바이오인

핵심내용

- 카이스트 연구팀, 배아줄기세포전사인자(LIN28A),
메틸화에의한 줄기세포 조절 기전 발견 -

□ 국내 연구진이 줄기세포 조절 단백질인 배아줄기세포전사인자(LIN28A)*의 작용 기전을 밝혔다. 이번 연구결과는 향후 줄기세포를 통한 불치병과 난치병 치료와 항암물질 개발의 새로운 표적이 될 것으로 기대된다.
* 배아줄기세포전사인자(LIN28A): 줄기세포의 자기 재생과 전분화능, 분화와 발달을 조절하는 단백질로서 줄기세포 뿐만 아니라 암세포 내에서도 역할이 있는 것으로 알려져 있음. 쥐와 인간과 같은 포유류에서는 두 가지 형태가 존재함(LIN28A, LIN28B).
o 한국과학기술원 생명과학과 이대엽 교수와 한용만 교수가 주도한 이번 연구는 미래창조과학부의 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 줄기세포 분야 국제 저명 학술지인 셀 스템 셀(Cell Stem Cell)에 12월 4일에 게재되었다.
* (논문제목) SET7/9 methylation of the pluripotency factor LIN28A is a nucleolar localization mechanism that blocks let-7 biogenesis in human ESCs
- (제1저자) 한국과학기술원 김승균 박사 (한국과학기술원 생명과학과 박사후 연구원, 현 UT Southwestern Medical Center 뇌과학과 박사후 연구원), 한국과학기술원 이호석 (한국과학기술원 생명과학과 박사과정생)
- (교신저자) 한국과학기술원 이대엽 교수 (한국과학기술원 생명과학과 부교수), 한국과학기술원 한용만 교수 (한국과학기술원 생명과학과 교수)
□ 배아줄기세포전사인자(LIN28)은 줄기세포의 전분화능과 유도만능줄기세포(iPS cell) 생산에 사용되는 단백질이며 여러 암세포의 조절과정에도 관여하는 단백질로서 렛세븐(let-7) 마이크로 RNA(miRNA) (이하 성장조절 RNA)를 조절함으로써 이런 역할을 수행하는 것으로 알려졌으나, 구체적인 조절 기전은 많이 연구되지 않았다.
※ 마이크로 RNA(miRNA) : 세포 내에서 다양한 유전자를 조절해 세포의 분화와 성장, 사멸 등의 모든 생명현상에 관여하는 RNA
□ 연구팀은 히스톤 모노메틸화 효소인 시스톤메틸화효소(SET7/9)에 의해 메틸화된 배아줄기세포전사인자(LIN28A) 단백질이 성장조절 RNA의 생성을 방해하여 줄기세포의 분화를 억제한다는 분자기전을 제시하였다.
□ 이는 기존에 밝혀진 배아줄기세포전사인자(LIN28A)가 세포질에서 텃효소(TUTase)-의존적*으로 성장조절 RNA 성숙과정을 저해하는 기전이외에도,
o 핵 내에서 메틸화에 의해 텃효소-비의존적으로 성장조절 RNA 성숙과정을 저해한다는 분자적 기전을 새롭게 규명하였고,
o 이를 통해 실제 줄기세포에서 전분화능을 유지하고 분화를 저해한다는 사실을 입증했다.
* 텃효소(TUTase)-의존적 기전: 세포질에서 텃효소(마이크로 RNA의 3’ 말단 유리딘 전이효소)가 배아줄기세포전사인자(LIN28A)에 의해 성장조절 RNA의 3‘말단에 올리고유리딘을 붙임으로써 마이크로 RNA의 성숙 대신 분해를 유도하여 성숙 성장조절 RNA의 생성을 저해하는 기전
□ 이번 연구는 배아줄기세포에서 배아줄기세포전사인자(LIN28A)의 성장조절 RNA 성숙과정 조절의 분자적 기전을 밝힌 것에 의의가 있으며,
o 배아줄기세포 뿐만 아니라 유도만능줄기세포(iPSC)와 암치료, 난치병과 불치병 치료 등의 임상단계까지 폭넓게 확장될 수 있는 기술을 확보한 것에서 중요한 의의를 지닌다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 

1. 연구 배경

유도만능줄기세포(iPSC)의 주요 인자인 LIN28은 줄기세포의 자기재생(self-renewal)과 전분화능(pluripotency) 그리고 분화(differentiation)와 발달과정(development)을 조절하는 중요하며, 세포성장 조절에 결정적인 c-Myc 유전자 발현을 조절하여 줄기세포 뿐만 아니라 암세포의 조절에도 관여한다. LIN28은 대표적인 마이크로 RNA인 let-7 마이크로 RNA의 성숙과정을 조절함으로써 세포성장을 조절하는 것으로 알려졌으나, 후성유전학적 분자 조절기전에 대한 명확한 증거가 제시되지 못하였다. 따라서 본 연구를 통해 인간 배아줄기세포에서 LIN28에 의한 let-7 마이크로 RNA 성숙과정 조절의 후성유전학적 분자기전을 명확하게 하였으며, 배아줄기세포 뿐만 아니라 유도만능줄기세포(iPSC)와 암치료 등의 임상단계까지 폭 넓게 확장될 수 있는 기술을 확보한 것에 중요한 의의를 지닌다.

 

2. 연구 내용

본 연구팀은 인간 배아줄기세포에서 히스톤 모노메틸화 효소인 SET7/9이 LIN28과 결합하여 135번 라이신을 특이적으로 메틸화 시키는 것을 발견하였으며, 이를 통해 LIN28 단백질의 안정성이 증가 및 기존에 세포질에 존재하는 것으로 알려진 LIN28 단백질이 메틸화에 해서 가변적으로 세포핵내 특정 부위에 집중된다는 사실을 밝혔다.

메틸화가 불능 LIN28 돌연변이체와 비교했을 때, 메틸화 된 핵 내 LIN28A 은 let-7 마이크로 RNA 성숙 단계의 중간체 중 하나인 핵내 pri-let-7과의 다중결합체 형성을 촉진함으로써 핵내 let-7 마이크로 RNA의 성숙을 더욱 저해하고 이를 통해 줄기세포의 분화를 막는다는 분자적 기전을 규명했다. 이는 선행연구에서 밝혀진 LIN28A이 세포질에서 텃효소(TUTase)-의존적으로 let-7 마이크로 RNA 성숙과정 저해하는 분자적 기전과 더불어 라이신 메틸화에 의해 세포질내 분자기전과 별개로 핵 내에서 let-7 마이크로 RNA의 성숙과정을 저해하는 새로운 분자적 기전을 밝혔다.

실제로 siRNA를 이용한 유전자 적중기술을 이용하여 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.

 

3. 기대효과

본 연구는 LIN28A가 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. 본 연구 결과를 통해 LIN28A에 의한 배아줄기세포의 전분화능 조절 등 줄기세포의 특성을 이해하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다. LIN28A는 배아줄기세포뿐만 아니라 유도만능줄기세포(iPSC)와 암세포와도 밀접한 관련이 있기 때문에 그 응용 가능성이 매우 높을 것이라 기대된다. 본 연구에서 규명한 사실을 바탕으로 유도만능줄기세포의 효율 증대할 수 있는 새로운 방법론을 제시할 수 있으며, 항암 물질의 새로운 표적으로도 응용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 또한 항암물질의 스크리닝에도 응용 가능할 것으로 기대되기 때문에, 줄기세포 생물학의 이해뿐만 아니라 줄기세포 치료 및 암 치료 등 임상분야로 다양하게 적용될 것으로 기대된다.

 

 

 연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가		기존에는 잘 이해하지 못했던 핵 내 에서의 LIN28의 역할을 구체적인 분자적 기전과 함께 밝혔으며, 이를 통해 줄기세포의 특성을 이해하는 데 도움이 될 것이다.
어디에 쓸 수 있나		LIN28은 줄기세포 뿐만 아니라 유도만능줄기세포, 암세포와도 관련이 있기 때문에 임상적으로 줄기세포 치료, 항암물질의 개발과 스크리닝 과정에 폭넓게 활용이 가능하다.
실용화를 위한 과제는		현재 국제특허 출원을 신청중이며 인간배아줄기세포를 기반으로 한 연구이기 때문에 임상적 적용을 위해서는 개체단위에서의 지속적인 연구가 필요하다.
연구를 시작한 계기는		메틸화, 아세틸화와 같은 단백질의 번역 후 변형(post-translational modification)은 단백질의 역할 조절하는데, LIN28과 같은 전분화능 단백질들도 이런 번역 후 변형에 의해 그 역할이 조절될 것이라 예상했고, 스크리닝 과정을 거쳐 LIN28A이 히스톤 모노메틸화 효소인 SET7/9에 의해 모노메틸화 되는 것을 발견하고 연구를 시작하게 되었다.
에피소드가 있다면		본 연구는 여러 가지 분야의 전문가들이 같이 협업을 통해 이루어내 결과라고 생각되며 논문의 Peer-Review 과정에서 본 실험실에서 해결할 수 없었던 많은 문제를 학연간의 긴밀한 공동연구와 해외 연구자의 도움을 받아 해결하였다. 특히 다른 그룹들과 달리 하드코어 생화학적인 접근법을 사용하여 매우 정교한 실험을 통해 이전에 관찰할 수 없었던 LIN28의 생화학적 성질을 규명할 수 있었다.
꼭 이루고 싶은 목표는		LIN28의 본 연구를 통해 얻어진 후속 결과를 이용하여 본 연구 결과를 심화 발전시키고 다양한 연구 그룹과 협업을 통해 breakthrough를 이루고 싶다.