특집미래유망연구실탐방 세포신호전달연구실 Cellular signaling Laboratory 연구실개요 본연구실에서는노화및외부자연적스트레스환경 ( 방사선, 발암물질등에의한노출 ) 에서줄기세포의줄기세포성 (stemness) 을조절하는신호전달기작연구를통해줄기세포의분화결손과각종질병과의연관성을규명하는것을목표로한다. 현재 CHA 의과학대학교줄기세포연구소와, 삼성의료원암연구소, 그리고스트레스신호전달연구분야의최고권위자중한명인조지타운대학교 (Georgetown University) 의 Albert J Fornace 박사의연구팀과활발한공동연구를통해, 줄기세포를모델로스트레스신호전달연구를심도있게진행하고있다. 본연구실의주요관심사는성체줄기세포 ( 뇌신경줄기세포, 간엽줄기세포, 혈관내피줄기세포 ) 등에서스트레스자극 (Stress stimuli: 종양형성유전자 (oncogene) 에의한자극, DNA 손상자극, 산화적환경에서의산화적자극 ) 에의한줄기세포의암화또는세포내노화 (cellular senescence) 의분자생물학적기전을스트레스신호전달체들과스트레스신호전달체조절자 (Stress modulators) 들의상호활성조절을통해이해하려고한다. 연구실배경 (1) 줄기세포노화와분화결손 줄기세포가재생의학의주요한화두로부각되고그에따라줄기세포의분자생물학적연구가활발히진행되면서, 기존의암의발생또는노화에의한퇴행성질환의원인을줄기세포모델로이해하려는노력이기울여지고있다. 각각의개체는태어날때일정수준의줄기세포를가지고있으며일생동안자기재생산기 (self-renewal) 과휴지기 (Quiescence) 를거치며, 일정수준의줄기세포수를유지한다. 이러한줄기세포가개체의성장및노화를거칠때겪는여러가지스트레스 ( 예를들어, 발암물질의노출, 개체의노화, 방사선의노출 ) 등을통해 DNA 손상에의한유전자이상이발생하면, 줄기세포는내제적인스트레스신호전달기작에의해세포사멸또는세포노화 (Cellular senescence) 를겪게되고, 그에따른줄기세포성소실및분화결손이발생하게된다. 이러한줄기세포의분화결손은노화후면역계의약화, 신경계의약화, 상처치유능감소, 심혈관계의약화등다양한퇴행성질환의원인이될수있다. 반면에줄기세포내의스트레스신호전달기작의이상으로유전자이상으로돌연변이를겪은줄기세포가 1
특집 그림 1. 줄기세포분화결손에의한암화및노화의모식도 (Finkel et al., nature reviews 2007, Sharpless et al., nature reviews 2007). 지속적으로돌연변이를축적하게되면, 줄기세포의종양화가일어나고, 암의원인세포로작용할수있다. ( 그림. 1). 성체줄기세포의체외배양에서줄기세포의세포노화가일어나고, 줄기세포의세포노화에따라줄기세포의자기재생력감소와분화결손이동반되는것은다양한연구를통해보고되었다. 본연구팀에서도골수유래간엽줄기세포 (Bone marrow derived mesenchymal stem cells) 를모델로체외배양중에발생하는간엽줄기세포의세포노화의분자생물학적기전연구를통해 p38mapk 의활성으로인한 p16ink4a 의증가가간엽줄기세포의세포노화과정에관여함을증명하였다 (Lee et al., Stem Cells 2009). (2) 스트레스신호전달체조절자단백질세포가외부스트레스자극을받게되면, 스트레스신호전달이발생하여스트레스반응을야기하게되고이후스트레스자극은사라지고, 세포는다시정상상태로돌아오게된다. 이러한과정에서활성화된스트레스신호전달을회복시켜주는 스트레스신호전달조절자 (Stress modulator) 단백질이역할을하게된다. 이러한스트레스신호전달조절자단백질중본연구팀에서연구중인 Wip1 (Wild type p53 inducible phosphatase 1) 이라는단백질은스트레스자극에의해활성화되는다양한단백질 (p53, p38mapk, ATM, Chk1/2, H2AX) 의탈인산화를통해활성을억제함으로써, 스트레스신호반응을정상상태로회복시켜주게된다. 따라서, 내재적스트레스반응을상쇄시켜주는단백질의결핍을유도할경우세포내스트레스반응을축적시켜세포노화를야기하게되는데, 최근노화에따라이러한스트레스조절자단백질의전사감소가진행됨이보고되었다. 특히뇌신경줄기세포 (Neural stem cells) 와장줄기세포 (intestine stem cells) 에서발현이보고되어, 줄기세포에서줄기세포를유지하는데관여할수있음이보고되면서, 줄기세포의노화와의연관성연구가진행중이다 ( 그림. 2). 본연구팀에서도간엽줄기세포를모델로, 이러한스트레스조절자유전자의발현으로간엽줄기세포의세포노화를억제할수있음을보고하였다 (Lee et al., Stem Cells 2009). 2 분자세포생물학뉴스
미래유망연구실탐방 그림 2. 뇌신경줄기세포와장줄기세포에서발현되는 Wip1 단백질 (Zhu et al., Stem Cells 2009, Demidov et al, Cell Stem Cell 2007). 그림 3. 본연구팀에서확립한줄기세포유래종양세포의뇌종양모델형성 (A) 과줄기세포성표지단백질발현 (B) (Lee JS et al., unpublished data) 향후연구계획 (1) 줄기세포의노화과정에서의신호전달탐색 본연구팀은 Wip1 결핍동물모델을통해 Wip1 결핍 생쥐가보이고있는조기노화와줄기세포와의연관성을규명하고스트레스신호전달의줄기세포의노화과정에서의역할을규명하고자한다. 특히 Wip1 결핍생쥐는내재적스트레스반응이높기때문에, 종양저항성을갖고있다. 따라서, 스트레스조절자의결핍으로줄기세포의스트레스신호및반응의증가가줄기세포의노화및분화결 3
특집 손을야기하고, 이로인해개체의조기노화현상, 즉퇴행성질환의발생과, 이에병립하여종양저항성이야기되는것으로예상하고, Wip1 결핍생쥐에서다양한줄기세포를분리배양하여, 줄기세포성유지및노화에대한분자생물학적기전연구가진행중이다. 또한최근일본원전사고를계기로, 방사선피폭에의한각종생물학적피해들 ( 종양형성, 심혈관질환, 그리고인지장애 ) 등에대한분자생물학적인기전을줄기세포를대상으로방사선피폭에의한 DNA 손상스트레스반응과줄기세포의분화결손에대한연관성규명연구가진행중이다. (2) 줄기세포의암화과정에서의신호전달탐색다양한암종 ( 대장암, 백혈병, 뇌종양, 피부기저암, 골육종 ) 이각조직의줄기세포에서기인되었음을증명하는연구결과가지속적으로발표되고있다. 줄기세포의종양 형성신호에대한저항성이소실되었을경우, 줄기세포도역시 암화 (Tumorigenesis) 가발생될수있다. 본연구팀은성체줄기세포를모델로각종종양형성신호에따른스트레스신호전달반응을탐색하고, 줄기세포유래종양세포 (Cancerous stem cells) 모델을확립하여, 줄기세포의 종양화 과정에서스트레스신호전달체와스트레스조절자단백질의역할을탐색하고있다. 또한확립되어보유중인줄기세포유래종양세포와환자유래종양줄기세포 (Cancer stem cells) 의신호전달체단백질및유전자들을비교분석함으로써, 종양줄기세포의형성과정을연구중이다. 대표논문 1. Lee MO, Lee HJ, Kim MA, Kim EK, Lee JH, Heo 4 분자세포생물학뉴스
미래유망연구실탐방 JH, Cho SH, Fornace AJ, Jeong HC*, Cha HJ*. Suppression of p16ink4a in lung adenocarcinoma by Bmi-1 in the presence of activated p38. J.Thor. Onco 2011 Mar; 6(3):423-31 2. Lee JS, Park KY, Min HG, Lee SJ, Kim JJ, Choi JS, Kim WS*, Cha HJ*, Negative regulation of stress-induced matrix metalloproteinase-9 by Sirt1 in skin tissue. Exp Dermatology, 2010 Dec;19(12):1060-6. 3. Cha Y, Moon BH, Lee MO, Ahn HJ, Lee HJ, Lee KA, Fornace AJ, Cha HJ*, Park KS*, ZAP-70 expression in mouse embryonic stem cells and functional role in stemness control Stem Cells 2010, Sep:28(9):1476-86 (* Co-PI) 4. Cha, H*,Lowe JM, Li H, Belova.G, Lee JS, Bulavin D, and Fornace AJ*, Wip1 dephosphorylates γ- H2AX after IR and delays MRN complex formation. Cancer Res 2010, May 15 70 (10) 4112-4122 (* Co-PI) 5. Lee JS, Moon BH, Lee MO, Shim SH, Fornace AJ, Cha HJ*. Senescent growth arrest in mesenchymal stem cells is bypassed by Wip1- mediated downregulation of intrinsic stress signaling pathways. Stem Cells, 2009.Aug; 27(8):1963-1975 저자약력 차혁진 연구책임자 1993-1999 서울대학교약학대학제약학과, 학사 1999-2004 University of Maryland, Baltimore, 박사 2004-2006 Harvard University, School of Public Health, 박사후연구원 2006-2007 Georgetown University, Research Instructor 2007-2011 CHA 의과학대학교, 조교수 2008- 현재 Lombardi Cancer Center, Georgetown University, Adjunct assistant professor 2011- 현재서강대학교생명과학과, 조교수 연구진구성 교수 : 차혁진박사후연구원 : 배갑용대학원생 : 이미옥, 이지선, 송승현연구원 : 김진주, 강소영 5