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유전체 / 단백체 분석을 통한 근육노화 네트워크 규명 연구

유전체 분석을 통한 신규 분자 표적 발굴

사람 근육에서 나이에 따라 변화하는 유전자를 찾기 위해서 기존의 public database 분석과 더불어 young mouse (6개월령) 와 old mouse (30개월령)의 다리근육에서 추출한 RNA로 NGS 기반 유전체 분석을 수행하고 있습니다. 전사 수준의 정보만을 제공하는 유전체 데이터베이스 정보와 전사 후 수준의 미세조절 단계에서 중요한 역할을 하는 miRNA정보 데이터베이스 (미지의 알려지지 않은 miRNA 포함)를 갖추고, genome-wide DNA methylation 분석 정보가 추가되면, 상호보완적으로 전체적인 근육노화 통합 네트워크를 이해하고, 다양한 수준에서 중요한 분자표적을 발굴할 수 있을 것으로 생각됩니다. 또한 노화연구의 세계적인 권위자인 Albert Einstein University의 서유신 교수와 miRNA genomics의 분석정보를 공유하며 공동연구를 진행하고 있습니다.

miRNA에 의해 조절되는 유전자 분석, DNA methylation에 의해 조절되는 유전자 분석, Gene expression Profile 비교 분석 → 데이터 통합 분석을 통한 노화관련 유전자 분석

시스템생물학적 대용량 오믹스 데이터 통합 근육 노화 네트워크 지도 작성

전사체를 비롯한 다양한 오믹스 데이터를 통합, 시스템 수준에서 개별 유전자의 발현 특성 및 상호 연관관계를 분석하는 기술이 필요합니다. 예를 들어, 개별 유전자 발현 양상은 양적 질적으로 다른 패턴을 가짐에도 불구하고 전사체 데이터 분석에서는 일괄적인 기준으로 비교 분석되기 때문입니다. 따라서, 이질적인 오믹스 데이터를 통합하고 개별 유전자의 고유 발현 특성을 글로벌 데이터 수준에서 체계적으로 규명하고, 특정 생물학적 샘플에서 개별 유전자발현의 의미와 상호연관성을 새롭게 평가하는 기술이 필요한데, 본 연구실에서는 시스템 생물학 수준에서 전사체 고유 발현 특성과 더불어 유전체, 단백질체 데이터를 통합하여, 근육 노화 과정의 통합 신호전달 네트워크 지도를 작성할 것입니다.

근육 줄기세포 분화 → 노화근육 → ‘NGS’ illumina Genome Analyer IIx → ‘KOBIC 생명정보센터’ 대용량서버 및 슈퍼컴퓨터 → 근육노화 통합 네트워크 분석

단백질체 정보 분석

본 연구실에서는 young (6개월)과 old (30개월) mouse hindlimb muscle에서 나이에 따라 변하는 단백질을 상대 비교하기 위해서 mTRAQ quantification 방법을 이용하여 단백체를 분석하고 있습니다. mTRAQ quantification method는 질량분석에 기반한 단백체 상대정량 방법 및 이의 응용에 관한 것으로, 화합물 엔-메틸피페라진 아세트산 (N-methylpiperazine acetic acid)의 동위 이성질체 (isotopologue) 및 질량 분석기를 이용하여 펩티드 복합체를 상대 정량 할 수 있고 이를 응용하여 다양한 단백질 복합체를 상호 비교하여 양의 차이를 분석할 수 있습니다. 기존의 AQUA 방법에서처럼 특정 단백질을 대표하는 펩타이드에 대한 동위원소로 표지된 heavy synthetic peptide를 만드는 것과 기존 reporter ion을 이용한 iTRAQ방법과는 달리, 모든 펩타이드의 아민 그룹에 표지되는 non-isobaric 표지물질을 사용하여, 화학적, 물리적으로 동일한 펩타이드를 만들어, light 시약을 사용한 후 전체 샘플의 평균값을 대표하는 global internal standard (GIS)를 이용합니다. GIS을 사용하기에 다양한 샘플에 대한 normalization이 쉽게 이루어지는 특성이 있기에, 많은 샘플을 사용해야 하는 바이오마커 후보 단백질 및 펩타이드의 검증연구에 응용가능하며, 정량 하고자 하는 대상 펩타이드의 수가 많을 경우, 해당 펩타이드를 모두 합성해야 하는 AQUA 방법과 비교하여, 경제적인 면이나 시간적인 측면에서 효율적인 방법입니다.

Mouse skeletal muscle tissue : Young (6 months), Old (27 months) → Homogenization ↦ protelin extraction → Protein 100 ㎕ → Trypsin didestion → Δ4 mTRAQ, Δ0 mTRAQ → Labeling → Combine → Offgel 14 fractions, SCX 7 fractions → LC-MS/MS → DB search ↦ quantification → Westurn blot analysis

근감소증 동물 모델 개발 연구

근육노화를 포함한 노화의 근본 원인 중 만성적인 산화적 스트레스를 들 수 있으며, 최근 항산화 유전자중 하나인 SOD1 (superoxide dismutase)를 결손 시킨 마우스에서 심각한 근감소증이 나타나는 것이 보고되었습니다. 이를 통해 항산화 유전자가 근육의 항상성 유지에 반드시 필요하며, 궁극적으로 노화성 근육감소증 마우스 모델로 이용할 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다. 본 연구실에서는 이미 Peroxiredoxin(Prx) 1, 2, 3, Catalase, Glutathione Peroxidase(Gpx), Sestrin2(Sesn2) knockout(KO) mouse 의 총 6종의 항산화 유전자 결손 모델을 확보하고 있으며, 궁극적으로 2종 이상의 노화성 근육 감소증 마우스 모델 구축을 목표로 하고 있습니다. 상기 동물 모델은 본원 내 SPF(Specific Pathogen Free) 전문 사육 동물시설 내 계통보존실에서 관리되고 있으며, 근육노화 제어 후보물질의 전임상 연구에 활용할 월령별 C57BL6 자연노화마우스는 ‘실험동물자원센터’에서 이미 확보하고 있는 등 동물실험 최적의 인프라를 갖추고 있습니다.

근육감소 제어 물질 개발 연구

FDA 승인 약물의 재배치 전략을 이용한 HTS - Myoblast 세포분화를 촉진하는 약물 탐색 시스템을 구축하였고, 2000여종의 FDA 승인 약물의 재배치 전략을 통해 high throughput 스크리닝을 진행 중입니다. 최종적으로 후보 물질이 발굴되면 기 구축중인 근감소증 동물모델에서의 효과 검증 및 기전 연구를 계획하고 있습니다. FDA 승인 약물은 이미 임상 시험을 통과한 약재이기 때문에, 근육 분화를 촉진하는 후보 물질을 발굴한다면, 전임상 및 임상 시험에 드는 막대한 비용의 절감이 예상됩니다. 동물모델에서 효과검증이 완료된 약물은 서울대 병원과 가천의과대학병원에서 전임상 및 임상연구에 적용할 수 있도록 인프라를 구축하고 있습니다.

DR 전략에 의한 근분화 촉진 후보물질 발굴