가천대학교 의과대학 발생유전학연구실
Laboratory of Developmental Genetics
□ 구성원
교수: 이영재 (leeyj@gachon.ac.kr)
연구교수: 김보경, 문은혜
연구원: 고금선, 김미라, 이사빈, Pham Thi Anh Huong
□ 연구실 개요
발생유전학연구실은 2008년 가천대학교 이길여암당뇨연구원의 개원과 함께 연구를 시작하였으며 마우스(mouse)를 모델동물로 이용하여 포유류의 발생 과정을 이해하고 이와 관련된 유전자 이상으로 인한 질환의 원인 규명 및 치료 방법 개발을 목표로 하고 있습니다. 주로 림프관을 포함한 혈관계 발달 이상을 연구하기 위해 관련된 유전자의 유전자변형마우스(Genetically modified mouse, GEM)를 제작하여 연구를 수행하고 있으며 이외에도 다양한 유전자변형마우스를 제작하여 자체 및 공동연구를 진행하고 있습니다.
□ 연구개요
1. 유전자변형마우스 제작
마우스를 연구의 모델로 활용하는 이유는 인간과 같은 포유류이면서 다른 포유류 모델들에 비해 다루기 쉽고, 성체까지 성장하는데 필요한 시간이 짧고, 산자수가 많으며, 줄기세포 및 유전자가위를 이용한 다양한 유전자 조작 기술을 활용할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문입니다.
발생유전학연구실은 2010년에 줄기세포를 매개로 한 gene targeting 방법을 이용하여 Tmem100-conditional knockout 마우스를 제작한 이래로 지금까지 수십종의 유전자변형마우스를 제작하였습니다. 최근에는 유전자가위를 이용하여 COVID-19 감염 마우스모델(사람의 ACE2 유전자 및 TMPRSS2 유전자를 마우스의 Ace2 유전자가 발현되는 세포에서 동시에 발현하는 모델)을 포함한 여러 knockout 및 knock-in 마우스 모델을 제작하였습니다.
2. 혈관 및 림프관 발달 관련 유전자들의 기능 연구
혈관 및 림프관 발달에 수 많은 유전자들이 관여하는 것으로 알려져 있습니다. 우리 연구실에서는 TGF- 신호전달계에 속하는 receptor의 하나인 ACVRL1 (ALK1)과 이의 하위유전자로 찾아낸 TMEM100, CXCL12 유전자가 혈관 및 림프관 발달과정에서 어떤 역할을 하는지에 대한 기초연구를 수행하고 있습니다. ACVRL1은 또다른 TGF- receptor의 하나인 ENG와 함께 사람의 유전성 혈관질환인 유전성출혈성모세혈관확장증을 일으키는 주요 원인 유전자입니다. 우리 연구실은 여러 병원들과 협업하여 국내 유전성출혈성무세혈관확장증 환자들의 유전자 이상을 조사하여 유전적 분석뿐만 아니라 임상적 분석도 같이 진행하였으며, 최근 연구에서는 ACVRL1을 혈관에서 과발현시킬 수 있는 마우스를 제작하여 ACVRL1의 발현을 조절하면 ACVRL1의 돌연변이로 인한 유전성출혈성모세혈관확장증 뿐만 아니라 ENG의 돌연변이에 의한 유전성출혈성모세혈관확장증도 치료할 수 있다는 가능성을 제시하였습니다.
TMEM100 유전자를 knockout 시키면 발생 초기인 E11.5 시기에 혈관 및 심장 발달이상을 보이며 죽기에 conditional knockout 마우스를 제작하여 발생단계에 따라 시기별로 Tmem100 유전자의 불능화를 유도하였습니다. 이 결과 Tmem100를 E10.5 시기에 knockout 시킬 경우 부종, 전반적인 림프관 감소, 혈관과 림프관의 미분리, 림프관의 비정상적인 확대와 같은 초기 림프관 형성에 이상이 생기는 것을 확인하였습니다. 이 유전자를 갓 태어난 새끼에서 불능화시킬 경우 망막 혈관의 발달에 이상이 있는 것과 성체에서 불능화시킬 경우 주로 폐와 장에서의 혈관 형성이 비정상적으로 진행되어 동맥과 정맥이 모세혈관 없이 바로 연결되는 동정맥기형과 같은 혈관 질환을 일으키는 것을 알게 되었습니다. 이러한 이상은 주로 TMEM100에 의해 조절되는 NOTCH 신호전달계의 이상에 의한 것임을 확인하였습니다. 
그림 1. Tmem100-knockout 마우스에서 관찰되는 망막혈관의 발달이상(좌) 및 혈관-림프관 미분리 현상(우)
CXCL12 유전자의 경우도 conditional knockout 마우스를 제작하여 발생 시기별로 불능화를 시킨 결과 동맥 혈관의 패턴 형성에 문제를 일으켜 원래는 존재하지 않는 동맥이 형성되거나 존재해야 할 동맥이 사라지는 이상과 폐에서 원래는 정상적인 가스교환을 위해 동맥과 정맥 및 기관이 나란히 발달해야 하지만 Cxcl12가 불능화되면 동맥이 비정상적인 패턴으로 발달하는 것을 관찰하였습니다. 경우에 따라 폐동맥이 아닌 대동맥에서 분지한 혈관이 폐동맥을 이루는 현상도 발견하였는데 이는 지금까지 원인이 알려지지 않은 사람의 희귀질환인 폐분리증의 한 원인이 CXCL12의 이상임을 시사하는 결과입니다.
그림 2. Cxcl12-knockout 마우스에서 관찰되는 aortic arch혈관(위) 및 폐혈관(아래)의 패턴 이상
우리 연구실은 위에서 소개 드린 혈관계 관련 연구 이외에도 여러 유전자변형마우스모델을 직접 제작하여 근육 및 장의 발달과 관련된 유전자의 기능 연구를 수행 중에 있습니다. 우리 연구실이 이런 다양한 동물 모델을 제작하고 연구할 수 있는 것은 발생유전학연구실이 위치한 가천대학교 이길여암당뇨연구원에 실험동물센터 (Center of Animal Care and Use, CACU)가 있기 때문입니다.
□ 가천대학교 이길여암당뇨연구원 실험동물센터(CACU) 소개
CACU는 2008년 이길여암당뇨연구원의 개원과 동시에 업무를 시작하였으며 3,300 m2의 면적에 최대 28,000마리의 마우스 및 랫(rat)을 동시에 사육할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다. CACU는 센터장(이영재), 전담수의사(안재범), 동물임상병리사(노경진) 및 12명의 사육사를 통해 운영되고 있으며 국제적 수준의 사육환경 유지를 위해 정기적인 미생물모니터링과 더불어 자발적 평가와 이에 대한 인증 프로그램을 통해 과학 분야에서 동물의 인도적인 취급을 장려하는 비정부기구인 국제실험동물인증협회(AAALAC)의 실험동물 전반에 대한 인증(full accreditation)을 2010년 획득한 이래 지금까지 유지하고 있습니다. CACU의 사육실은 전체적으로 개별 환기 시스템이 적용된 specific pathogen free (SPF) 상태로 운영되며 크게 일반적인 동물 사육 및 실험이 가능한 A zone, 동물의 계통 보존과 유전자변형마우스 제작에 활용되는 B zone, 대사연구에 특화된 C zone, 감염성동물실험(Biosafety Level-2)이 가능한 D zone및 지원 구역으로 구성되어 있습니다.
CACU는 마우스 및 랫의 사육 지원 서비스 외에도 센터 내에 동물임상병리를 위한 Histology 코어, in vivo imaging 장비(IVIS optical imaging, Near-infrared light imaging) 및 9.4T Magnetic Resonance Imaging(MRI) 장비를 구축하여 연구자들의 동물 연구를 지원하고 있습니다. 특히 2021년에 국가로부터MRI 장비를 중심으로 핵심연구지원센터로 지정되어 사육시설 뿐만 아니라 동물영상 장비의 외부 활용을 적극적으로 지원할 수 있는 토대를 마련하였습니다.
그림 3. CACU 시설 현황
□ 최근 주요 논문성과
1. Kim BG§, Jung J-H§, Kim M-J, Moon EH, Oh J-H, Park J-W, Cha H-E, Kin J-H, Kim Y-J, Chung J0W, Hahm K-B, Jin H-R, Jang Y-J, Kim SW, Chung S-K, Kim A-W, Lee YJ*, Kim S-T*. Genetic variants and clinical phenotypes in Korean patients with hereditary hemorrhagic telangiectasia. Clin Exp Otorhinolaryngol. 2021;Online ahead of print.
2. Kim YH, Vu PN, Choe SW, Jeon CJ, Arthur HM, Vary CPH, Lee YJ*, Oh SP*. Overexpression of activin receptor-like kinase 1 in endothelial cells suppresses development of arteriovenous malformations in mouse models of hereditary hemorrhagic telangiectasia. Circ Res. 2020;127:1122-1137
3. Moon EH§, Kim YH§, Vu PN, Yoo H, Hong K, Lee YJ*, Oh SP*. Tmem100 is a key factor for specification of lymphatic endothelial progenitors. Angiogenesis. 2020;23:339-355
4. Yoo H§, Lee YJ§, Park C, Son D, Choi DY, Park JH, Choi HJ, La HW, Choi YJ, Moon EH, Saur D, Chung HM, Song H, Do JT, Jang H, Lee DR, Park C, Lee OH, Cho SG, Hong SH, Kong G, Kim JH, Choi Y*, Hong K*. Epigenetic priming by dot1l in lymphatic endothelial progenitors ensures normal lymphatic development and function. Cell Death Dis. 2020;11:14
5. Kim BG, Kim YH, Stanley EL, Garrido-Martin EM, Lee YJ*, Oh SP*. Cxcl12-cxcr4 signalling plays an essential role in proper patterning of aortic arch and pulmonary arteries. Cardiovasc Res. 2017;113:1677-1687
6. Sung YH, Baek I-J, Kim YH, Gho YS, Oh SP, Lee YJ*, Lee H-W*. Pierce1 is critical for specification of left-right asymmetry in mice. Sci. Rep. 2016;6:27932