인터뷰 내용 1. 연구배경 및 연구목적 2. 주요연구과제 3. 연구실 주요연혁 4. 연구실 구성 5. 참고문헌 1. 연구배경 및 연구목적 '심장세포 보호를 위한 미토콘드리아 생체신호 분석 및 제어기술을 확립' “Mitochondria Make A Comeback" (Vol. 283, March 5, 1999). 미토콘드리아가 세포 내 에너지 대사의 중추적 역할을 수행함이 밝혀진 이래, 산화적 인산화기전의 규명 (Peter Mitchell), ATP synthase의 rotary motor 방식에 의한 ATP 합성기전 규명 (Paul Boyer & John Walker) 등을 주제로 노벨상이 배출되었다. 미토콘드리아는 세포 내 에너지원을 제공하는 주요 소기관으로 미토콘드리아의 기능 마비는 세포에너지원의 감소와 세포사멸로 이어진다. 그러나 세포사멸 연구의 대부분은 미토콘드리아가 고려되지 않은 상태로 이루어져 왔다. 그 이유는 미토콘드리아 기능을 연구하는 기술적 접근이 어렵기 때문이다. 따라서 이러한 기술적인 문제를 해결하고 미토콘드리아의 손상을 제어할 수 있는 새로운 기술을 개발한다면 세포사멸을 방지함으로써 심혈관질환을 예방할 수 있는 최선의 치료법을 제공할 수 있다. 본 연구실은 바로 이런 점에 착안하여 심장세포 보호를 위한 미토콘드리아 생체신호 분석 및 제어기술을 확립하는 것을 목표로 삼고 있다. 또한 이를 토대로 미토콘드리아-의존성 심혈관·대사질환 치료타겟 발굴 및 예방기술을 확보하고자 한다. 향후 관련 의학 및 신약개발 분야에 원천기술과 파생기술들을 직·간접적으로 제공하고, 경제적 측면에서는 국가 기술경쟁력을 확보하고 나아가 국민건강증진과 사회복지수준 향상에 기여하고자 한다. 인제대학교 의과대학 생리학교실 국가지정연구소 2. 주요 연구과제 1) 심장보호기전에서의 미토콘드리아 이온통로의 역할 본 연구실은 심근의 허혈/재관류에서 관찰되는 과도한 reactive oxygen species (ROS) 생성과 미토콘드리아내 칼슘 overload가 미토콘드리아의 내막전압을 탈분극시켜, mitochondria 에너지 생합성의 억제를 유발하고, 결국 세포사멸로 이르게 되며 이는 미토콘드리아의 K-통로를 활성화시키면 심장보호효과가 있다는 연구결과를 발표하였다(Han et al., 2002; Cuong et al., 2007; Kang et al., 2007). 본 연구과제는 이러한 연구를 보다 구체적으로 진행, 미토콘드리아에 대한 나노패치(nanopatch), 미토콘드리아의 칼슘농도, 막전압, ROS 농도 등을 측정하는 세포영상화 기술을 시행하여 심근보호 기전에 관련된 KATP 및 BKCa 통로의 역할을 규명하고 관련 질환 예방 및 치료, 약물개발을 위한 생리학적인 기초 자료 제시를 목표로 하고 있다. 2) Mitochondrial ion channel gene discovery; KATP & BKCa channel 본 연구실은 허혈(ischemia)에 의한 심근손상을 예방해주는 허혈 전처치(ischemic preconditioning, IPC) 기전에 미토콘드리아 KATP channel이 관여한다는 가설을 세우고 그 동안 수편의 연구결과를 발표(Han et al., 2001; Han et al., 2002; Cuong et al., 2005; Cuong et al., 2006)하였다. 본 과제는 심장 미토콘드리아에 KATP 및 BKCa 통로가 실제로 존재하는가에 대한 근본적인 질문에 답하고자 (1) 미토콘드리아 이온채널의 origin 분석(origin of mitochondrial ion channel), (2) 후보 유전자의 염기서열 분석(seqencing from cDNA library), (3) 목적 유전자 추적(tracing) (4) 기능검사(functional assay) 등의 순서로 연구를 진행하고 있다. 이를 통해 두 이온통로의 유전적 실체를 증명하고 치료학적인 견지에서 보다 구체적인 치료타겟을 제시할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 3) 관상세동맥의 혈류조절기전 직경이 넓은 큰동맥혈관은 탄성이 큰 결합조직이 발달 되어 있어 혈압의 증감이나 외부 자극에 관계없이 일정한 양의 혈액을 통과시키게 된다. 그러나 세동맥의 혈관 평활근은 외부 주변자극에 의해서 효과적으로 혈관의 이완과 수축이 조절되며 주변에서 분비되는 신경물질 또는 생화학적 물질에 의해서도 조절 받고 있다. 따라서 이러한 세동맥에서의 혈류가 혈압을 결정하는 인자이며 고혈압, 심근비대증 등의 질환에서는 그 중요성이 더욱 두드러지고 있다. 이에 본 실험실에서는 수년간 노력을 통하여 관상세동맥의 분리에 성공하였고 이 관상세동맥을 이용하여 전기생리학적 기록 및 혈관 수축, 이완반응의 기록을 하고 있으며 이 기술을 바탕으로 해마다 수편의 국제논문을 발표하고 있다. 4) 만성 저산소증의 신호전달기전 심혈관계와 호흡기계는 산소의 항상성 유지에 있어 중요한 기능을 담당한다. 저산소 상태에서 세포는 여러 가지 단백들이 변화하여 생리적인 현상을 일으키게 되는데, 여기에는 hypoxia inducible factor-1 (HIF-1)라는 전사조절인자가 관여하여 생리적인 반응을 조절한다고 알려져 있다. 이러한 중요한 기능 때문에 치료학적으로도 매우 중요한 의미를 지니고 있다. 본 과제는, in vivo와 가장 가까운 초대배양세포를 이용하여 표적유전자나 생체신호전달물질을 세포 내로 유입 시켜 가시화하고, 세포가 외부자극에 대하여 반응하는 신호전달의 일련의 과정을 세포가 살아있는 상태에서 관찰하여, 궁극적으로는 좀 더 임상연구에 가까운 실험모델을 개발하는 것으로 목표로 하고 있다. 5) 프로테오믹스(단백체학)를 이용한 심혈관 질환 연구 본 연구실은 단백질간의 기능 및 상호 연관 네트워크를 규명하는 프로테오믹스 기법을 이용하여 (1) 고혈당의 심장에 대한 효과, (2) 좌심실 비대증에 의한 뇌혈관 단백질의 변화 규명, (3) Plasma 프로테오믹스를 이용한 자궁경부암 biomarker 탐색, (4) Pre-eclampsia 의 진단과 치료, (5) Tetrahydroboipterin (BH4)의 심장에 대한 효과 등의 과제를 수행, 수편의 국제논문을 이미 발표하였으며 현재도 계속 연구를 진행 중이다. 6) 미토콘드리아 통합 심근세포 모델 개발 본 연구실은 그 동안 축적된 심근세포 및 미토콘드리아의 연구내용을 통합하여 컴퓨터상에 구현되는 통합 심근세포 모델을 개발하고 있다. 이러한 시뮬레이션 통합모델은 새로운 가설을 도출하고 보다 효율적인 실험을 설계하며 심혈관 질환 연구의 새로운 방향을 제시하는 역할을 할 것으로 기대한다. 7) 기타 본 연구실은 이외에도 천연물의 약효성분 검증, Brugada syndrome의 유전학적, 생리학적 연구 등을 진행하여 수편의 국제논문을 발표하고 있다. 3. 연구실 주요연혁 2007. 06: 과학기술부 국가지정연구실(National Research of Laboratory)에 선정 2007. 04: 과학기술부 기초의과학센터(맞춤치료를 위한 생체지표 연구센터) 참여 2006. 03: 심혈관․대사질환연구센터(Cardiovascular Metabolic Disease Center)로 이름 변경 2004. 06: 2020 심혈관연구소로 이름 변경 및 연구팀 확대 2000. 06: 심혈관연구소 설립 1999. 03: 미토콘드리아 연구회 창립 1980. 07: 인제대학교 의과대학 생리학교실 창설 4. 연구실 구성 1) 연구책임자: 한진 박사 1993: 서울대학교 의과대학 생리학교실 석사 2000: 서울대학교 의과대학 생리학교실 박사 주소: 부산시 부산진구 개금2동 인제대학교 의과대학 전화: 051-890-6727 팩스: 051-894-5714 이메일: phyhanj@inje.ac.kr 홈페이지: http://mitochondria.inje.ac.kr 2) 연구실 구성원 Faculty: 한진, 김의용, 김나리, 염재범, Mohamad A. Warda 박사후 과정: 박원선, 고재홍, 손연경, 강성현 박사과정: 김형규 석사과정: Vu Thi Thu, AbdEl-bary M. Prince, Mohamad Lebda, Tran Minh Khoa 연구원/조교: 문혜진, 안수진, Marwa Ibrahim, Moustafa Ismail Radwan 미토콘드리아와 춤을 (LSM 510 META) LSM 510 META Laser Scanning Microscopes 5. 참고문헌 1. Han J, Kim N, Park J, Seog DH, Joo H, Kim E. Opening of mitochondrial ATP-sensitive potassium channels evokes oxygen radical generation in rabbit heart slices. J Biochem (Tokyo). 2002 May;131(5):721-7. 2. Han J, Kim N, Kim E, Ho WK, Earm YE. Modulation of ATP-sensitive potassium channels by cGMP-dependent protein kinase in rabbit ventricular myocytes. J Biol Chem. 2001 Jun 22;276(25):22140-7. Epub 2001 Apr 12. 3. Cuong DV, Kim N, Joo H, Youm JB, Chung JY, Lee Y, Park WS, Kim E, Park YS, Han J Subunit composition of ATP-sensitive potassium channels in mitochondria of rat hearts. Mitochondrion. 2005 Apr;5(2):121-33. 4. Cuong DV, Kim N, Youm JB, Joo H, Warda M, Lee JW, Park WS, Kim T, Kang S, Kim H, Han J. Nitric oxide-cGMP-protein kinase G signaling pathway induces anoxic preconditioning through activation of ATP-sensitive K+ channels in rat hearts. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2006 May;290(5):H1808-17. Epub 2005 Dec 9. 5. Cuong DV, Warda M, Kim N, Park WS, Ko JH, Kim E, Han J. Dynamic changes in nitric oxide and mitochondrial oxidative stress with site-dependent differential tissue response during anoxic preconditioning in rat heart. Am J Physiol Heart Circ Physiol.2007 Sep;293(3):H1457-H1465. Epub 2007 Jun 1. 6. Kang SH, Park WS, Kim N, Youm JB, Warda M, Ko JH, Ko EA, Han J. Mitochondrial Ca2+-activated K+ channels more efficiently reduce mitochondrial Ca2+ overload in rat ventricular myocytes. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2007 Jul;293(1):H307-13. 7. Park WS, Ko JH, Kim N, Son YK, Kang SH, Warda M, Jung ID, Park YM, Han J. Increased inhibition of inward rectifier K+ channels by angiotensin II in small-diameter coronary artery of isoproterenol-induced hypertrophied model. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2007 Aug;27(8):1768-75. Epub 2007 May 24. 8. Park WS, Son YK, Kim N, Ko JH, Kang SH, Warda M, Earm YE, Jung ID, Park YM, Han J. Acute hypoxia induces vasodilation and increases coronary blood flow by activating inward rectifier K(+) channels. Pflugers Arch. 2007 Sep;454(6):1023-1030. Epub 2007 May 8. 9. Son YK, Park WS, Kim SJ, Earm YE, Kim N, Youm JB, Warda M, Kim E, Han J. Direct inhibition of a PKA inhibitor, H-89 on KV channels in rabbit coronary arterial smooth muscle cells. Biochem Biophys Res Commun. 2006 Mar 24;341(4):931-7. Epub 2006 Jan 23. 10. Park WS, Kim N, Youm JB, Warda M, Ko JH, Kim SJ, Earm YE, Han J. Angiotensin II inhibits inward rectifier K+ channels in rabbit coronary arterial smooth muscle cells through protein kinase Calpha. Biochem Biophys Res Commun. 2006 Mar 17;341(3):728-35. Epub 2006 Jan 19. 11. Park WS, Han J, Kim N, Ko JH, Kim SJ, Earm YE. Activation of inward rectifier K+ channels by hypoxia in rabbit coronary arterial smooth muscle cells. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2005 Dec;289(6):H2461-7. 12. Son YK, Park WS, Ko JH, Han J, Kim N, Earm YE. Protein kinase A-dependent activation of inward rectifier potassium channels by adenosine in rabbit coronary smooth muscle cells. Biochem Biophys Res Commun. 2005 Dec 2;337(4):1145-52. Epub 2005 Oct 6. 13. Park WS, Han J, Kim N, Youm JB, Joo H, Kim HK, Ko JH, Earm YE. Endothelin-1 inhibits inward rectifier K+ channels in rabbit coronary arterial smooth muscle cells through protein kinase C. J Cardiovasc Pharmacol. 2005 Nov;46(5):681-9. 14. Ko EA, Park WS, Ko JH, Han J, Kim N, Earm YE. Endothelin-1 increases intracellular Ca(2+) in rabbit pulmonary artery smooth muscle cells through phospholipase C. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2005 Oct;289(4):H1551-9.