생화학분자생물학회

유전단백체 연구센터 (the Center for ProteoGenome Research, CPGR)

이상원 센터장

유전단백체연구센터, 고려대학교

sw_lee@korea.ac.kr

Ⅰ. 설립 배경

1.  정밀의료(Precision Medicine)와 유전단백체 연구

2015년 1월 미국 오바마 대통령은 미국 NIH 역사상 가장 야심적인 연구계획인 Precision Medicine Initiative(PMI)를 발표한 바 있다. NIH Director인 Francis S. Collins 박사는 정밀의료(Precision Medicine)를 "개인적 차이를 고려한 예방 및 치료"라고 정의(NEJM 2015, 372(9), 793)한 바 있다. 미국 PMI에서 주목할 것은 '환자'가 아니고 '개인'이라 한 것과, 암 등의 질환을 특정하지 않은 것, 즉 PMI-CP의 1백만 명에는 환자와 정상인 모두가 포함되며, PMI는 이들에 나타나는 특정되지 않는 모든 질환에 대한 가능한 최대의 지식 데이터베이스를 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 이 PMI의 Working Group에서 제출한 최종 보고서에는 PMI-CP에 대한 핵심 데이터로 유전체와 단백체 데이터를 명시하고 있다. 실제로 이 PMI의 첫 다부처 사업이라 할 수 있는 APOLLO 네트워크는 CPTAC의 유전단백체 연구를 8,000명 폐암 환자에 시행할 예정이며, 향후 VA와 DoD의 암 정밀의료와 관련된 모든 활동의 Keystone이 Proteogenomics임을 천명하였다. 즉 유전단백체 데이터는 정밀의료의 핵심 데이터라 할 수 있다.

암연구 가속화와 연구정보 표준화 및 공유의 기치 아래 론칭된 Cancer Moonshot 사업에 대한 국제사회의 공감대를 바탕으로, 2017년 3월 11개국 유전단백체 연구센터들이 참여한 ICPC(International Cancer Proteogeome Consortium)이 결성되었다. 현재는 12개국 31개 연구기관에서 췌장암, 위암, 유방암, 등 수십 종의 암에 대한 국가별 기관별 Cancer Proteogenomics 연구에 대한 정보와 데이터를 공유하고 있으며, 세계적 암 정밀의료의 국제표준을 마련하고 있다.

암 정밀의료 연구에서 유전단백체 연구의 필요성이 대두되고 있는 이유는 1) RNA 정보가 대체적으로 32% 정도만 단백질 발현을 제대로 예측하고 있고 (Nature 2014), 2) 유전체 데이터만을 사용하였을 때에 비해 단백질 데이터를 함께 사용하였을 때 더 정밀한 Cancer Subtyping을 할 수 있으며, 3) 유전체 데이터보다 유전단백체 통합 데이터가 암 치료 반응을 더 정확하게 예측할 수 있기 때문이다 (Nature Comm 2017).

2.  국가 암 정밀의료 기술 개발을 위한 유전단백체 연구센터

우리 유전단백체 연구센터(the Center for ProteoGenome Research, CPGR)는 한국연구재단 포스트게놈 다부처 유전체 사업의 지원을 받아 핵심 유전단백체 연구기술을 개발하고, 이를 암과 같은 중요한 인간 질병에 적용, 유전단백체 기반의 암 정밀의료(Precision Medicine) 기술 개발을 위해 설립되었다. 유전단백체 연구에 기반한 암 정밀의료 연구는 임상, 유전체, 단백체, 정보기술 및 기전 연구 등 모든 요소 연구가 유기적으로 협력하면서 수행되어야 성공할 수 있는 다기관 다학제 협동연구이다. 또한 본 연구를 통해 창출되는 암 유전단백체 지식 기반, 임상 다중 마커, 췌장암 치료 불응성 예측 기술 및 실용화 기술의 활용을 극대화하기 위해서는 민간기업, 신약개발연구센터, 병원, KFDA 등 기술 수요자 및 기술 평가자 등이 참여하는 바이오마커 선정위원회를 연구 진행과 함께 구성하여 상용화 목표 지향적 연구를 초기 연구 단계부터 수행해야 한다. 더 나아가 선도 유전단백체 연구기관인 미국 국립암연구소 CPTAC 연구센터 및 국제암유전체컨소시엄(ICPC)와의 연구협력 및 기술 교류를 지속할 필요가 있다. 본 유전단백체 연구센터(Center For ProteoGenome Research, CPGR)는 이러한 다학제 다기관 국제협력을 원활하기 추진하여 국가 암 유전단백체 연구를 성공적으로 이끌기 위해 노력하고 있다.

Ⅱ. 연구목표

CPGR은 유전단백체 연구 태동기인 2012년부터 연구재단 다중 오믹스 신기술 개발 사업에 참여하여 조기 발병 위암에 대한 유전단백체 연구를 성공적으로 이끌었으며, 2017년부터 연구재단 국책사업인 포스트게놈 다부처 유전체 사업의 지원을 받아 췌장암에 대한 유전단백체 연구(유전단백체 기반 췌장암 치료 불응성 예측 기술 개발)를 수행하고 있다. 본 연구팀은 췌장암 치료 불응성 예측 기술의 기반인 유전단백체 다중 마커를 발굴하고, 그 유효성에 대한 분자기전을 규명하는 것을 목표로 연구에 매진하고 있다. 또한 발굴된 유전단백체 다중 마커에 의한 신의료기술 수립을 위한 검증 연구를 수행하고, 유전단백체 데이터 포털을 구축하여 세계적 췌장암 연구를 선도하고자 한다.

III. 연구 내용

1. 유전단백체 기반 췌장암 치료 불응성 예측 기술 개발

○ 양질의 췌장암 검체 및 임상 자료를 통합하는 임상 DB를 구축하여 기초 연구진과 임상 정보 공유 플랫폼 확보하고 췌장암 시료 300례 이상 확보 (발굴-100례; 검증-200례 이상)

○ 시료 균일성이 확보된 유전체 및 단백체 데이터의 생산을 위한 췌장암 검체 시료 전처리 SOP 확립 및 췌장암 조직 Tumor Cellularity 측정법 개발

○ 췌장암 유전체(엑솜, 전사체) 데이터를 생산하고 췌장암 특이적 Fusion Gene, Novel Isoform, 유전자 변이 및 특이 발현과 그들의 네트워크 발굴

○ 선도개발 프로테오믹스 기술 플랫폼을 활용하여 췌장암 조직에 대한 광범위하고, 심도 있는 글로벌 단백체 및 인산화 단백체 정량 프로파일링을 수행하여 동일 환자 시료로부터 차세대 유전체 데이터의 유전자 분석 범위에 근접하는 광범위한 글로벌 단백체와 인산화 정보를 생산

○ 구축된 유전단백체 데이터 통합 분석 파이프라인을 통해 환자별 다중 단백질 DB 생성, 유전변이 및 인산화 단백질 정보 획득, 아형(Subtype) 규명, 핵심 췌장암 네트워크 모델 구축, 임상정보와의 연관분석을 수행

○ 유전단백체 통합 정보에 기반한 췌장암 치료 불응성 예측 다중 마커를 발굴함

2.  췌장암 치료 불응성 기전 연구 및 체계적 검증

○ 발굴된 유전단백체 다중 마커의 유효성을 밝히기 위한 분자기전 연구를 수행하기 위해 췌장암 세포주와 환자유래 오가노이드 확보 및 활용

○ 핵심 췌장암 네트워크의 핵심 조절인자를 발굴하고 이들에 대한 ChIP Sequencing 및 Histone 수식화 연구를 통해 췌장암 치료 불응성 기작 규명

○ 치료 불응 예측 환자의 오가노이드에 대한 약물 스크리닝을 실시

○ 대형 코호트(200명)에 대해 발굴된 유전단백체 다중 마커 후보군 검증

○ 수집된 유전단백체 데이터(엑솜, 전사체, 글로벌 단백체, 인산화 프로파일)의 효과적인 활용을 위해 웹사이트를 구축하고 공개

IV. 보유 기술

1. 단백체 시료 기술

CPGR은 환자 유래 시료에 대한 전처리 과정과 이후 단백체 시료 과정에 대한 전반적인 요소 기술들을 개발하고, 이들을 연계 적용함으로써 단백체 연구에 최적화된 시료 기술들을 축적하고 있다. 내시경 생검 조직과 같은 미량의 조직 시료에서 펩티드 시료와 수식화 시료를 얻는 전 과정에 대한 광범위하고 다양한 표준 작업 절차(SOPs)들을 다수 확립하여 높은 재현성의 최적화 단백체 시료를 얻고 있다.

2. 선도개발 LC-MS/MS 기술

 CPGR은 다년간 축적된 초고압 액체 크로마토그래피(UHPLC) 기술들(국내 특허 8건, 해외 특허 13건)을 기반으로 세계적으로도 가장 앞선 기술 경쟁력을 갖춘 다양한 LC-MS/MS 분석 플랫폼을 보유하고 있다. 이를 통해 CPGR은 복잡하고, 다양한 단백체 시료로부터 높은 효율의 차세대 유전체 시퀀싱 정보에 근접하는 수준의 광범위하고, 심도 있는 글로벌 및 수식화 프로파일링 데이터를 획득하고 있다.

자동화 이중 온라인 역상 액체 크로마토그래피 기술을 이용하여, 고감도 펩티드 분리 실험을 2배 높은 실험 효율로 수행하고 있으며, 다차원 분리 실험의 분석 범위를 획기적으로 높일 수 있는 온라인 ‘비연속적 시료 분획 및 통합 기술’을 개발하고, 이를 자동화 이중 온라인 역상 액체 크로마토그래피 기술과 통합하여 DO-NCFC-RP/RPLC 기술을 개발하였다. 이 기술을 적용하여 미량 조직 시료에 대한 광범위 인산화 프로파일링, 글로벌 단백체에 대한 광범위한 타깃 지향적 정량 프로파일링 등, 이전에는 가능하지 않거나, 큰 정보 소실을 감수하며 수행되었던 단백체 연구들을 성공적으로 수행하고 있다.

3. 단백체 데이터 분석 기술 및 유전단백체 데이터 통합분석기술

질량분석기를 통해 얻어지는 엄청난 LC-MS/MS 데이터로부터 광범위한 단백질을 동정하고 유의미한 변이 또는 수식화 단백질을 찾기 위해서는 고도의 질량분석 데이터 정보기술이 절대적으로 필요함. CPGR은 다년간의 단백체 연구를 통해 다양한 원천개발 요소 기술들을 보유하고 있다.

○ MS/MS 스펙트럼 상에 동시 분해된 다중 펩티드들을 모두 동정하여 LC-MS/MS 데이터로부터 최대의 단백체 정보를 획득할 수 있게 하는 mPE-MMR 기술

○ 환자 유래 유전체 데이터로부터 최적화된 환자별 단백질 DB를 생산하는 기술과 이로부터 환자별 발현 변이 단백체를 고감도로 동정할 수 있는 데이터 분석 기법

○ 통상적인 기법으로 해석되지 않는 MS/MS 데이터로부터 다양한 수식화 단백체 정보를 추가적으로 확보할 수 있는 Multi-Stage DB 탐색 기술

○ 다층 데이터 클러스터링에 의한 아종 탐색 및 신호전달/네트워크 분석기술 등 다양한 유전단백체 통합 분석 기술

V. 기대효과 및 전망

임상, 유전체, 단백체, 생물정보, 기전 연구 등 모든 요소 연구가 유기적으로 협력하여 진행되는 CPGR의 췌장암 유전단백체 연구는 췌장암 치료 불응성 환자의 항암제 부작용을 최소화하고, 효과는 극대화하는, 유전단백체 기반 정밀의료 기술 개발을 통해 췌장암 환자의 치료 불응성을 판단하고, 환자 맞춤형 치료를 위한 길을 열 것으로 기대한다. 췌장암에 대한 최초의 유전단백체 연구를 수행함으로써 획득한 방대한 유전단백체 데이터는 암 발병 기전에 대한 방대한 지식 기반으로 기능할 것이며, 향후 국내외 췌장암 연구 및 신약 개발 연구의 활성화에 기여할 전망이다.

VI. 단체사진​