1. 비표준적 단백질 번역을 제어하는 유전 정보와 번역조절 인자의 작용원리 규명
비표준적 단백질 번역 (non-canonical translation)은 다양한 종에서 관찰되고 있으나, 이러한 특이적인 단백질 번역이 어떠한 방식으로 일어나며, 왜 진화적으로 보존되어 있는지에 관한 기반 지식이 매우 부족합니다. 우리 실험실은 이러한 비표준적 단백질 번역의 분자생물학적 작용기전을 규명함으로써, (1) 지금까지 고려되지 않았던 단백질 번역 개시 위치의 선택적 조절에 따른 단백질체의 새로운 구성 원리와 각 유전자 번역 산물에 의한 번역 후 활성 조절 기전의 새로운 복잡성을 정의하고, (2) 비표준적 단백질 번역의 결손에 따른 생리학적 결함을 검증함으로써 다양한 종에서 관찰되고 있는 비표준적 단백질 번역의 진화적보존성을 설명하고자 합니다. 또한 (3) 비표준적 단백질 번역 산물을 통해 발병하는 감염성 질환이나 퇴행성 뇌질환에서 특이적으로 관찰되는 비표준적 단백질 번역의 활성을 선택적으로 제어할 수 있는 원천기술 개발에 중요한 단서를 제공함으로써, 이들 질환의 치료기술 개발에 있어 새로운 접근 방법을 제시할 수있을 것으로 기대하고 있습니다.
2. 퇴행성 뇌질환의 분자생물학적 작용기전 규명
DNA로부터 mRNA가 합성된 이후 단계의 전사후 유전자 발현 조절은 신경세포 발달과 기능, 생리작용 등에 중요한 역할을 하는것으로 인식되고 있습니다. 이와 일관되게, 다양한 신경질환 환자들은 RNA 결합단백질이나 생물학적 기능을 가진 small RNA 등의 돌연변이를 가지고 있습니다. RNA 결합단백질 가운데 하나인 ATAXIN-2에 돌연변이가 생길 경우, 척수소뇌실조증이나 루게릭 병이 발생한다고 알려져 있습니다. 우리 실험실은 선행연구를 통해 ATAXIN-2가 LSM12, ME31B/DDX6 등의 단백질과 복합체를 형성하여 수면주기와 같은 일주기성 동물행동을 조절한다는 사실을 밝힌 바 있습니다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 루게릭병 환자의 유도만능줄기세포(iPSC)로부터 분화시킨 운동신경세포와 형질전환 초파리의 퇴행성 뇌질환 모델을 활용하여 특정한 RNA 관련 유전자의 돌연변이가 어떠한 분자생물학적 작용을 통해 퇴행성 뇌질환의 원인이 되는지에 관한 연구가 수행중입니다. 이러한 연구 결과는 전사 후 유전자 발현 조절에 의한 퇴행성 뇌질환의 발병을 이해하고, 효과적인 치료기술을 개발하는데 중요한 단서를 제공해줄 것으로 예상됩니다.
3. 수면행동 조절의 신경유전학적 작용원리 규명
수면은 우리 몸의 필수적인 생리현상으로, 다양한 동물에서 관찰됩니다. 하지만 이러한 수면행동을 조절하는 분자/신경생물학적 작용원리가 무엇인지에 관해서는 여전히 모르는 것이 너무나 많습니다. 우리 실험실은 형질전환 초파리를 수면행동의 모델로 활용해서 다음과 같은 수면행동의 근본적인 작용원리에 관한 연구를 수행하고 있습니다. (1) 유전자와 신경세포들은 과연 어떠한 방식으로 수면조절 경로를 구성하여 우리 몸이 매일 일정한 양의 수면을 취할 수 있는 수면 항상성을 유지시켜 주는가? (2) 열대야나 시차적응과 같이 외부 환경의 변화에 따라 우리의 수면행동이 달라지는 수면가소성은 수면조절과 관련된 유전자와 신경세포에 의해 어떻게 조절되는가? (3) 수면부족은 어떠한 방식으로 고차원적인 두뇌활동이나 대사작용에 영향을 주는가? 이와 같은 수면 연구는 수면을 조절하는 신경유전학적 작용 요소를 포괄적으로 탐색함으로써 우리의 뇌와 수면행동의 상호작용에 관한 근본적인 작용원리를 이해하는데 도움을 줄 수 있습니다.