말씀과 사랑한다는 말을 남기고 싶습니다.

#sperm #fertilization #flagellar targeting
Category: Developmental_Biology, Cell_Biology, Physiology
등록일 2022-02-16
  댓글 1
회원작성글 systemic  (2022-02-17 09:12)
축하드립니다 형!
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