의학은 지금껏 완치하지 못한 질환을 정복하는 방향으로 발달하고 있다. 발병하면 보존적 치료 외에는 손을 쓸 수 없는 병. 평생 인간답게 살지 못하는 고통에 시달리는 병을 치료하기 위해 유전정보를 갖고 있는 세포를 들여다보고 있다. DNA가 보유한 유전정보에 따라 단백질 합성에 관여하는 RNA를 알면 무병장수 시대를 여는 기틀을 마련할 수 있다. 한국과학기술원 생명화학공학과 김유식 교수의 'Double-stranded RNA의 조절 기전 및 기능 연구‘는 RNA 연구의 나아가야 할 방향을 제시하고 있다.

최선영 기자 csy@

관절염, 치매, 파킨슨 등 퇴행성 질환과 염증 질환, 자가면역질환은 환자의 삶을 피폐하게 만든다. 암에 걸리면 마지막 순간까지 긴장의 끈을 놓을 수 없어 환자의 삶은 망가진다. 의학은 끔찍한 질환으로부터 벗어나기 위해 세포 기전을 파헤치고 있다. 이젠 DNA를 넘어 RNA다. DNA는 상보적인 서열 간 결합을 통해 이중나선 형태로, RNA는 단일가닥(single-stranded) 형태로 존재한다고 알려진 것이 김유식 교수에 의해 뒤집어졌다. 그는 박사후연구원 시절, 인간의 세포에 DNA처럼 nucleotide 서열 간 결합을 통해 이중나선 형태로 존재하는 이중나선 RNA(dsRNA)가 있음을 알게 됐다. 특히 바이러스 특이적이라 알려졌던 이중나선 RNA가 인간 세포에 자연적으로도 존재하고 이들이 면역반응 단백질을 비롯한 이중나선 RNA 결합 단백질(dsRNA binding protein, dsRBP)를 통해 다양한 생물 현상을 조절할 수 있음을 파악했다. 한국과학기술원에 몸담게 된 그는 다음 단계로 인간 세포 내 존재하는 이중나선 RNA를 차세대 염기서열 분석기술(Next Generation Sequencing, NGS)을 이용하여 찾고 이들과 상호작용하는 단백질을 규명하여 그 기능을 도출하는 연구를 시작했다.

▲ 김유식 교수

서서히 정체 드러낸 이중나선 RNA
한국과학기술원 생명화학공학과 김유식 교수는 이중나선 RNA가 면역반응이나 질병과 연관이 있다는 가설을 바탕으로 한국연구재단의 지원을 받아 연구를 수행했다. 김 교수는 이중나선 RNA가 면역반응을 일으킨다면 병을 유발하는 세포를 사멸할 가능성도 염두에 두었다. 그는 박사후연구원때 포유류 세포에서 이중나선 RNA는 면역반응 단백질에 의해 인지되어 인터페론 생산, 염증성 시토카인 등 다양한 면역반응을 일으킨다는 연구 결과를 얻었다. 탄력을 받은 김 교수는 이번 연구를 통해 미토콘드리아 RNA가 이중나선 RNA로 존재하고 PKR의 활성을 조절하여 스트레스에 대한 세포 반응을 조절한다는 결과를 도출했다.
“J2라는 항체를 이용하여 세포에서 40 base-pair 이상의 dsRNA를 모은 후 NGS 라이브러리를 제작하고 분석했습니다. 또한 면역반응 단백질인 PKR과 결합하여 PKR을 활성화할 수 있는 dsRNA를 찾기 위해 PKR과 결합하는 dsRNA를 포름알데히드(formaldehyde)를 이용해 고정하고 모아서 NGS 라이브러리를 제작해 분석했습니다. 이를 통해 세포의 전체적인 dsRNA(dsRNAome)과 PKR이 결합한 RNA-interactome을 찾았습니다. 미지의 세계인 dsRNA에 대한 정보를 얻었고 면역반응을 일으킬 수 있는 RNA를 찾는 수확을 올렸습니다.”
김 교수는 인간 질병에 초점을 맞춰 dsRNA의 기능에 관한 연구를 수행 중이다. 바이러스 dsRNA를 인지하여 활성화되는 PKR과 MDA5 같은 면역반응 단백질이 다양한 인간 질병에서 활성화가 되어 있다고 보고돼왔다. 특히 PKR에 경우 관절염, 치매, 파키슨과 같은 다양한 퇴행성 질환과 염증 질환, 자가면역질환에서 활성화가 되어 있다는 보고가 많은데, 아직 어떠한 물질이 PKR을 활성화시키는지 밝혀지지 않은 상태다. 이에 김 교수 연구의 핵심은 PKR과 같은 dsRNA 센서 단백질이 관여하는 질병을 일으키는 원인 물질을 규명하며 dsRNA의 역할을 밝히는 것이다.

항암 치료의 새 지평 열 수 있을까
항암제도 김유식 교수 연구의 주요 관심 분야다. 항암제의 작용 기작 중 하나는 세포에 존재하는 dsRNA의 발현을 증가시켜 세포가 바이러스 감염으로 착각을 일으켜 세포 자가사멸을 유도한다는 보고가 있다. 그는 항암제에 의해 발현이 증가한 dsRNA가 PKR과 MDA5를 비롯한 다양한 dsRBP를 통해 세포 사멸을 유도함으로 dsRNA를 인지하는 단백질 발현을 기반으로 약물 반응성 예측 모델을 개발하는 연구를 수행하고 있다.
“앞으로 저의 연구 계획은 크게 세 가지입니다. 퇴행성 질환에서 PKR을 활성화 시킬 수 있는 dsRNA라는 새로운 발병 원인 물질 제시에 관한 연구, 항암제에 대한 약물 반응에서 dsRNA 기능 연구 및 dsRNA-dsRBP 상호작용 연구를 통해 약물 반응성 예측 모델 구축에 관한 연구, dsRNA 측정 센서를 개발하여 세포 내 dsRNA 발현 패턴 분석에 관한 연구입니다. 연구 결과를 확신할 수 있도록 수없이 많은 검증 실험을 수행하며 dsRNA에 대한 정확한 정보를 차근차근 확보했습니다. 앞으로도 신중한 자세로 결과를 해석하고 제시해 나갈 것입니다.”

그는 연구 결과를 통해 사회에 기여하기 위해 서울대병원 등 여러 기관과 협력하며 공동연구를 진행해왔다. 김 교수는 박사학위는 공대에서, 박사후연구원은 자연대 생명과학부에서 연구를 배웠고 다시 공대에서 인간 질병에 관련된 dsRNA 연구를 하며 의료진과 공동연구를 추진하고 있다. 기초과학, 공학, 임상학까지 분야를 넘나드는 공동연구가 우리나라의 미래 가치 창출에 기여할 수 있다는 확신이 있기 때문이다. 공동연구에 대한 열린 마음을 피력하면서 다양한 연구진을 연결하는 다리가 되어 헌신하겠다는 김유식 교수. 앞으로 그의 연구와 다양한 분야의 공동연구가 만나 미래의 인간 질병 극복을 위해 어떠한 시너지 효과를 낼지 그의 행보가 기대된다. NM