RNA Therapeutics Laboratory

Department of Life Sciences, Chung-Ang University

 

□ 연구책임자 및 구성원

교수(연구책임자) : 김학균 (hakyun@cau.ac.kr, https://sites.google.com/view/therapeuticrna)

연구원: (대학원생) 이새별, 안대기, 김동진, 김찬경

 

□ 연구실 개요
저희 연구실은 원형 RNA (circular RNA)를 이용한 생체 내 유전자 발현 플랫폼의 개발과 non-coding RNA (ncRNA)에 의한 post-transcription과 translation 단계에서의 유전자 조절 기전 그리고 여러 질병에서의 ncRNA의 역할에 대해 연구하고 있습니다. 현재 연구에 집중하고 있는 ncRNA는 tRNA-derived small RNA (tsRNA)입니다. tsRNA는 단백질 합성에 꼭 필요한 ncRNA인 tRNA의 다양한 부위에서 ribonuclease에 의해 절단되어 여러 타입으로 생성됩니다. 이러한 각각의 타입마다 다른 생성과정과 유전자 조절 기전을 가지고 있습니다. tsRNA는 다양한 암, 신경 질환과 같은 심각한 질병과 깊은 관계가 있는 것으로 보고되고 있지만 생성과정과 기전에 대해서는 알려진 바가 많지 않아 앞으로 더 많은 연구가 필요합니다.

□ 주요 연구 내용
저희 연구실에서는 현재 tsRNA에 의한 mRNA secondary structure 조절과 gene upregulation 조절 기전을 중점적으로 연구하고 있으며 이 연구를 통해 기존에 밝혀지지 않은 새로운 유전자 조절 현상의 발견 뿐만 아니라, 실험실, 기업, 병원 등에서 응용될 수 있는 새로운 mRNA/vector 유전자 발현 시스템의 제작 그리고 암의 진단 및 치료에 사용될 수 있는 새로운 바이오 마커 및 표적분자를 동정할 수 있을 것으로 기대됩니다.
이 외에 더 정확한 tsRNA sequencing 및 detection 방법 개발 등 실험 기법에 대한 연구 등을 통하여 추가적인 연구 진행에 기반을 다지기 위한 노력을 하고 있습니다.
또한 원형 RNA를 이용한 mRNA drug 개발 관련 연구도 함께 진행하고 있으며 이를 통해 선형 mRNA 백신의 단점을 극복하고 효율을 증대시키고자 합니다.

Modified from Lee, Saebyeol, et al. Experimental & molecular medicine (2023).

 

□ 연구 주제

1. tsRNA에 의한 mRNA secondary structure 조절 기전 연구
Leu(CAG)-tRNA의 3’ 끝에서 생성되는 22nt tsRNA (LeuCAG3’tsRNA)는 ribosome biogenesis에 중요한 역할을 하는 ribosomal protein S28 mRNA의 secondary structure를 바꾸어서 ribosomal protein S28 mRNA의 translation을 용이하게 만들어 준다고 밝혀져 있습니다. 하지만, target mRNA의 secondary structure를 바꾸는 자세한 기전에 대해서는 아직까지 연구가 미비하기에 본 연구실에서는 다양한 Next-Generation Sequencing (NGS) 방법을 이용하여 tsRNA에 의한 mRNA의 secondary structure 변환을 연구하고자 합니다.

 

2. tsRNA에 의한 gene upregulation 조절 기전 연구
본 연구실에서는 기존에 알려지지 않은 새로운 타입의 tsRNA가 mouse lung cancer model에서 매우 높은 발현을 보이고 있음을 발견하였으며, 이러한 tsRNA가 target gene을 upregulation 시킬 수 있음을 실험을 통해 알게 되었습니다. 이 새로운 타입의 tsRNA는 mRNA의 secondary structure를 바꾸어 translation을 향상시키는 tsRNA와 다른 기전을 가지고 있는 것으로 파악되고 있고 현재 그 자세한 기전에 대한 연구를 진행 중에 있습니다. 이를 위해 Genome-wide CRISPR/Cas9 knockout screening을 이용하여 새로운 타입의 tsRNA와 연관이 있는 유전자를 찾고자 합니다. 뿐만 아니라 새로운 타입의 tsRNA의 biogenesis, biological target, 다양한 스트레스 상황에서의 발현을 확인하기 위한 연구를 병행하며 small non-coding RNA (sncRNA)에 의한 유전자 상향 조절 기전을 밝히기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 또한, cancer와 심혈관계 질병에서 이러한 tsRNA의 역할에 대해서도 연구 중에 있습니다.

 

3. tsRNA sequencing 및 detection 방법 개발
최근 연구들은 tRNA로부터 절단되어 생성된 tsRNA가 다양한 암과 질환들에 관련이 있으며, biomarker로 이용될 수 있는 가능성 등이 보고되고 있습니다. 이러한 tsRNA를 연구하기 위해 NGS를 기반으로 한 실험이 중요하지만, 그 중요성에 비해 분석 방법에 여러 가지 한계점이 존재합니다. 특히 mature-tRNA에서 절단되어 생성된 tsRNA는 post-transcriptional modification (PTM)을 굉장히 많이 가지고 있기 때문에 NGS 분석을 수행하는 데에 있어 방해물이 됩니다. 본 연구실은 이러한 한계점을 극복하기 위해 tsRNA에 특이적인 sequencing method를 개발하는 연구를 진행하고 있습니다. 또한 tsRNA의 생물 정보학 분석을 용이하게 하기 위한 플랫폼과 패키지 개발도 동시에 진행하고 있습니다.

 

4. 원형 RNA를 이용한 mRNA vaccine platform 개발
원형 RNA는 5'cap 구조와 3'poly(A) tail이 없는 RNA로 이러한 구조적 특성 덕분에 생채 내 분해효소에 대한 저항성이 높으며 선형 RNA에 비해 안정적입니다. 저희 연구실에서는 원형 RNA를 이용하여 선형 RNA의 단점을 극복한 mRNA drug platform을 개발하기 위한 연구를 진행하고 있으며, 이를 이용한 지방간 질환 치료제와 OTC 결핍증 치료제 개발 연구도 진행 중에 있습니다. 선형 mRNA 백신은 체내 항원 발현율이 낮으며, 구조적으로 불안정하기 때문에 초저온 상태로 유통되어야 한다는 한계점이 있으며, 기존의 선형 mRNA 기술은 5′capping 및 modified nucleotide 기술 등에 대한 특허가 많기 때문에 기술적, 법적 제약이 큰 상황입니다. 이에 반해 원형 mRNA는 기존 특허를 우회할 수 있는 가능성이 크고, 무엇보다 제조 원가가 선형 mRNA보다 낮기에 경제성 측면에서도 유리하여, 차세대 mRNA 플랫폼으로 주목받고 있습니다.
이러한 연구를 바탕으로 새로운 질병에 대한 신규 백신 및 치료제의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

 

Adapted from Das, Uddalak, et al. Cancer Pathogenesis and Therapy (2024).

 

□ 실험실 생활
저희 연구실은 매년 다양한 학술대회에 참여하여 학문적 역량을 키워가고 있습니다. 국내에서는 International Conference of KSBMB, International Conference of the KSMCB, 리보핵산분과모임, KSBMB-EMM Winter Conference, 등에 참여하고 있으며, 해외에서는 annual RNA Society meeting, tRNA Conference 등 다양한 학술대회에 참여하고 있습니다. 이 과정에서 전 세계 연구자들과의 교류를 통해 의견을 나누고, 전문 지식을 습득하며, 최신 연구 동향을 파악할 수 있는 기회를 얻고 있습니다. 또한 연구실 내에서는 정기적인 미팅과 회식 자리를 통해 서로의 실험 진행 상황과 결과를 공유하고, 활발한 논의를 통해 실험의 완성도를 높이기 위한 노력을 하고 있습니다.