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국내외 연구실 소개

Immune Profiling in Human Diseases (IPHD) Laboratory

  • 작성자

    강규호(충북대학교)
  • 작성일자

    2021-07-01
  • 조회수

    1797

Immune Profiling in Human Diseases (IPHD) Laboratory

강규호
충북대학교 자연과학대학 생명시스템학과

[연구실 소개]

  본 면역유전체학 연구실의 또 하나의 이름인 IPHD(Immune Profiling in Human Diseases) Lab이 나타내듯이 기본적으로 인간의 질병을 일으키는 비정상적인 면역세포의 특성을 전사체학, 후성유전체학과 같은 오믹스 기법을 이용하여 알아내고, 궁극적으로는 면역세포를 정상으로 되돌리기 위한 기전에 대한 연구와 질병의 치료제에 대한 정밀 의학 연구로의 확장을 목표로 하고 있다. 현재 실험실에서는 크게 질병으로 류마티스 관절염과 암에 대한 연구가 진행중이며 질병 환경에서 대식세포의 선천성 면역 기억(Innate immune memory)에 대한 기전을 밝히는 연구를 주된 주제로 수행하고 있다. 실험실 자체적으로 보유하고 있는 Flow Cytometry 장비를 포함하여 면역세포의 배양과 RT-qPCR등 분자면역학 연구에 필요한 시설 및 장비를 구축하고 있어 임상 샘플이나 마우스 등을 통해 얻을 수 있는 면역세포를 통해 다양한 면역 실험이 가능하다. 이러한 면역세포들을 RNA-seq, ATAC-seq, CUT&Tag 기술과 함께 NGS 데이터의 생물정보학 분석까지 직접 가능하므로 실험실 구성원들이 Wet lab과 Dry lab이 갖는 장점을 모두 보유하고 있다는 것이 가장 큰 자랑이라고 할 수 있다.

[연구내용]

1. 대식세포의 특징을 결정하는 Enhancer에 대한 조절 기전 연구

  Enhancer repertoires(또는 landscapes)를 분석하기 위해선 open chromatin을 찾아내기 위해 사용되는 ATAC-seq과 PU.1과 같은 LDTFs에 대한 ChIP-seq 그리고 active enhancer 마커인 H3K27ac에 대한 ChIP-seq 결과가 종합적으로 사용되어진다. 이러한 접근 방식은 특정 조직에 일부 존재하여 조직의 특성을 조절하는 tissue-resident macrophages에서도 활용되어 lung, liver, kidney등에서 존재하는 대식세포들이 각각 다른 enhancer repertoires를 갖고 있다는 것이 밝혀졌다. IFN-g를 자극한 대식세포와 그렇지 않은 대식세포에 대하여 위와 같은 active enhancer landscape을 분석해보면 실제로 RNA-seq을 통해 분석한 유전자들의 변화와 상당히 유사한 패턴으로 enhancer들의 active status (H3K27ac)가 변화하는 것을 확인할 수 있다. 이중에서도 일부의 enhancer들은latent enhancer와는 정반대로 원래는 open chromatin과 LDTFs의 결합을 갖고 있다가 IFN-g에 의해서 LDTFs의 결합이 현저히 감소하고 closed chromatin으로 변하는 것을 확인하였다. 이러한 부분에 대한 enhancer peaks을 이용하여 motif 분석을 수행한 결과 MAF 라고 하는 전사 인자가 이 enhancer들에 중요하다는 것을 알게 되었고 IFN-g에 의한 MAF의 감소가 latent enhancer와 정반대의 특성을 보이는 'disassembled enhancer'에 관련이 되어있다는 것을 밝히게 되었다. 이러한 전사 인자 MAF의 감소와 disassembled enhancer의 변화와 관련된 유전자들의 발현 감소는 류마티스 관절염 환자에서 분리된 synovial macrophages에서도 확인되었다. 이를 통해 IFN-g는 promoter 부위에서의 히스톤 메틸레이션과 관련되지 않는 많은 유전자들도 enhancer 부위에서의 후성유전체적 변화를 통해서 억제할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이와 같이 음양(yin and yang)의 변화가 유전자 수준과 후성유전체 수준에서 평행하게 진행된다는 것을 기초로 다양한 질병 환경에서의 자극에 따른 대식세포의 연구가 가능하다. (그림 1)


그림 1. 전사체와 후성유전체 분석을 통한 염증성 대식세포 연구

2. 대식세포의 2차 자극에 대한 반응성을 변화시키는 후성유전학적 기전 연구

  IFN-g에 의한 후성유전체적 변화는 2차 자극에 대한 반응성에 있어서도 한쪽 방향이 아닌 양쪽 방향에 동시에 영향을 준다. IFN-g는 LPS에 의해 유도되는 TNF와 IL6와 같은 유전자들의 발현을 더욱 증가시키고, 이와 동시에 IL10과 같은 유전자의 발현은 반대로 감소시킨다. LPS에 의한 반응에 있어서 중요한 역할은 하는 IL-10은 anti-inflammatory cytokine으로 염증성 cytokine 유전자들에 비해 더 늦은 시간에 발현되어 negative feedback을 통해 염증 반응을 억제한다. IFN-g에 의해 유도되는 핵심 전사 인자가 STAT1이라 하면 IL-10은 STAT3 전사 인자를 유도하는데 이 두 전사 인자는 같은 DNA 결합 부위를 두고 서로 경쟁을 하기 때문에 이 두 전사 인자의 균형이 면역 반응에 있어서 중요한 역할을 하게 된다. 일반적인 LPS 반응에 있어서 STAT3의 결합을 ChIP-seq을 통해 확인해보면 IL-10과 같은 유전자들의 조절 부위(특히 enhancer)에 집중되어있다. 이러한 STAT3의 결합은 active enhancer 마커인 H3K27ac와 연결되어있고 또한 promoter-enhancer looping 관련된 Mediator, Cohesin의 결합과도 관련되어있다. IFN-g가 priming된 상황에서 STAT1이 dominant한 상황이 되면 같은 DNA 결합 부위를 갖고 있는 STAT3의 경우 경쟁적으로 그 결합이 억제된다. 이러한 경쟁관계에 있어서 또 하나 특이한 점은 STAT1과 STAT3 둘다 동일한 DNA 결합 부위를 인식하지만 이 결합 부위 주변에 어떤 다른 전사 인자의 결합 부위가 있는지를 분석해보면 서로 상반된 결과를 보인다는 점이다. STAT1의 경우 STAT motif와 IRF motif를 갖고 있는 부’ 위에 결합하기를 선호하고 그렇기 때문에 IRF1과 같은 전사 인자가 co-binding을 하는 경우가 많다. 반대로 STAT3의 경우엔 STAT motif와 AP-1 motif가 같이 있는 경우에 결합하기를 선호하는 경향이 있다. 이러한 STAT1/STAT3의 균형 조절은 유전자에 따라 DNA 상의 결합 부위에서 intrinsic하게 암호화 되어있다는 것을 알 수 있고 이에 따라 IFN-g와 같은 자극이 왔을 때 유전자 조절 부위의 후성유전체적 변화를 일으키는데 있어 핵심적인 역할을 한다고 할 수 있다. 이는 IFN-g에 의한 STAT1/STAT3의 균형의 변화가 초래하는 후성유전체적 변화가 enhancer 부위에서 주로 일어나고, 이를 통해서 LPS 반응에 있어서 서로 다른 그룹의 유전자들을 상반된 방향으로 조절할 수 있다는 것을 나타낸다. 이러한 IFN-g에 의한 양방향의 조절은 대식세포를 염증성 M1-like 형태로 만들어주는데 있어 큰 역할을 하고 이는 만성 염증을 동반하는 다양한 인간 질병에 있어서 중요한 역할을 하게 된다.

3. 다양한 자극에 의한 대식세포의 선천성 면역 기억 형성

  면역학에 있어서 면역학적 기억(immunological memory)은 후천성 면역(adaptive immunity)에 핵심이며 주로 T세포와 B세포에 의해서 이루어진다. 하지만 대식세포에도 어느 정도 일정기간 이상의 자극이 주어졌을 때, 그 자극에 대한 효과가 유지되는 '기억'과도 같은 현상이 존재한다. 기존의 면역학적 기억과는 다른 개념이지만 기억이라는 말을 사용하는 것에 대한 거부감을 갖는 사람들이 역시 존재하여 다른 말로 훈련된 면역(trained immunity)이라는 용어로도 쓰이고 있다. 이러한 반응은 BCG 백신과 같은 경우에도 실제로 대식세포를 통해 후성유전체적 변화가 일어나는 것이 확인되었고 이는 백신에 의한 효과에도 관련이 있음을 알게 되었다. 반응이 증가하는 관점에서 trained immunity를 이야기 한다면 다른 관점에서 이와는 반대로 억제되는 유전자들의 경우는 Sepsis 환자들에서 나타나는 endotoxin tolerance와 같은 현상에서 찾아볼 수 있다. 이러한 경우엔 특정 유전자들이 이전에 경험한 자극에 의해서 오히려 반응성이 감소하기 때문에 tolerance라고 부를 수 있다. 이러한 두가지의 경우 모두 우리가 보고자 하는 유전자들(TNF, IL-6와 같은 염증성 cytokine)을 기준으로 이야기 하는 것이기 때문에 실제 전사체, 후성유전체 수준에서의 변화는 IFN-g에서 볼 수 있듯이 항상 양쪽 방향의 변화가 동시에 일어난다. IFN-g의 경우 보통 박테리아에 대한 감염에 의한 반응으로 주로 일어나게 되는데 이와 반대되는 기생충에 대한 감염에 의한 반응은 IL-4라는 cytokine에 의해서 일어난다. 실제로 박테리아에 대한 감염의 경험은 기생충에 대한 면역 반응을 감소시키고 반대로 기생충에 대한 감염은 박테리아에 대한 면역 반응을 감소시킨다. 이러한 변화는 IFN-g와 IL-4에 의해 유도되는 STAT1과 STAT6 전사 인자에 의해 후성유전체적 수준에서 대식세포가 변화하기 때문에 나타나는 현상이다. 이처럼 IFN-g는 IL-4 또는 IL-10과 같은 서로 상반된 cytokine들과 대식세포에 서로 경쟁하며 반응에 있어서 균형을 이루고 이러한 균형이 무너졌을 때 일어나는 후성유전체적인 변화는 실제 질병과도 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다. (그림 2) 이러한 선천성 면역 기억과 대식세포의 기전에 대한 연구는 현재도 활발히 진행중에 있다.


그림 2. 대식세포에서 상반된 cytokine들에 의한 선천성 면역 기억의 형성

4. 본 연구실에서 진행중인 연구

  현재까지 본 실험실의 주요 업적으로는 만성 염증 환경에서 IFN-g에 의해 훈련된 대식세포에서 특이적으로 감소하는 TLR4 반응성 유전자들이 STAT3가 결합된 enhancers에 의해 조절된다는 것을 밝혀 2019년 7월 Nature Communications에 코넬대학교 의과대학과의 공동연구로 발표되었다. 다음으로 단국대학교 강근수 교수팀과의 공동연구로 후성유전체 분석을 통해 RAD51이 전사 인자처럼 DNA 결합으로 암에서 autophagy와 관련된 유전자들의 발현에 관여한다는 연구를 실험실 유채린, 권근호 학생이 같이 수행하여 최근 2021년 5월 Cancers에 게재되었다. 이와 더불어 비침습성 방광암에서 통합적 전사체 분석 방법을 이용하여 유채린 학생이 수행한 연구를 통해 현재 예후를 예측할 수 있는 주요한 바이오마커를 찾아 특허가 2021년 2월 특허 출원을 완료하였고, 현재 논문이 완성되어 곧 제출을 앞두고 있다. 또한, 류마티스 관절염에 치료제로 사용되는 Jak inhibitor의 작용에서 대식세포의 후성유전체 수준에서는 어떠한 변화가 일어나는지를 실험실의 권근호 학생이 ATAC-seq과 RNA-seq을 통해 연구하였고 이 결과도 2021년 하반기에 논문으로 제출할 예정이다.
이외에도 박재우 학생이 만성부비동염에 대한 연구를 서울아산병원 김지희 교수님과 공동연구로 진행중이며, 권근호 학생은 KAIST 김유미 교수님과 공동 연구로 소장에서 Lamina Propria 수지상세포에 대한 기전 연구를 진행하고 있다.


그림 3. 면역유전체학 실험실의 연구 방향에 대한 개요

본 실험실은 이러한 질병 환경에서 오는 자극에 일정 시간 이상 노출된 면역세포가 어떠한 기전에 의해 변화하게 되는지를 후성유전체 수준에서 밝히고자 하는 목표를 가지고 있다. 최근 이러한 연구는 자가면역질환과 암을 포함한 다양한 질병에서 진행되고 있으며 질병의 환경에서 오는 자극 중에 metabolism과 연결된 부분의 연구도 후성유전체와 연결하여 밝히고자 한다. 궁극적으로는 환자의 치료제로 사용되는 약물에 대한 반응성을 이러한 면역세포의 기전을 바탕으로 한 면역 프로파일링을 통해서 최적의 약물을 찾아내고자 하는 문제를 해결하는 것이 목표이다.

[연구책임자]

강규호 교수

주소: 28644 충북 청주시 서원구 충대로 1 충북대학교, S1-5동 305호
전화: 043-261-2295
Email: kangk@cbnu.ac.kr
Homepage: https://www.researchgate.net/profile/Kyuho-Kang

[연구진구성]

교수: 강규호
석사연구원: 유채린, 권근호
석사과정: 박재우, 키란, 노준호, 박예빈, 김수빈, 이재현

[대표논문]

  • Chaelin You, Xuan-Mei Piao, Keunsoo Kang, Yong-June Kim and Kyuho Kang: Integrative Transcriptome Profiling Reveals SKA3 as a Novel Prognostic Marker in Non-Muscle Invasive Bladder Cancer. Cancers. 2021 (manuscript in preparation)
  • Keunsoo Kang, Yoonjung Choi, Hyeonjin Moon, Chaelin You, Minjin Seo, Geunho Kwon, Jahyun Yun, Boram Beck, Kyuho Kang: Epigenomic analysis of RAD51 ChIP-seq data reveals cis-regulatory elements associated with autophagy in cancer cell lines. Cancers. 2021 May 22;13(11):2547.
  • Kyuho Kang*, Mahesh Bachu, Sung Ho Park, Keunsoo Kang, Seyeon Bae, Kyung-Hyun Park-Min and Lionel B. Ivashkiv*: IFN-γ selectively suppresses a subset of TLR4-activated genes and enhancers to potentiate macrophage activation. Nature Communications. 2019 July 25;10(1):3320. *Co-corresponding author
  • Sung Ho Park, Kyuho Kang, Eugenia Giannopoulou, Yu Qiao, Keunsoo Kang, Geonho Kim, Kyung-Hyun Park-Min and Lionel B. Ivashkiv: Type I IFNs and TNF Cooperatively Reprogram the Macrophage Epigenome to Promote Inflammatory Activation. Nature Immunology. 2017 Oct;18(10):1104-1116.
  • Kyuho Kang, Sung Ho Park, Janice Chen, Yu Qiao, Eugenia Giannopoulou, Karen Berg, Adedayo Hanidu, Jun Li, Gerald Nabozny, Keunsoo Kang, Kyung-Hyun Park-Min and Lionel B. Ivashkiv: Interferon-γ Represses M2 Gene Expression in Human Macrophages by Disassembling Enhancers Bound by the Transcription Factor MAF. Immunity. 2017 Aug 15;47(2):235-250.
  • Yu Qiao*, Kyuho Kang*, Eugenia Giannopoulou, Celeste Fang and Lionel B. Ivashkiv: IFN-γ Induces Histone 3 Lysine 27 Trimethylation at a Small Subset of Promoters to Stably Silence Gene Expression in Human Macrophages. Cell Reports. 2016 Sep 20;16(12):3121-9. *Co-first author

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