한국기초과학지원연구원(KBSI) 서울서부센터 통합 대사체 연구그룹
(Integrated Metabolomics Research Group)
구성원
연구책임자: 황금숙 (책임연구원)
연구원: 안윤경(책임), 정영애(선임), 이주은(선임)
박사후연구원: 안은용
박사과정: 현진성, 장서영
석사과정: 김다인, 한예영, 이희연, 경가신
분석기술원: 이재현, 김민정
1. 연구실 개요
한국기초과학지원연구원(KBSI) 통합 대사체 연구 그룹은 2005년 고려대내 서울센터에서 시작하여 2014년에 이화여대 산학협력관에 위치한 서울서부센터로 이전하였으며 핵자기공명분광기(NMR) 및 질량분석기(MS)를 기반으로 한 메타볼롬 전문 분석 및 메타볼로믹스 연구를 수행하고 있다.
대사체학(metabolomics)은 다양한 유전, 생리/병리 또는 환경 등의 조건에서 변화되어 나타나는 생체 내 저분자량 대사체군을 정성적 또는 정량적으로 분석하고 해석함으로써 생명현상의 변화와 원인을 규명해 나가는 연구 분야이며 최근 바이오의〮학 연구를 위한 주요 기법으로 각광받고 있다. 대사체학은 인체의 질환에 응용되는 속도가 매우 빠르며, 각종 질환뿐 만 아니라 환경, 식물/식품, 미생물 등의 분야에서의 대사체학 연구가 매우 다양하게 수행되고 있다. 이와 같은 현상은 융합오믹스와 정밀의료 분야의 발전과 더불어 최근에 더욱 가속화되고 있는 추세이다. 대사체(metabolite)는 표현형체와 가까운 소분자로서 유전적 요인 뿐만 아니라 라이프스타일, 식이, 마이크로바이옴 등과 같은 환경적인 요인에 영향을 받고 있기에, 다양한 연구 디자인을 통한 연구 결과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
대사체학 연구에서 가장 흔히 사용되는 생체시료는 비침습적 방법으로 얻을 수 있는 소변 샘플과 다른 생체시료보다 덜 침습적인 방법으로 얻을 수 있는 혈액 샘플로 수백에서 수천개의 대사체들을 검출할 수 있다. 그 외에도 뇌척수액, 담즙액 등과 같은 시료 뿐만 아니라 조직 시료 등도 질환 대사체학 연구에 이용될 수 있다. 또한 식물, 식품, 미생물, 환경 등으로부터의 다양한 형태의 시료들이 추출을 통하여 대사체학 연구에 사용 가능하다.
2. 연구 장비 및 분석기법 현황
(1) 통합 대사체 분석 시스템 구축
본 연구그룹은 핵자기공명분광기(NMR) 및 질량분석기(MS) 기반 통합 대사체 분석 시스템을 이용하여 질환 관련 임상 및 생체 시료 분석 방법을 확립하였다. NMR은 매우 정확한 정량적인 분석이 가능하고 재현성이 좋다는 장점을 가진 반면 낮은 감도와 피크들의 겸침이 있다는 단점을 가지고 있다. MS의 경우 감도가 좋아 미량 분석이 가능하지만 재현성이 낮으며 질량분석기 자체가 본래 지니고 있는 기기 오차로 인해서 분석 데이터의 편차가 심하다는 단점이 있다. 질량분석기는 주로 크로마토그래피와 연결하여 사용하며 LC(Liquid Chromatography)와 GC(Gas Chromatography)가 많이 이용된다. 그러므로 NMR과 MS의 통합 대사체 분석은 서로의 단점을 보완하며 더욱 넒은 범위의 대사체들의 관찰을 가능하게 해준다. 현재 한국기초과학지원연구원 서울서부센터에 설치된 2대의 NMR 장비 (600MHz & 800MHz NMR)와 8대의 LC-MS 장비 (4대의 UPLC-QTOF MS & 4대의 UPLC-TQ MS), 2대의 GC-MS 장비 (2D GC-TOF MS & GC-TQ MS)를 활용하여 대사체학 연구를 수행하고 있다.
특히 2014년 도입되어 설치된 고감도 고속대량 (High-throughput) SPE-800MHz NMR-MS System은 저온탐침(cryo probe)의 장착으로 고감도 분석을 가능하게 하여 극미량의 생체시료 속 대사체의 확인을 가능하게 할 뿐만 아니라 자동화 장치를 통해 대용량의 시료를 빠르고 정확하게 분석할 수 있게 한다. 이는 대용량 스크리닝 시스템 및 표준화된 분석기법을 제시할 것으로 기대되며, LC-SPE 시스템을 이용한 분리 농축된 미지 물질의 NMR/MS 동시 분석을 통해 알려지지 않은 대사체의 구조 확인을 가능하게 할 수 있다.
하나의 세포 안에 존재하는 모든 대사물질을 정량, 정성 분석하는 것은 쉽지 않다. 그래서 미량의 대사물질들을 동정하고 정확하고 재현 가능한 정량분석을 가능하게 하는 것이 대사체학에서 매우 중요하다. 대부분 미량으로 존재하는 바이오마커 물질들을 동정하기 위해서는 최상의 감도를 가진 최첨단 최신 장비들의 사용이 필수적이다. 이에 따라 본 연구그룹은 고자장의 NMR 장비나 고분해능의 질량분석기와 함께 가능한 많은 대사체들을 동정할 수 있도록 하는 대사체 라이브러리 및 바이오인포메틱스 기반 기술을 포함한 통합 대사체 분석 시스템을 구축하였다.
그림 1. 통합 대사체 분석 시스템
(2) 바이오마커 발굴 및 대사기전 규명 기술
그림 2. 마커 발굴 또는 대사기전 규명을 위한 대사체학 연구 흐름
(3) 융합 오믹스 분석 기술
시스템 레벨에서의 유전체, 전사체, 단백체와의 융합 분석은 전체적인 오믹스 정보의 확보를 가능하게 하며 유전적 또는 환경적인 요인에 의한 변화를 보다 복합적이고 체계적으로 분석 가능하게 한다. 이를 통한 총체적인 대사 네트워크 구축은 새로운 패러다임의 구축에 기여할 수 있기에 대사체학을 기반으로 여러 오믹스와의 융합 분석 기술을 확립하였다.
그림 3 융합 오믹스 분석 기술
(4) 대사흐름 분석 기술
기존의 대사연구는 대부분 특정 시점에서 대사체의 농도 변화를 확인하기 때문에 기전 활성도(pathway activity)에 대한 정보를 정확히 제공하지 못할 뿐만 아니라, 복잡한 경로로 연결된 대사과정의 경우 다중 경로로 인해 변화된 대사체 농도에 대한 잘못된 해석의 가능성이 있다. 이에 각 대사체의 안정동위원소표지 패턴을 측정하고 분석하면 세포 내 흡수/배출 속도와 관련 대사경로의 흐름(플럭스, flux) 크기를 알 수 있다. 그리하여 최근에는 질환의 대사연구를 위해 안정동위원소표지 추적자를 활용한 대사체 분석 기술이 주목받고 있으며, 대사 변화 검증을 위한 필수 기술로도 자리 잡고 있다. 본 연구그룹은 질환 관련 대사흐름 분석을 위해 LC-MS 분석을 통한 안정동위원소 추적을 위한 기반 기술 및 시스템을 확보하였고 질환의 발병 원인 및 신약개발 기전 연구에 활용하고 있다.
그림 4. LC-MS 기반 안정동위원소 추적 기술을 활용한 대사흐름 분석 기술
3. 주요 연구 분야 및 내용
대사체학은 외부 환경 자극이나 유전적 변동에 의해 대사가 변화된 시료들간의 차이를 연구하는 분야로 질환, 환경, 식물/식품, 미생물 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.
(1) 질환 대사체학
여러 응용 분야들 중에서 질환 대사체학 연구는 생체 내 대사체군 분석을 통하여 질환 관련 생체 지표 대사체인 바이오마커를 발굴함으로써 질환의 조기 진단법 개발이 가능해지고 그 기능을 규명하여 병인을 밝혀 나갈 수 있다. 인간의 몸에는 약 3,000-5,000개의 검출 가능한 대사체들이 있고, 그 중에서 상당수의 대사체들이 이미 확인된 것으로 알려져 있다. 생물학적 상태에서의 변화는 많은 중요 질환과 관련되거나 특정 세포 대사과정에 연관된 특정 내인성 대사체의 흐름의 변화에 기초하므로 대사체학은 현재의 질환 상태나 치료 정도와 밀접한 중요한 정보를 보여줄 수 있다. 이 때 생체 시료들의 대사체 프로파일링은 식이, 나이, 민족, 약물, 생활습관, 장내 미생물군집과 같은 많은 요소들에 의해 영향 받으므로 이러한 요소들은 질환에 특화된 정보를 얻기 위해서 통제되거나 배제되어야 한다.
질환 대사체학 연구로 심근경색, 협심증, 동맥경화 등과 같은 심혈관 질환을 포함하여 신장 질환, 간질환, 암 등의 다양한 질환에서 혈액이나 소변과 같은 비침습적인 임상 샘플을 활용하여 질환 마커를 발굴하고자 하였다. 관련 연구결과들은 Kidney International 등의 임상저널을 포함하여 지난 10년동안 20여편에 발표되었다. 또한 질환 관련 대사경로나 병인 메카니즘을 밝히고자 동물 모델로부터 얻어진 혈액이나 뇨 시료 뿐만 아니라 여러 조직 시료들에서 대사체 분석을 수행하였고, 관련 연구결과들은 지난 10년동안 Atherosclerosis지를 포함하여 30여편에 발표되었다.
(2) 환경 대사체학
급속한 기술 발달로 인해 대기오염, 수질오염, 토양오염 등 다양한 환경 오염이 초래되었고, 이로 인한 여러 오염원 및 유해물질에 노출되면서 사람들의 안전과 건강이 위협받게 되었다. 따라서 대사체학을 통해 방사선, 환경호르몬, 미세먼지 등 다양한 오염원이나 유해물질에 노출되었을 때의 대사변화를 분석하여 신체 내 영향을 확인하였다. 관련 연구들은 지난 10년동안 Environmental Toxicology지를 포함한 10여편에 발표되었다.
(3) 세포 대사체학
세포를 활용한 대사체 분석 연구는 동물모델과 더불어 인간의 질환에 대한 병인 메커니즘 규명을 위해 빈번하게 수행되고 있다. 본 연구그룹에서는 여러 대학, 연구소 및 병원과의 공동연구를 통해 암세포, 신장세포, 뇌세포 등 다양한 세포 내/외 대사체 변화를 연구하고 이를 활용한 병인 메커니즘 및 치료타겟에 대한 규명을 수행하였다. 관련 연구들은 지난 10년동안 Nature Communication지를 포함하여 10여편의 학술지에 발표되었다.
(4) 식물/식품 대사체학
식물체 전체에 존재하는 것으로 알려진 대사물질의 종류는 20만 종류로 추정되고 있는데 이러한 식물의 대사체들은 외부의 환경변화나 내부의 유전적 변화에 의해서 변하게 된다. 이러한 식물 대사체들의 변화를 관찰하는 식물 대사체학 연구는 원산지/종 판별 연구, 식물의 스트레스 반응 연구 등에 많이 응용되고 있다. 관련 연구들은 지난 10년동안 Food Chemistry지를 포함하여 20여편에 발표되었다.
4. 최근 주요논문 성과
(1) Lee JY, Nam M, Son HY, et al. Polyunsaturated fatty acid biosynthesis pathway determines ferroptosis sensitivity in gastric cancer. Proc Natl Acad Sci U S A, 2020 Online published.
(2) Lee SM, Lee SH, Jung Y, et al. FABP3-mediated membrane lipid saturation alters fluidity and induces ER stress in skeletal muscle with aging. Nat Commun, 2020 11(1):5661.
(3) Jung Y, Lee MK, Puri P, et al. Circulating lipidomic alterations in obese and non-obese subjects with non-alcoholic fatty liver disease. Aliment Pharmacol Ther, 2020 52(10):1603-1614.
(4) Jo HA, Hyeon JS, Yang SH, et al. Fumarate modulates phospholipase A2 receptor autoimmunity-induced podocyte injury in membranous nephropathy. Kidney Int, 2020 Online published.
(5) Yoo HC, Park SJ, Nam M, et al. A variant of SLC1A5 is a mitochondrial glutamine transporter for metabolic reprogramming in cancer cells. Cell Metab, 2020 31(2):267-283.
(6) Yoon I, Nam M, Kim HK, et al. Glucose-dependent control of leucine metabolism by leucyl-tRNA synthetase 1. Science, 2020 367(6474):205-210.
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