생화학분자생물학회

Molecular & Cellular Smell Biology(MCSB) Lab

 ​

구재형
DGIST New Biology전공

 

 

 

[연구실소개]

 

 

 

후각(Olfaction)은 냄새를 맡는 감각이다. 인간을 비롯한 동물들은 ‘코’라는 감각 기관을 통해 냄새를 맡는다. 냄새를 인지하는 핵심 역할을 하는 ‘후각수용체’는 기본적으로 비슷하나 서로 다른 화학물질을 구별하는 화학수용체이다. 그중 코에 있는 후각수용체들은 공기 중에 존재하는 휘발성 화학물질을 인식한다. 하지만 후각수용체(Olfactory Receptor)가 반드시 코에만 있는 것은 아니다. Brain을 비롯한 몸의 곳곳에 후각수용체(Odorant Receptor)가 존재한다는 것이 최근 보고되고 있다. 비후각조직에서 발현하는 후각수용체는 발현 장소를 강조한 Olfactory Receptor라기보단 화학물질을 인지하는 “이소성 화학수용체”인 Ectopic Odorant Receptor 혹은 Metabolite Receptor라고 명기하는 것이 더 합당하다고 생각한다. 이들은 서로 다른 수용체는 아니고 같은 수용체로서 발현하는 장소에 따라 다른 기능을 할 뿐이다.

예를 들어, 경동맥체(Carotid Body)에 발현하는 후각수용체는 저산소 환경에서 증가하는 젖산(Lactate)을 인지하여 호흡을 조절하고, 신장에서 발현하는 후각수용체는 장내 미생물이 분비하는 ‘대사체(Acetate & Propionate)’를 인지해 호르몬과 혈압을 조절한다. 미생물이 만들어내는 ‘짧은 사슬 지방산’이 신장의 후각수용체를 활성화시킨다고 보고되어 있다. 정자에도 후각수용체가 있어서, 정자가 화학 신호를 감지하고 그 농도 차에 따라 이동하는 방향이 결정된다는 사실이 최근 보고되었다.

 

 

 

 

 

[연구내용]

 

1. 주요 질문

 

MCSB Lab에서는 특히 Brain의 신경염증(Neuroinflammation) 및 대사(Metabolism)와 관련된 후각수용체와 그 역할에 대해 연구하고 있다. 본 연구실의 핵심 질문은 다음과 같다.

 

“장내미생물은 뇌기능을 어떻게 조절할까?”

“감염균의 대사체는 신경염증을 어떻게 유발할까?”

“음식 섭취로 인한 지방산은 어떻게 몸의 대사를 조절할까?”

 

생명체에 존재하는 G-단백질 연결 수용체(GPCRs)들 중 가장 많은 수를 차지하는 것이 후각수용체이나 아직까지 비후각조직에서 발현하며 기능이 확실히 밝혀진 수용체는 소수에 불과하다. 또한 400~1,000여개에 해당하는 후각수용체에 결합하는 반응 물질들 중 명확하게 규명된 것은 10% 정도뿐이므로, 이에 대한 연구도 충분히 가치가 있다.

 

 

 

2. 뇌에서 신경염증 연구

 

본 연구실에서 진행하는 비후각조직 후각수용체 연구 분야는 크게 세 가지로 나뉜다. 먼저 Brian의 면역을 담당하며 신경염증과 깊은 관련이 있는 교세포(Glia)의 화학수용체가 그 중심에 있다. 감염균(Pathogen) 감염 시 균에서 유도되는 물질이 면역반응을 일으키기에 충분하며 많은 연구가 되어 있다. 그러나 감염균 유도 대사체 특히 작은 화학물질에 대한 면역반응 및 신경염증에 대한 보고는 거의 없다. 본 연구실에서는 선행연구 결과를 통하여 박테리아 감염 시 분비하는 대사체에 의해 신경염증이 유발되는 것을 증명하였으며, 이것은 교세포에서 발현하는 후각수용체에 의해 매개된다는 연구결과를 토대로 연구를 진행하고 있다. 현재 타깃 후각수용체와 그에 결합하는 대사체에 대한 실체를 밝혔으며, 유전자 변형 동물을 보유하고 수용체와 리간드가 어떤 경로를 통하여 작용하고 있는지 좀 더 깊이 있게 들여다 보고 있다. 또한 이런 기작이 중추신경계의 면역질환인 뇌수막염과 어떤 상호관계가 있는지에 대한 연구를 하고 있으며 동물모델을 이용한 생체 내의 반응과 그 효용성을 알아보고 있다. 이와 같은 연구를 통하여 위에서 제시한 질문 중 하나인 “감염균의 대사체는 신경염증을 어떻게 유발할까?”에 답하고자 한다.

 

 

 

 

 

2. 대사질환 연구

 

둘째는 대사와 관련한 연구인 췌장의 후각수용체이다. 본 연구실에서는 췌장에도 후각수용체가 존재함을 세계 최초로 보고했다. 현재는 타깃 후각수용체가 어떤 물질에 반응하는지? 물질의 인식에서 반응까지의 경로가 어떻게 되며 어떻게 조절 받는지? 당뇨병 및 비만 등의 대사질환과의 상관관계는 어떻게 되는지? 좀 더 깊이 있는 연구를 유전자 변형 동물을 이용하여 진행하고 있다. 이 연구를 통해 대사질환에서 화학수용체를 통한 치료제 개발에 적용하고자 한다. 더불어 “왜 췌장의 소도(Pancreatic Islet)는 코에서 존재하는 동일한 후각수용체를 발현하여 냄새를 맡고 있는지?” 그 원초적인 질문에 답하고자 한다.

 

 

 

 

 

 

3. 장내미생물 대사체 작용에 관한 연구

 

셋째는 “장내미생물은 뇌 기능을 어떻게 조절할까?”라는 질문에 답하고자 장내미생물이 분비하는 대사체에 반응하는 후각수용체가 결핍된 낙아웃 마우스를 이용하여 본 연구를 진행하고 있다. 더불어 타깃 모델 동물이 병리적 상태에서는 어떤 변화가 있지는 행동학적, 세포학적, 생화학적, 조직학적으로 연구를 진행하고 있다.

후각수용체를 단지 냄새를 맡는 수용체라고 생각해왔다면 지금부터 인식의 전환을 통해 후각수용체가 가지고 있는 또 다른 재미있는 기능을 상상해보고 의미 있는 질문을 던져 보자.

 

 

[연구책임자]

 

 

구재형 교수

 

주소: 대구광역시 달성군 현풍면 333 대구경북과학기술원(DGIST) 뉴바이올로지전공 Molecular & Cellular Smell Biology(MCSB) Lab

전화: 053-785-6112(6136)

팩스: 053-785-1819

E-mail: jkoo001@dgist.ac.kr

Homepage: http://jkoo001.dgist.ac.kr/

 

 

[연구진구성]

 

교수: 구재형

리서치펠로우: 강나나

박사과정: 김도윤, 이나혜, 제윤규

석사과정: 조태호

연구원: 홍유리, 신형원

 

 

 

 

[대표논문]

 

1. Kang, C. W., Han, Y. E., Lee, M. K., Kang, N. N., Koo, J. H., Ku, C. R., Lee, E. J. (2017) Olfactory marker protein regulates prolactin secretion and production by modulating Ca²⁺ and TRH signaling in lactotrophs. In accepted.

2. Park, B. B., Lee, N. H., Kim, Y. H., Jae, Y. G., Choi, S., Kang, N. N., Hong, Y. R., Ok, K., Cho, J., Jeon, Y. H., Lee, E. H., Byun, Y., Koo, J. H. (2017) Analogue of Dehydroacetic Acid as a Selective and Potent Agonist of Ectopic Odorant Receptor through a Combination of Hydrophilic and Hydrophobic Interactions. ChemMedChem 12, 477-482.

3. Kim, H., Kang, N. N., An, K. H., Kim, D., Koo, J. H., Kim, M. S. (2017) MRPrimerV: A database of PCR primers for RNA virus detection. Nucleic Acids Res 45, D475-D481.

4. Kim, H., Kang, N. N., An, K. H., Koo, J. H., Kim, M. S. (2016) MRPrimerW: A tool for rapid design of valid high-quality primers for multiple target qPCR experiments. Nucleic Acids Res 44, W259-66.

5. Kim, H., Kang, N. N., Chon, K. W., Kim, S., Lee, N. H., Koo, J. H., Kim, M. S. (2015) MRPrimer: a MapReduce-based method for the through design of valid and ranked primers for PCR. Nucleic Acids Res 43, e130.

6. Kang, N. N., Bahk, Y. Y., Lee, N. H., Jae, Y. G., Cho, Y. H., Ku, C. R., Byun, Y., Lee, E. J., Kim, M. S., Koo, J. H. (2015) Olfactory receptor Olfr544 responding to azelaic acid regulates glucagon secretion in α-cells of mouse pancreatic islets. Biochem Biophys Res Commun 460, 616-621.

7. Kim, S. H., Yoon, Y. C., Lee, A. S., Kang, N. N., Koo, J. H., Rhyu, M. R., Park, J. H. (2015) Expression of human olfactory receptor 10J5 in heart aorta, coronary artery, and endothelial cells and its functional role in angiogenesis. Biochem Biophys Res Commun 460, 404-408.

8. Kang, N. N., Kim, H., Jae, Y. G., Lee, N. H., Ku, C. R., Margolis, F. L., Lee, E. J., Bahk, Y. Y., Kim, M. S., Koo, J. H. (2015) Olfactory marker protein expression is an indicator of olfactory receptor-associated events in non-olfactory tissues. PLoS ONE 10, e0116097.

9. Lee, N. H., Jung, Y. S., Lee, H. Y., Kang, N. N., Park, Y. J., Hwang, J. S., Bahk, Y. Y., Koo, J. H., Bae, Y. S. (2014) Mouse neutrophils express functional umami taste receptor T1R1/T1R3. BMB Rep 47, 649-654.

10. Koo, J. H., Byun, Y. (2013) Current Status of PET-Imaging Probes of β–Amyloid Plaques. Arch Pharm Res 36, 1178-1184.

11. Kang, N. N., Koo, J. H. (2012) Olfactory receptor in non-chemosensory tissues. BMB Rep 45, 612-622.