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연구개요
노화는 시간에 따른 기능 저하 현상으로, 유전체 수준에서는 유전체 불안정성, 텔로미어 마모, 후성유전적 변화 등 다양한 손상 및 변화가 축적됨. 유전체 손상은 조직의 종류에 따라 축적되는 속도가 상당히 다를 뿐만 아니라 빈번하게 나타나는 염색체 부위가 존재한다는 특징을 지님. 특히 텔로미어 지역은 유전체 손상이 일어나는 중요한 부위로, 세포 분열이나 ROS, UV를 비롯한 스트레스로 인해 텔로미어가 마모되면 세포 분열을 멈추는 타이머가 작동돼 세포 노화(cellular senescence)가 일어나고, 이는 DNA 손

연구개요
노화는 시간에 따른 기능 저하 현상으로, 유전체 수준에서는 유전체 불안정성, 텔로미어 마모, 후성유전적 변화 등 다양한 손상 및 변화가 축적됨. 유전체 손상은 조직의 종류에 따라 축적되는 속도가 상당히 다를 뿐만 아니라 빈번하게 나타나는 염색체 부위가 존재한다는 특징을 지님. 특히 텔로미어 지역은 유전체 손상이 일어나는 중요한 부위로, 세포 분열이나 ROS, UV를 비롯한 스트레스로 인해 텔로미어가 마모되면 세포 분열을 멈추는 타이머가 작동돼 세포 노화(cellular senescence)가 일어나고, 이는 DNA 손상 반응까지 일으켜 염색체 수준의 거대한 재배열을 유도해 세포의 기능을 저해시킴. 텔로미어 손상 등 유전체 손상을 일으키는 원인이 세포마다 다른 양상으로 나타나기 때문에 각 세포는 서로 다른 양상의 유전체 손상을 겪게 되며, 이러한 변이가 세포 노화에서 나타나는 이질성의 주요 원인이 됨. 또 이러한 유전체 수준의 손상은 대개 기존 short-read 시퀀싱 기법으로는 분석할 수 없는 큰 손실, 재조합, 반복적인 복제 등 다양한 구조 변이를 동반함. 이러한 노화의 이질성과 구조변이를 이해하고자, 본 연구에서는 생쥐 배아 섬유아세포(MEF)와 노화 동물 모델을에서 Pacific Bioscience (PacBio) 및 Oxford Nanopore Technologies (ONT) 사의 long-read 시퀀싱 기법을 활용하여 각 조직에서 노화 세포 특이적으로 축적되는 구조 변이와 유전자 동형을 규명하고자 함.

연구 목표대비 연구결과
1. 세포 모델을 활용하여 노화 특이적 구조 변이 규명
· Long-read sequencing 기반 de novo 염색체 제작 및 구조 변이 분석이 가능한 파이프라인 구축
· 텔로머레이즈 결손 배아줄기세포와 베르너 증후군 (DNA 손상 치료 유전자 결손모델) 으로 인해 세포 노화가 유도되는 인간 섬유아세포주의 노화 과정에서 특이적으로 돌연변이가 발생하는 핫스팟 규명
· 2. 세포 모델을 활용하여 노화 특이적 유전자 동형 규명
· MEF의 세포 노화가 진행됨에 따라 발생하는 노화 특이적 전사체 변화를 규명하기 위해 PacBio Iso-Seq수행함.
· 노화 과정에서 다양한 유전자에서 인트론이 제거되지 않고 남아있음을 확인
· PacBio Iso-Seq으로 척추관협착증 환자의 다양한 유전자에서 유전자 동형의 종류가 바뀜을 확인하였으며, BMP6의 유전자 동형의 구조가 변화함을 규명
3. 동물 모델을 활용하여 노화 조직 특이적 SV 및 유전자 동형 변화 규명
· 예쁜꼬마선충 모델을 활용하여 텔로미어 결손으로 인한 노화 과정에서 발생하는 텔로미어 결합 및 서브텔로미어 지역의 변화를 PacBio long-read sequencing으로 규명함.
4. 동물 모델을 활용하여 노화 군집의 이질성 규명
· 본 연구를 통해 노화 과정에서 조직은 유전체(동형) 수준의 상당한 변화가 발생하는 것을 규명하였으며, 특히 전신적 노화를 유발할 수 있는 인자를 발현하는 새로운 세포 군집을 발굴함으로써 노화 세포 치료의 타겟이 될 수 있는 군집을 새롭게 발굴함

연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
학문적 중요성: 노화 과정에서 나타나는 유전체 수준의 거대한 변이를 최초로 규명
· 본 과제를 통해 세포 노화 과정에서 나타나는 큰 유전체 구조 변이를 새롭게 규명하고, 구조 변이가 노화 세포의 기능에 미치는 영향을 새롭게 밝힐 수 있을 것으로 내다봄. 또 아직까지 노화 세포에서 유전자 동형의 영향이 집중적으로 연구된 바가 거의 없었는데, 본 과제를 통해 새롭게 발굴하는 노화 세포 및 조직 특이적인 유전자 동형은 노화의 새로운 마커 혹은 노화 세포 제어를 위한 새로운 타겟이 될 것으로 기대함.
· 현재까지 노화 세포 제거 연구의 패러다임은 다양한 마커 유전자를 이용하여 노화 세포를 규명하고, 노화 세포를 특이적으로 제거할 수 있는 toxin, peptide 등을 사용하는 방식으로 진행되고 있음. 그런데 노화 세포는 SASP를 통해 정상세포에도 밀접한 영향을 미치고 있으며, 이러한 기전이 암을 유발하기도 함. 본 과제를 통해 노화 세포 제거 이후에 남아있는 세포의 구조 변이와 유전자 동형을 추적하고, 정상 세포의 기능을 되돌리는 데 기여할 수 있다면 더 효과적인 항-노화 전략을 수립하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대함.
· 현재까지 노화 세포를 in vivo에서 농축할 수 있는 전략은 in vitro 모델의 마커를 이용한 방법론에 국한되어 있었음. 본 연구팀에서 다양한 노화 세포 데이터를 분석한 결과와 노화 세포의 이질성을 고려할 때 노화 세포를 많이 농축할 수 있는 전략이 중요함. 본 연구에서 밝힌 노화 세포 농축 전략은 노화의 특성을 규명하는 scRNA-seq 분석에서 널리 활용될 수 있을 것으로 전망함.
응용 측면에서의 중요성: 개인 맞춤형 노화 세포 제거 전략에 기여
· 노화의 주요 원인인 텔로미어 마모를 비롯한 다양한 기전이 개별 세포와 조직마다 다른 정도로 영향을 미칠 뿐만 아니라 개인 간 차이 또한 존재하기 때문에 노화 세포 제거를 위한 전략 수립에는 개인 유전체 정보에 대한 이해가 필수적임.
Short-read 시퀀싱을 통해 개인별로 노화 관련 타겟 유전자의 SNP 정보를 확인하는 것에 본 연구에서 확립한 LEET-seq을 통한 구조 변이 분석을 더한다면 개인 맞춤형 노화 세포 제거를 위한 타겟 발굴로 연구를 확장할 수 있을 것으로 기대함.
· WHO에서 노화에 질병 코드(MG2A)를 부여하는 등 노인성 질환이 아닌 노화 자체를 타겟으로 하는 시장이 점차 열릴 것으로 기대됨. 본 연구가 성공적으로 수행된다면 효과적인 노화 치료 전략을 선점할 수 있을 것으로 기대됨.
· 노화 세포를 제거하는 senolytics는 노인성 질환 및 다양한 전임상 모델에서 효능이 입증된 가장 촉망받는 역-노화 전략임. 해당 과제를 통해 새롭게 밝힌 노화세포의 in vivo 특성을 기반으로 노화 세포를 타겟팅할 수 있는 세포 치료제, 나노기반 약물 전달 기술과 협업한다면 새로운 치료제 전략을 마련할 수 있을 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• (1) 세포 모델을 활용하여 노화 특이적 구조 변이 규명 ... 7
• (2) 생체 내 노화 세포 특성 분석 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 11
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 11
• 2) 목표 달성 수준 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• (1) 학문적 중요성: 노화 과정에서 나타나는 유전체 수준의 거대한 변이를 최초로 규명 ... 13
• (2) 응용 측면에서의 중요성: 개인 맞춤형 노화 세포 제거 전략에 기여 ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 13
• 7. 참고문헌 ... 14
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 17
• 끝페이지 ... 29