연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

인간질환의 분자기전 연구는 대부분 흰쥐, 초파리, 선충과 같은 모델동물을 이용해 수행되고 있다. 이들 동물에는 인간질환에 관련된 많은 신호전달경로들이 진화적으로 보존되어 있으며 이를 이용해 의생명과학자들이 인간질환의 분자기전을 동물모델을 이용해 연구할 수 있다. 그러므로 인간질환을 연구할 수 있는 새로운 신호전달경로를 동물모델에서 발굴하는 것은 질환연구에 매우 중요한 일이다.

동물모델에서 이러한 질환관련 생물경로들을 발굴하는데 기존에는 유전자염기서열정보의 진화적 정보가 주로 사용되었다. 하지만 일차원적인 서열정보가 질환에 관련된 유전자의 기능을 설명하는 데는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 생물시스템 전체를 통합적으로 분석하는 시스템생물학 접근법이 최근 새롭게 각광받고 있고 그 핵심기술이 네트워크생물학이다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 2011년에 구축된 인간의 유전자네트워크 휴먼넷(HumanNet)을 이용하여 기존 염기서열 기반 생물정보학으로 발굴하지 못했던 새로운 질환 관련 신호전달경로들을 동물모델에서 발굴할 수 있는 웹기반 예측 시스템 모핀(MORPHIN, www.inetbio.org/morphin)을 개발하였다.

예를 들어 환경 악화시 생존을 위해 꼬마선충이 다우어 휴면 상태로 돌입하는 과정을 조절하는 신호전달경로를 살펴보자. 관련된 유전자들을 예측 시스템인 모핀에 제공하면 다우어휴면 상태로의 돌입을 조절하는 유전자들이 휴먼넷 상에서 인간의 제2형 당뇨병 관련 유전자들과 밀접하게 연결되어 있음을 볼 수 있다.

이는 꼬마선충의 다우어 휴면 신호전달경로가 인간의 제2형 당뇨병의 분자기전을 연구하는 모델로 사용될 수 있음을 암시하며 실제 현재 꼬마 선충의 다우어 휴면은 인간 당뇨병 연구의 모델로 이용되고 있다.

또 모핀을 이용해 중요 대사 중간체 중의 하나인 호모시스틴(homocysteine) 과다 질환과 심혈관 질환 사이의 관련성을 꼬마선충에서 예측할 수 있다는 것도 보여주었다. 이러한 관련 질환의 예측은 유전자네트워크를 이용한 것이었다.

위와 같이 네트워크를 이용한 방식으로 우리는 다양한 모델 생물체에서 인간 질환 연구에 이용될 수 있는 새로운 신호전달경로들을 발굴해 낼 수 있고 이들은 질환의 분자 기전 연구와 신약의 새로운 표적 유전자를 개발하는데 기여할 수 있다. 이제 일반 연구자들도 이 웹기반 시스템을 이용해 네트워크생물학을 이용한 질환모델 예측 관련 연구를 수행할 수 있게 된 것이다.

예측 시스템의 기반인 네트워크 구축에는 첨단 빅데이터 분석기술이 이용된다. 각국 연구진이 만들어낸 엄청난 양의 생물학적 데이터들은 인터넷에 공개되어 있어 연구자들이 의학 연구 같은 공익을 위한 연구에 무료로 사용할 수 있다.

이 교수팀은 지난 10여 년간 이러한 인터넷 상의 빅데이터를 분석하여 유전자들 사이의 기능적인 상관관계를 지도화 하는 유전자소셜네트워크를 구축하는 생물정보시스템기술을 개발하여 왔다. 연구 초기에 단순한 미생물에 적용되던 이 기술은 진화하여 2011년에 마침내 인간의 2만 여개 유전자의 대부분을 연결하는 네트워크를 구축할 수 있게 되었고 이번 연구를 통해 이 네트워크를 질환연구에 이용할 수 있는 또 하나의 가능성을 제시하게 되었다.

3. 기대효과

이번 연구는 ICT-BT 융합기술이 어떻게 인터넷상에서 누구나 자유롭게 공유할 수 있는 바이오 빅데이터의 분석을 통해 인간의 질환연구에 기여할 수 있는지를 보여준 연구사례이며 앞으로 이러한 빅데이터기반 시스템생물학이 미래의학(Future Medicine)의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다. 또한 구축된 웹기반 예측 시스템은 모든 연구자들이 자유롭게 접근하여 이용이 가능하므로 이를 이용한 새로운 질환모델의 발굴이 매우 효율적으로 진행될 것을 기대한다.

연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가		ICT-BT융합기술이 바이오 빅데이터 분석을 통해 인간 질환연구에 기여할 수 있다는 것을 보여준 좋은 예시로결과물인 예측시스템을 모든 연구자가 자유롭게 사용, 질환 연구에 이용 가능함
어디에 쓸 수 있나		인간질환에 관련된 새로운 신호전달경로들을 동물모델에서 예측하여 발굴하는데 이용할 수 있음
실용화까지 필요한 시간은		개발된 기술은 기반 기술로 다른 연구에 이용할 수 있는 목적으로는 이미 실용화 되어 있음
실용화를 위한 과제는		현재 지원받는 중견연구자지원사업(도약) 수준의 지속적지원은 향후 질환 위험성의 예측 모델 개발까지도 가능하게 할 것임
연구를 시작한 계기는		본 연구팀이 구축한 유전자소셜네트워크의 바이오 의료연구에 새로운 응용을 개발하기 위해서 시작함

용 어 설 명

1. 유전자소셜네트워크(Gene network)

○ 사람들이 친구관계로 맺어져 페이스북(Facebook) 같은 소셜 네트워크를 구성하듯 생물체 안에 존재하는 많은 유전자들이 기능적 협력관계로 서로 연결되어 구성하는 네트워크로 현대생물학의 화두로 떠오르는 시스템생물학에서 중요한 연구주제이자 수단

2. 휴먼넷(www.functionalnet.org/humannet)

○ 특정 유전자를 입력하면 이 유전자와 기능적으로 관련된 유전자들을 보여주는 네트워크. 약 2만 여개의 인간 유전자들 사이 상호관계를 지도화하고 있는 유전자소셜네트워크로 여러 질환 유전자를 포함하고 있어 바이오의학 연구에 응용될 수 있다.

3. 시스템생물학(Systems Biology)

○ 유전자를 포함한 생체분자들 간의 상호관계를 분석함으로써 생명현상을 이해하려는 학문분야. 생체분자들의 상호관계를 구축하고 분석하는 네트워크생물학(Network Biology)이 핵심기술이다.

그 림 설 명

[그림] MORPHIN 웹서버 화면

사용자가 꼬마선충의 특정 유전자를 입력하면 휴먼넷에서 얻은 암이나 당뇨 등 약 1,500 가지 질환에 대한 인간 유전자 그룹 가운데 꼬마선충의 이 유전자와 기능적 관련성이 높은 그룹을 보여준다. 기존에는 꼬마선충의 특정 유전자와 서열이 비슷한 인간 유전자를 발굴하는 방식이 대부분이었다.

그림은 그 예시로 꼬마선충의 다우어 휴면상태를 조절하는 유전자들(노란색 query genes 및 주황색 overlap genes)이 인간 제2형 당뇨병 유전자들(보라색 disease pathway genes)과 서로 기능적으로 연결되어 있는 모습이다. 꼬마선충의 다우어 휴면상태에 관여하는 생물학적 경로를 인간 제2형 당뇨병 이해에 활용할 수 있는 가능성을 제시하는 것이다. 실제 꼬마선충은 인간의 당뇨병 연구에 모델로 사용되고 있다.

※ 꼬마선충 : 몸길이 1mm 정도의 선충류. 세포 수가 적고 생애주기가 짧아 다루기 용이하며 사람과 유전정보적 특성이 닮아 노화, 발생, 신경질환 등의 연구를 위한 모델동물로 많이 활용된다.

※ 다우어(dauer) : 선충 등에서 영양상태가 열악해지거나 스트레스 상황에서 나타나는 동면과 비슷한 상태

이인석 교수 이력사항

인적사항

○ 소  속 : 연세대학교 생명공학과

○ 전  화 : 02-2123-5559

○ 이메일 : insuklee@yonsei.ac.kr

학력

○ 1996~2002 : University of Texas at Austin, USA, 이학박사

○ 1993~1996 : Western Illinois University, USA, 이학석사

○ 1986~1993 : 한양대학교, 이학사

경력사항

○ 2012~현재 : 연세대학교 생명공학과, 부교수

○ 2008~2012 : 연세대학교 생명공학과, 조교수

○ 2003~2008 : University of Texas at Austin, 박사후연구원

전문분야정보

○ 시스템생물학, 생물정보학, 유전체정보학, 네트워크생물학

연구지원정보

○ 2010년~ 현재 : 미래창조과학부․한국연구재단 중견연구자지원사업(도약)