뇌신경질환(우울증, 자폐증)과 장 마이크로바이옴의 상관관계를 모델동물과 인간에서 연구하며, 이 질환과 연관된 장 마이크로바이옴과 대사물질을 규명함 - 본 연구진이 이미 확보한 우울증 또는 자폐증 마우스(녹아웃마우스)의 장 마이크로바이옴 비교분석 연구 - 새로운 뇌신경질환 모델동물(지브라피쉬, 마우스) 구축 및 장 마이크로바이옴 비교분석 연구 - 우울증 또는 자폐증 환자의 장 마이크로바이옴 비교분석 연구 - 우울증 또는 자폐증 유발 미생물(군) 및 특이 대사물질(표지물질) 규명 장 마이크로바이옴이 우울증과 자폐증에 미치는 영향을 개체, 세포 그리고 분자 수준에서 연구함 - 모델동물을 이용한 유전적 요인과 환경적 요인이 장 마이크로바이옴 구성 변화에 미치는 영향 연구 - 우울 및 자폐 증상과 연관된 면역, 뇌 발달, 뇌신경세포 형태 및 기능에 장 마이크로바이옴이 미치는 영향 연구 우울 및 자폐 증상 개선에 사용 가능한 원천 소재를 개발함 - 본 연구를 통해 발견된 우울증 또는 자폐증 유발 미생물(군) 및 이들이 만드는 특이 대사물질과 숙주의 상호작용 메커니즘 연구 - 규명된 미생물(군)과 대사물질의 우울증 또는 자폐증 개선 효과 연구 생체유래물로부터 우울 및 자폐 증상을 분석할 수 있는 원천기술을 개발함 - 도출된 질환별 바이오마커(미생물, 대사물질)를 현장에서 진단할 수 있는 Point-of-Care-Test (PoCT) 시스템(전처리 기술, 지표물질 탐지신호 증폭 기술, 다중분석 기술) 개발 - PoCT의 모델동물 및 휴먼 코호트 적용을 통한 뇌신경질환 작용메커니즘 검증과 피드백을 통한 유효 표지물질의 개발 - 분변에서 우울증 및 자폐증 유발 미생물(군) 또는 대사물질 탐지 가능 고속분석기술 개발 우울 및 자폐 증상을 상시 모니터링하고 관리할 수 있는 솔루션을 개발함 - 식이 조절에 따른 장 마이크로바이옴 및 표지물질 변화 분석 - PoCT 기술을 이용한 뇌신경질환 상시 모니터링 체계 구축 - 한국인에 적합한 뇌신경질환 예방 및 증상 개선을 위한 마이크로바이옴 조절 체계 구축

1. Sir2에 의한 세포질 pH 조절이 영양분 신호전달경로 활성에 미치는 영향 및 분자기전 규명 ◼ 세포질 pH 항상성(homeostasis) 유지 및 조절은 세포 생장과 생존을 위해 반드시 필요하다. 세포질 pH는 세포의 생리적 상태에 따라 변하며, 이 변화에 맞춰 세포 소기관을 포함한 세포 내 모든 기능이 합목적적으로 조절되기 때문에, 세포질 pH 항상성 조절과 세포질pH에 의한 생리대사 조절 메커니즘에 대한 연구는 매우 중요하다. 본 연구에서는, (1) 세포질 pH 조절에 핵심적인 Sir2의 기능이 영양분 신호전달경로들과 어떻게 연결되어 있는 지를 알아보기 위해 - TORC1과 Sit4, Kns1의 연결과 연관된 기전을 규명할 것이며, - 탄소원 또는 질소원 특이적인 TORC1에 의한 세포질 pH 조절신호 기전을 밝힐 것이다. (2) 세포질 pH 조절이 생리대사에 미치는 영향을 분석하고 관련된 기전을 밝히기 위해 - PMA1 발현 조절과 세포질 pH 변화와 연관된 분자기전을 규명하고, - Pma1 활성 조절 kinase를 발굴하여 기전을 규명하고, - 세포질 pH 상승 시 활성화 되는 Gtr1과 Arf1을 조절하는 인자를 찾고, - 세포질 pH와 세포 생리대사 조절 과정을 유전체 수준에서 살펴보는 연구를 수행할 것이다. (3) Sir2에 의한 세포질 pH 조절이 세포노화에 미치는 영향을 분석하기 위해 - TORC1 활성/비활성(GTR1Q65L/ GTR1S20L), Sir2 활성/비활성(SIR2S473A/ SIR2S473E)를 조합한 상태의 효모 균주들의 유전체 발현 양상을 노화 관련 유전자들과의 연관성을 중심으로 분석하고 확인하며, - Sir2 활성/비활성 균주에서 수명조절인자 Los1 조절 기전을 연구할 것이다. 2. Sir2에 의한 미토콘드리아 역동성(dynamics) 및 기능 조절 기전 규명 ◼ 본 연구진은 선행연구를 통해 Sir2가 미토콘드리아 역동성 및 기능 조절에 관여할 가능성을 알았다. 본 연구에서는 Sir2에 의한 미토콘드리아 역동성과 기능 조절 기전을 밝히고, 이 조절이 세포노화에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는, (1) Sir2가 미토콘드리아의 역동성 및 기능을 조절할 때 필요한 또는 상호 영향을 미치는 인자들을 찾아서 분자기전을 밝히고, 이들이 효모의 복제적 수명에 미치는 영향을 분석하기 위해 - Chemical-genetic synthetic method와 - RNAi 스크리닝 방법을 이용해서 관련 유전자를 발굴한 후, - Age 5-6 효모에서 미토콘드리아 형태 및 막전위차를 분석함으로써 관련성과 기전을 밝힐 것이다. (2) Sir2에 의한 미토콘드리아 역동성 및 기능 조절이 복제적 수명에 미치는 영향을 연구하기 위해 - 최종 선별된 균주들을 대상으로 MTS-tagged Redox-sensitive GFP (MTS-roGFP2) 이용한 미토콘드리아 redox potential을 분석하고, HSP104-GFP를 이용한 단백질 응집체 처리 능력 등을 분석하고, - Age 별로 효모를 분리한 후 미토콘드리아 기능을 분석해서 복제적 수명과의 연관성을 규명할 것이다.

1. Sir2에 의한 세포질 pH 조절이 영양분 신호전달경로 활성에 미치는 영향 및 분자기전 규명 ◼ 세포질 pH 항상성(homeostasis) 유지 및 조절은 세포 생장과 생존을 위해 반드시 필요하다. 세포질 pH는 세포의 생리적 상태에 따라 변하며, 이 변화에 맞춰 세포 소기관을 포함한 세포 내 모든 기능이 합목적적으로 조절되기 때문에, 세포질 pH 항상성 조절과 세포질pH에 의한 생리대사 조절 메커니즘에 대한 연구는 매우 중요하다. 본 연구에서는, (1) 세포질 pH 조절에 핵심적인 Sir2의 기능이 영양분 신호전달경로들과 어떻게 연결되어 있는 지를 알아보기 위해 - TORC1과 Sit4, Kns1의 연결과 연관된 기전을 규명할 것이며, - 탄소원 또는 질소원 특이적인 TORC1에 의한 세포질 pH 조절신호 기전을 밝힐 것이다. (2) 세포질 pH 조절이 생리대사에 미치는 영향을 분석하고 관련된 기전을 밝히기 위해 - PMA1 발현 조절과 세포질 pH 변화와 연관된 분자기전을 규명하고, - Pma1 활성 조절 kinase를 발굴하여 기전을 규명하고, - 세포질 pH 상승 시 활성화 되는 Gtr1과 Arf1을 조절하는 인자를 찾고, - 세포질 pH와 세포 생리대사 조절 과정을 유전체 수준에서 살펴보는 연구를 수행할 것이다. (3) Sir2에 의한 세포질 pH 조절이 세포노화에 미치는 영향을 분석하기 위해 - TORC1 활성/비활성(GTR1Q65L/ GTR1S20L), Sir2 활성/비활성(SIR2S473A/ SIR2S473E)를 조합한 상태의 효모 균주들의 유전체 발현 양상을 노화 관련 유전자들과의 연관성을 중심으로 분석하고 확인하며, - Sir2 활성/비활성 균주에서 수명조절인자 Los1 조절 기전을 연구할 것이다. 2. Sir2에 의한 미토콘드리아 역동성(dynamics) 및 기능 조절 기전 규명 ◼ 본 연구진은 선행연구를 통해 Sir2가 미토콘드리아 역동성 및 기능 조절에 관여할 가능성을 알았다. 본 연구에서는 Sir2에 의한 미토콘드리아 역동성과 기능 조절 기전을 밝히고, 이 조절이 세포노화에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는, (1) Sir2가 미토콘드리아의 역동성 및 기능을 조절할 때 필요한 또는 상호 영향을 미치는 인자들을 찾아서 분자기전을 밝히고, 이들이 효모의 복제적 수명에 미치는 영향을 분석하기 위해 - Chemical-genetic synthetic method와 - RNAi 스크리닝 방법을 이용해서 관련 유전자를 발굴한 후, - Age 5-6 효모에서 미토콘드리아 형태 및 막전위차를 분석함으로써 관련성과 기전을 밝힐 것이다. (2) Sir2에 의한 미토콘드리아 역동성 및 기능 조절이 복제적 수명에 미치는 영향을 연구하기 위해 - 최종 선별된 균주들을 대상으로 MTS-tagged Redox-sensitive GFP (MTS-roGFP2) 이용한 미토콘드리아 redox potential을 분석하고, HSP104-GFP를 이용한 단백질 응집체 처리 능력 등을 분석하고, - Age 별로 효모를 분리한 후 미토콘드리아 기능을 분석해서 복제적 수명과의 연관성을 규명할 것이다.

본 과제는 효모가 발효생장(glycolysis)에서 호흡생장(oxidative phosphorylation)으로 전환할 때 생기는 산화스트레스 극복과정에서 Sirtuin 단백질(Sir2) 역할을 규명하고 연대기적 수명(Chronological lifespan)에 미치는 영향을 분석하는 연구임. 연구목표는 호흡생장 상태에서 Sir2가 산화스트레스 저항성을 어떻게 조절하는지와 그 메커니즘 및 세포노화 영향을 밝히는 데 있음. 핵심 연구내용은 유전체 발현 분석과 ChIP로 Sir2 결합 위치 기반의 유전자 발굴, Sir2 의존적 발현 변화 확인, 스트레스 신호전달경로/전사조절인자 연계 조사, 연대기적 수명 영향 평가로 구성됨. 기대효과는 효모 산화스트레스·세포노화에 대한 기초지식 확립과 고등동물 세포노화 연구에 필요한 이해도 제공임.