3. Research

1. (ATP-dependent) Chromatin Remodelers

   Chromatin Remodeling 에 관련된 가장 중요한 질문 중 하나는 Chromatin Remodeler 가 어떻게 Nucleosome 내 광범위한 histone-DNA 결합들을 다른 형태로 가공하느냐의 문제이다. 이를 설명하기 위해서 다양한 모델들이 제안 되었는데 최근까지 매우 정밀한 생물리학적인 연구와 구조연구를 통해 많은 부분이 밝혀지고 있다.

일반적으로 Chromatin Remodeler 들은 4가지 종류로 분류되며 가장 중요한 생화학적 활성은 SWI/SNF type 과 ISWI type 이라고 할 수 있다. SWI/SNF type 의 Remodeler 들은 Histone Eviction 에 관련되어 다양한 전사 조절 기전을 가지고 있고 흔히 Pre-Initiation Complex 와 상호작용할 수 있고 Nucleosome Free Region 에서 작용할 수 있다. ISWI type 의 Chromatin Remodeler 들은 단백질의 암호화하는 Coding Region에서 Nucleosome Spacing 에 관련되어 있다. ISWI type 은 따라서 Nucleosome Assembly 와 밀접한 관련이 있다고 볼 수 있다. 생화학적으로 두 type 은 매우 다른 결과를 초래하는 데 이는 기질인 Nucleosome 을 어떻게 끌어 당기냐에 따라서 결정되는 것으로 보인다.

한편 전사과정에서 RNA Polymerase II (RNAPII) 는 Nucleosome 에 묻혀있는 DNA에 접근가능해야한다. in vitro 에서의 실험들은 단 하나의 Nucleosome 조차도 전사과정에 있는 RNAPII 에 대한 결정적인 방해물 역할을 한다는 사실을 알려준다. 즉, Nucleosome 에 의해서 RNAPII 는 소위 Backtracking 작용에 의해서 Arrest 혹은 Pausing 이 일어나는 데 이는 RNAPII의 secondary channel 로부터 3' 말단 RNA 를 튀어나오게 한다.

이와 정반대로 in vivo 에서의 ChIP 실험을 통해 RNAPII는 분명하게 Nucleosome 이 존재하는 template 를 엄청난 속도로 신장을 일으킬 수 있다. 이것이 사실이라면 어떻게 RNAPII 가 Nucleosome 을 극복할 수 있을까?

우리 실험실은 Yeast 와 Mammal 에서 존재하는 다양한 Chromatin Remodeler 들이 어떻게 Transcription 과정에서 소위 Nucleosome Barrier 를 통과하는 지에 관련된 분자 기전에 관심이 있고 특히 RNAPII 의 Early Elongation 과 Termination 과정에서 어떤 상호작용으로 mRNA Processing 에 관여하는 지에 대해서 심도 있게 연구 하고 있다. 이를 위해 다양한 NGS 기법과 생화학, 유전학적인 접근 방법으로 전사 조절기전에 관련된 근본 질문에 대답하고자 한다.

2. Mechanisms  of RNA polymerase II Pausing during Transcription

RNAPII 는 진핵세포에서 다양한 속도로 mRNA 를 합성하여 유전자 발현에 중요한 역할을 하고 있다. 효과적인 mRNA 합성을 위해서 다양한 mRNA 가공과정은 RNAPII 의 속도를 조절함으로써 이룬다고 볼 수 있다. 예를 들어 전사 개시에서 전사 신장으로 넘어 가기전에 Promoter-proximal Pausing 을 겪게 되고 Transcription 이 Termination 되는 시점에도 Pausing 혹은 Stalling 을 겪게 되어 다양한 3' Processing Factor 들과 Capping 효소, Splicing Machinery 들이 RNAPII 와 결합함을 알 수 있다. 물론 이러한 Pausing 과정에서 Chromatin 은 중요한 역할을 할 것으로 생각되며 다양한 Chromatin 관련 단백질들이 RNAPII 의 초기 신장과정에서 작용할 수 있다.

우리 실험실은 Yeast 와 Mammal 에서 +1 Nucleosome 부위에서 발생하는 RNAPII 의 Pausing 분자 기전과 Termination site 부위에서 일어나는 RNAPII 의 Pausing 및 Termination 기전에 관심을 가지고 일련의 RNA Processing 과정과 Chromatin 과의 상관관계에 대한 연구를 진행하고 있다.

3. The Principles of 3D genome Architecture in Eukaryotic Cells

현미경이 발견된 이후로 수많은 사람들은 염색체의 구조가 상상이상으로 압축되고 응축된 구조라는 사실을 깨닫고 있었다. 염색체를 연구하고자 할 때 가장 근본적인 질문은 인간 염색체는 간기와 분열기를 비교했을 때 10,000 배이상 응축되는 과정을 매 24시간마다 겪게 되는 데 어떤 근본 원리를 통해 이를 생명발생이후 부터 지금까지 변하지 않고 유지되었냐는 것이다.

염색체 3차원 구조를 이룰 때 가장 중요한 2가지 Principle 은 Cohesin 단백질에 의해서 Chromatin 이 3차원적으로 상호작용를 하고 Contact Domain 을 이룬다는 것이며 또한 방향성이 있는 CTCF 단백질들을 통해 Domain 과 Domain 의 경계를 이룬다는 것이다. 문제는 CTCF 와 Cohesin 이 모두 존재하는 Mammal 의 경우 이러한 Principle 들에 의해서 우리가 소위 알고 있는 TAD (Topologically Associating Domain) 나 Chromatin Loop 등이 만들어지는 과정을 어느 정도 설명할 수 있으나 CTCF 가 없고 Cohesin 만 존재하는 진핵생물체 (예를 들어 Yeast, C. elegans) 에서의 Contact Domain 의 형성은 어떻게 설명할 수 있느냐의 문제이다. 이는 알려지지 않은 Principle 이 존재하거나 Cohesin 만으로 충분히 Contact Domain 을 이룰 수 있는 분자 기전이 존재함을 암시한다.

우리 실험실은 특히 Yeast 에서 관찰되는 Contact Domain 의 형성이 어떤 분자 기전으로 이루고 있는 지 탐구하고 안정적인 Contact Domain 을 형성하기 위한 다양한 분자기전을 연구하고 있다. 마치 단백질 3차원 구조가 1차원 구조에 의해서 영향을 받고 순차적으로 접힘을 겪듯이 유전체도 비슷한 과정을 겪는다고 상상할 수 있다면 염색체 1차원 구조에 영향을 미치는 다양한 단백질체들은 염색체 3차원 구조에도 영향을 미칠 것이므로 다양한 Chromatin Remodeler 들과 상호 작용하는 단백질체들이 염색체 3차원 구조를 이룰 때에 어떤 기여를 하는 지도 연구하고 있다. 또한 Mammal 에서 WAPL depletion시 Cohesin의 Loop extesion 을 통해 형성되는 현미경적인 현상인 소위' Vermicelli' 구조를 조절하는 trans-acting factor 들을 screen 하여 궁극적으로 염색질 3차원 구조 조절에 관련 분자 기전을 이해하고자 한다.

4. Single-Cell Epigenomics

후성유전체학이 놀랍도록 발전하여 히스톤 코드를 포함하는 후성유전학적인 분자기전과 3D Nucleome 구조가 효모로부터 인간까지 많은 부분 공통점을 가진 사실을 깨닫게 되었다. 하지만 이러한 새롭고 예상밖의 수많은 지식에도 불구하고 우리가 알고 있는 분자 기전과 유전체의 구조적 변화가 유전자 발현에 어떻게 영향을 미치고 있는 지에 대해서 정확하게 알고 있지 못하다는 점은 또 한편 놀라울 뿐이다. 이 주제는 다시 단일 세포 수준의 데이터를 분석하게 되면 더욱더 극명하게 나타나게 되는 데 초고해상도 현미경을 이용한 유전체 구조 실험이나 유전자 발현 실험에서의 다양한 데이터는 단일세포 후성유전체의 방법론과 분석 방법을 고안해야 하는 필요성을 강하게 요구하고 있다.

우리 실험실은 Essemble data 와 single Cell data 사이의 간극을 극복하기 위한 다양한 approach 를 고민하고 있고 4차원적인 변화에 의한 염색체 구조의 변화가 유전자 발현의 실시간적인 변화와 어떻게 결합될 수 있는 지에 대한 연구를 수행하고 있다. 이를 위한 다양한 기법을 고안하거나 이미 만들어진 방법들을 줄기세포나 Fission Yeast 모델에 적용하여 염색질 구조 조절 분자 기전을 제시하고자 연구하고 있다.