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742 검색 결과: 생명

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산소 함량 변화가 캄브리아기 생명 대폭발을 유발한 핵심 요인임을 규명

최근, 중국/영국/러시아 공동연구팀은 산소 함량 변화가 캄브리아기 생명 대폭발을 유발한 가장 핵심적인 요인임을 규명하였다. 해당 연구성과는 “Nature Geoscience”에 온라인으로 게재되었다.
5.4억 년 전에 발생한 캄브리아기 생명 대폭발은 지구 생물 진화사에서의 이정표이며 현생동물의 절대다수 종류가 아주 짧은 시간에 “갑자기” 나타났다.
2006년, 주마오옌(朱茂炎) 연구팀은 단계적 복사 및 멸종을 유발한 캄브리아기 대폭발 과정 모델을 제안함과 아울러 동물의 초기 진화를 유발한 단계적 복사 및 멸종 과정은 해수에서 탄소동위원소의 비정상적 변화와 관련됨을 발견하였다. 그러나 해당 관련성 사이의 구체적인 원인 및 메커니즘은 규명하지 못하였다.
주마오옌 연구팀은 2008년 시베리아에서 진귀한 캄브리아기 초기 탄산염암 지층 샘플을 수집하였다. 그 후 공동연구팀은 체계적인 탄소, 황 동위원소 실험분석 및 수학모델 계산을 수행하였다. 계산 결과, 해당 지역 해수에서 탄소, 황 동위원소는 캄브리아기 초기인 5.24~5.14억 년 전 사이에 5라운드의 동기화 변화가 발생되었으며 그 변화폭은 대기와 천해(Shallow sea)에서의 산소 함량 변화폭을 의미한다. 5.14억 년 전 이후 탄소, 황 동위원소의 비동기화 변화는 해수에서 산소가 보편적으로 부족하였음을 의미한다.
생물 지층 자료에 대한 종합적 연구 결과, 캄브리아기 초기인 5.24~5.14억 년 전 사이의 1,000만 년 시간 내 즉 캄브리아기 대폭발 피크기(Peak period)에 해수에서 탄소 및 황 동위원소 값이 발생한 동기화 변동 횟수 및 폭은 동물 화석의 다양성 변화 횟수 및 폭과 시간적으로 아주 일치하다. 지금으로부터 5.14억 년 전 이후의 약 200만 년 동안에 탄소와 황 동위원소 사이의 변화는 비동기화로 나타났으며 탄소 동위원소는 뚜렷한 네거티브 비정상(Negative anomaly)을 유지하였고 황 동위원소는 빈번한 변동이 발생하였다. 우연하게도 바로 해당 시기에 전지구적 캄브리아기 동물군 대멸종이 발생하였다.
동 연구는 최초로 정량적 모델을 이용하여 캄브리아기 대폭발 사건은 대기 및 해양의 산소 함량 변화가 미치는 영향을 받았으며 약 5.14억 년 전 캄브리아기 동물군 대멸종 사건은 해수에서 산소 부족으로 유발되었음을 입증하였다.

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2018년 중국 생명과학분야 10대 성과

2018년 1월 2일, 2018년 “중국 생명과학분야 10대 성과”를 발표했다. 해당 성과는 중국과학기술협회 생명과학학회 연합체 조직의 22개 학회에서 추천하고 생명과학, 바이오기술 및 임상의학 등 분야 동종업계 전문가의 선발/심사를 거쳤으며 또한 “Cell”, “Nature”, “Science” 등 유명 저널에 게재된 논문으로서 2018년 중국 생명과학분야의 주요 과학기술 성과를 집중적으로 반영하였다.  2018년 중국 생명과학분야 10대 성과는 다음과 같다.

(1) 자연면역 응답 및 염증반응에 대한 새로운 조절 메커니즘

생체의 자연멱역 응답은 “음양 평형”의 동적 과정이다. 어떤 분자가 자연면역 응답을 활성화시키고 면역 염증반응을 정지시키는지는 면역학 분야 프런티어 연구 관심사이다.

중국의학과학원 베이징셰허(協和)의학대학 기초의학연구소, 해군군의대학 의학면역학 국가중점실험실 및 난카이(南開)대학 차오쉐타오(曹雪濤) 연구팀은 몇 개의 면역구동 조절 및 염증제거 새 분자를 발견함과 아울러 관련 작용 메커니즘을 규명하였다. 연구팀은 새 긴사슬 비코딩 RNA lnc-Lsm3b는 네거티브 피드백(Negative feedback) 평형 방식을 통하여 바이러스 유도에 의한 인터페론 생성 신호경로를 바로 차단시킴으로써 염증손상을 해결할 수 있음을 발견하였다. 인터페론은 생성 후 대응되는 수용체에 작용하고 인터페론 수용체 IFNγR2는 막전좌(Membrane translocation)를 통하여 세포막에서 기능성 인터페론 수용체를 형

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쑤저우생명의학공학기술연구소, 첨단 초해상도 광학현미경 개발

2018년 12월 27일 중국과학원 쑤저우(苏州)생명의학공학기술연구소가 담당한 국가 중대과학연구 장비개발 프로젝트 “초해상도 현미광학 핵심부품 및 시스템 개발”이 검수에 통과하였다. 이는 중국이 첨단 초해상도 광학현미경 개발에 성공하였음을 의미한다.
동 프로젝트의 성공적 시행으로 중국은 첨단 광학현미경을 수입에 의존하던 국면을 개변했다. 또한 중국의 생명의학 등 선도 기초연구의 맞춤형 수요를 만족시키고 혁신능력을 향상시킴과 아울러 광학현미경 업종의 전환 및 업그레이드 촉진 등에 중요한 의미가 있다.
고/초해상도 광학현미경은 생물학 및 기초의학 연구에서 매우 중요한 역할을 한다. 10nm에서 100nm 스케일의 초해상도 광학현미경 이미징은 독창적 연구 성과 획득에 있어 중요한 수단이다.
연구팀은 5년간 연구를 통해 큰 개구수 대물렌즈, 특수광원, 신형 나노형광 증강시약, 시스템 통합 및 검측 등 핵심 기술을 파악하고 이와 관련한 국가 발명특허 90여 건을 출원하였는데 그중 30여 건이 특허를 획득하였다. 연구팀은 공초점레이저주사현미경, 이광자현미경, 자극방출고갈(stimulated emission depletion, STED) 초해상도현미경, 이광자-STED현미경 등 첨단 광학현미경 완제품을 개발하였고 또한 첨단 광학현미경 가공, 조립, 테스트 및 현미경 완성품 기술통합 공학플랫폼을 구축하였다. 아울러 복잡하고 정밀한 첨단 광학현미경 개발능력을 갖춘 개발팀을 양성함으로써 중국의 첨단 광학현미경 개발에 체계적인 해결방안을 마련하였다.
동 연구소가 개발한 초해상도 현미경 및 핵심부품은 국내뿐만 아니라 미국, 독일, 이스라엘 등의 연구기관에 투입되어 현재 성과를 창출하고 있다. 예를 들면 중국과학원 동물연구소는 해당 현미경을 발생생물학 기본현상 관찰에 사용하여 잠재적 제어 메커니즘을 연구하고 있고 중국과학원 약물연구소는 약물의 세포 내 표적화 위치추정 및 전달 연구에 해당 현미경을 투입하여 혁신신약 개발을 가속하고 있다.

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선양자동화연구소, 생명체를 닮은 감지장치 구축에 한발짝

최근 중국과학원 선양(沈阳)자동화연구소 로봇학연구실 마이크로나노프로젝트팀은 세포의 기계적 특성으로 광유전학적 공학화 세포의 광응답 특성을 특징화하는 방법을 제안함으로써 생체 세포에 기반한 생명체 고유 감지장치 구축에 기초를 마련하였다. 해당 성과는 “Nanoscale” outside front cover에 게재되었다.

생체시스템은 억만 년의 진화를 통해 인공시스템과 비교할 수 없는 우위를 형성하였다. 인공시스템을 통하여 생체시스템의 장점을 구현하는 방식으로 전통 전자기계시스템의 특성을 대폭 향상시킬 수 있는데 이 또한 현대 로봇의 발전 방향이다. 연구팀은 생체 광유전학 및 공학기술을 결합시켜 고광민감 특성을 보유한 포톱신(photopsin)을 발현시킬 수 있는 유전자를 표적세포에 형질주입하는 방식으로 표적세포를 광민감 생체장치로 만들었다. 그 다음 상기 공학화 세포와 미세전자기계시스템(MEMS)을 융합시켜 새로운 생명체를 닮은 감지장치를 구축함으로써 광민감 단백질 고유의 생물학적 감지 특성을 구현하였다. 상기 유사생명체 설계에서의 핵심 문제는 세포의 광응답 특성의 검측수단이다. 일반적으로 전기생리학 또는 화학영상학 등 방법을 사용하는데 과정이 복잡하거나 또는 세포를 손상시키는 등 결함이 존재한다. 이를 감안하여 연구팀은 새로운 세포 광응답 특성 특징화 방법을 제안하였다. 해당 방법은 광입력이 세포의 기계적 변형을 일으키는 물리현상을 이용하고 초정밀 검사와 단일 세포를 공학적으로 결합시켜 세포 광응답 특성에 대한 쾌속 특징화를 실현하였다. 동 방법은 기존 검사 방법에 비해 범용성이 좋고 조작과정이 간단하다. 해당 연구는 생명체를 닮은 감지장치 실용화에 실현 가능한 기술적 지원을 제공하였다.

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생명과학 시리즈 – 전문 데이터베이스 개발성공

최근 중국과학원 베이징게놈연구소 생명·건강빅데이터센터는 생명과학 연구를 위한 시리즈 전문 데이터베이스를 개발하였다. 동 데이터베이스 자원은 질병의 발병 메커니즘, 게놈 기능소자 및 구조, 유전자 변환 및 변이, 동물 유전 다양성 연구 등과 밀접한 연관을 가진다. 해당 데이터베이스 개발은 생명의 비밀을 탐구하는데 중요한 데이터 지원을 제공한다.

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생명과학 분야에서 취득한 2건의 새로운 성과

(1) 폐포발육의 수수께끼 밝혀

최근 국제학술지 “Developmental cell”은 베이징생명과학연구소 탕난(湯楠)실험실의 연구 성과를 표지논문으로 게재하였다. 해당 연구는 세계 최초로 생체 이미징 기술을 사용하여 폐포의 발육과정을 직관적이고도 실시간적으로 관측하였다. 또한 기계력과 성장인자에 의해 공동으로 제어되는 참신한 폐포 발육 모델을 제안하였다.

폐포의 발육 과정은 매우 복잡하다. 탕난실험실은 3년간 노력을 거쳐 체내 및 체외에서 생쥐 태아 폐 배양의 실시간 동적 이미징을 성공적으로 달성하였다. 연구팀은 8~10 시간의 연속적 실험을 통해 폐포 발육과정에 대한 실시간적 관측을 완성하였다.

상기 탕난실험실의 중요한 발견은 학계 관련자들로부터 체내 많은 줄기세포의 증식·분화 연구를 위해 새로운 아이디어를 제공하였고 또한, 폐 발육부전 등 관련 질병의 예방치료를 위해 중요한 참고를 제공하였다는 평가를 받았다.

(2) 쾌속 항우울 분자의 작용 메커니즘 규명

2018년 2월15일, 저장(浙江)대학 후하이란(胡海嵐) 연구팀의 장편논문 2편이 “Nature” 학술지에 게재되었다. 해당 연구는 쾌속 항우울 분자의 작용 메커니즘을 규명하여 우울증 발병기전에 대한 이해를 깊게 하였고 신형 항우울증 약물 연구를 위해 다수의 새로운 분자표적을 제공하였다.

전세계 발병률이 11%에 달하는 우울증은 현대사회에서 인간의 생활에 영향을 미치는 가장 심각한 정신질환이다. 연구팀은 대뇌 특수 부위의 특수 방전 모델과 우울증과의 관계를 발견하였다. 또한 외측고삐핵(lateral habenular nucleus)의 특수 방전방식-버스트 파이어링(Burst Firing)이 우울증 발병의 충분조건이라는 것을 최초로 규명하였다.

상기 일련의 연구 성과는 “Nature” 심사위원으로부터 높은 평가를 받았다. “Nature”외 또 하나의 최고 권위학술지인 “Science”도 이와 관련해 논평을 발표하였다.

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2017년 “중국 생명과학 10대 성과” 발표

2018년 1월 24일, 2017년 “중국 생명과학 10대 진전” 결과가 발표되었다. 2017년 “중국 생명과학 10대 진전”은 생명과학 분야의 혁신 발전을 추진하고 중국 생명과학 분야의 중대 과학기술 성과를 과시하고 홍보하기 위해 중국생명과학학회연합체에서 22개 회원학회를 통하여 추천하고 생명과학 분야 동종업계 전문가의 심사 평가를 거쳐 선정되었다.

(1) 벼의 새로운 내병성 유전 기초 발견 및 메커니즘 해석
도열병은 “벼 암증”으로 불리며 벼 생산지역에서 흔히 발생하고 벼 생산량의 대폭 감소 및 수확 전무를 유발하는 세계 식량 안전의 중대한 잠재적 위험이다. 쓰촨(四川)농업대학 천쉐웨이(陳學偉) 연구팀은 빅데이터 분석과 분자생물 수단을 결합하여 내병성 유전 유전자 위치 Bsr-d1를 감정하고 클론하였으며 해당 위치가 내병성 범위가 넓고 내병성이 지속적이며 벼 수확량 형질에 뚜렷한 영향이 없는 등 특성을 보유하고 있음을 규명하였다. 해당 연구성과는 벼 면역반응 및 내병성 분자의 이론 기초를 풍부히 하였고 또한 광범위 지속적 도열병 내성 벼 새품종 육종에 핵심 내성 유전자를 제공하였다. 또한 밀, 옥수수 등 식량작물 관련 새로운 내병성 메커니즘의 기초 및 응용 연구에 중요한 참조적 가치를 제공하였다. 해당 연구성과는 “Cell”(Cell,2017,170(1):114-126)에 게재되었다.

(2) 인간 Piwi 유전자 돌연변이가 남성불임증 유발
중국과학원 상하이생물화학·세포생물학연구소 류모팡(劉默芳) 연구팀은 상하이시계획생육과학연구소 스후이쥐안(施惠娟) 연구팀과 공동으로 남성불임증 환자에 대한 선별검사에서 Piwi 유전자 돌연변이를 발견하였다. 생쥐 모델로 해당 돌연변이가 웅성불임을 유발함을 입증하였고 해당 돌연변이가 웅성 불임을 유발하는 분자 메커니즘을 규명하였으며 또한 이를 기반으로 간섭 전략을 설계하여 돌연변이 생쥐의 정자 활성을 효과적으로 회복시켰다. 해당 연구는 최초로 Piwi 유전자 돌연변이가 남성불임을 유발함을 입증함과 아울러 해당 남성불임증의 정밀의료에 이론 기초 및 방법 전략을 제공하였다. 해당 연구성과는 “Cell”(Cell,2017,169(6):1090-1104)에 게재되었다.

(3) m6A메틸화 수식 조절이 척추동물 조혈줄기세포 운명 결정
조혈줄기세포는 각종 혈액세포의 원시 전구세포로서 혈액계의 장기적 안정을 유지할 뿐만 아니라 또한 골수이식으로 악성 혈액질환을 치료하는 핵심 성분이다. 하지만 조혈줄기세포 근원에 대한 연구 부족은 임상에서 질병 치료를 구속하는 “병목 문제”이다. 중국과학원동물연구소 류펑(劉峰) 연구팀은 베이징유전체연구소 양윈구이(楊運桂) 연구팀과 공동으로 최초로 내피-조혈세포 전화 과정에서 m6A의 메틸화가 유전자 발현 평형을 조절하여 조혈줄기세포의 발육을 촉진시킴을 발견하였다. 해당 연구는 새로운 관점으로 조혈줄기세포의 운명을 결정하는 메커니즘을 규명하여 m6A의 생리 기능에 대한 인식을 넓혔을 뿐만 아니라 체외 조혈줄기세포의 근원을 탐구하는데 새로운 아이디어를 제공하였다. 해당 발견은 “Nature”(Nature,2017,549:273-276)에 게재되었다.

(4) 화학약물이 caspase-3을 통하여 세포사멸을 유도하여 독성 부작용을 생성
세포사멸은 염증 caspase 프로테아제를 통하여 Gasdermin-D(GSDMD) 단백질을 절단함으로써 GSDMD 단백질이 세포막 천공 활성을 보유한 구조를 방출하여 발생하는 세포 염증성 괴사이다. 베이징생명과학연구소 사오펑(邵峰) 연구팀은 아포토시스(Apoptosis) 비염증성 caspase-3 프로테아제 절단 활성화 Gasdermin-E(GSDME) 단백질도 세포사멸을 유발할 수 있음을 발견하였다. 또한 임상에서 흔히 사용하는 화학요법 약물은 GSDME 의존성 세포사멸을 통하여 정상세포를 살상하며 생쥐의 GSDME 유전자를 녹아웃하면 화학요법 약물이 유발하는 기관 손상 및 체중 감소 등 독성 부작용을 뚜렷하게 줄일 수 있음을 발견하였다. 해당 발견은 최초로 종양 화학요법 약물의 독성 부작용 분자 메커니즘을 규명하였는데 이는 화학요법 효율을 향상시키는데 새로운 경로를 제공하였다. 해당 발견은 “Nature”(Nature,2017,547:99-103)에 게재되었다.

(5) 세포가 포도당 수준에 대한 감응 및 대사조절 분자 메커니즘
포도당은 세포의 주요 에너지원으로서 그 수준이 감소되면 AMP 활성화 단백질키나아제(AMPK)를 활성화시킨다. 샤먼(廈門)대학 린성차이(林聖彩) 연구팀은 영국 Dundee 대학 D.G.Hardie 등 연구팀과 공동으로 감각세포 내 포도당 대사 중간물질 프룩토오스-1, 6-이인산(FBP)의 감소를 통하여 AMPK 활성화를 유발하는 새로운 메커니즘을 발견하였다. 해당 연구는 세포가 포도당의 감각 경로 및 포도당이 세포대사 상태에 대한 제어 메커니즘을 규명하였으며 또한 기존의 AMPK가 AMP의 증가에 의존하여 활성화된다는 관점을 개변시켰다. 해당 연구성과는 “Nature”(Nature,2017,548:112-116)에 게재되었다.

(6) 단일 세포 시퀀싱 기반 간암 면역 다이어그램
중국의 간암 환자수는 세계에서 가장 많으며 간암은 중국인 건강을 위협하는 주요 요인이다. 베이징대학 장쩌민(張澤民) 연구팀은 베이징스지탄(世紀壇)병원 펑지룬(彭吉潤) 및 어우양원쥔(歐陽文軍) 연구팀과 공동으로 간암 종양 미세환경의 T 림프구에 대한 종합분석을 통하여 5,000개를 초과하는 T 림프구의 단일 세포 시퀀싱 데이터를 수집하여 혈액과 종양 중 T 세포의 특성이 완전히 같지 않음을 규명하였으며 T 림프구와 다양한 서브그룹 사이의 관계를 탐색하였다. 또한 Layilin 유전자는 잠재적인 면역요법의 표적으로 될 수 있음을 발견함과 아울러 체외 실험을 통하여 한층 더 입증하였다. 해당 연구는 세계 첫 전문적인 종양 관련 T 림프구의 단일 세포 조직학적 연구로서 다중 관점으로 간암 관련 T 림프구 특성을 연구하는데 기반을 마련하였으며 또한 종양 면역 다이어그램의 작성에 규범을 제공하여 기타 종양에 대하여 유사한 연구를 수행하는데 중요한 기반을 마련하였다. 해당 연구성과는 “Cell”(Cell,2017,169 (7): 1342-1356)에 게재되었다.

(7)벼 광범위 지속적 내병성 및 수확량 평형의 유전 및 표현형 조절 메커니즘
중국과학원 상하이생명과학대학 식물생리생태연구소 허쭈화(何祖華) 연구팀은 벼 광범위 도열병 내성 새로운 유전자 Pigm에 대하여 계통적 검증 및 분석을 수행하였다. 결과, 해당 유전자 위치가 단백질 상호작용 및 표현형 유전 방식을 통하여 1쌍의 면역 수용체 단백질 PigmR 및 PigmS를 정밀 조절하여 벼 광범위 내병성 및 수확량 평형을 조화시키는 새로운 메커니즘을 발견하였다. 이는 작물의 높은 내병성과 수확량 모순의 새로운 이론을 제안하였으며 또한 작물의 내병성 육종에 효과적 기술을 제공하였다. 해당 성과는 이미 40개가 넘는 기관의 내병성 분자 육종에 응용되었으며 또한 많은 광범위 내병성 새로운 품종에 대하여 심사 및 대면적 보급을 수행한 결과, 아주 큰 응용 잠재력을 보유하고 있다. 해당 연구성과는 “Science”(Science,2017,355:962-965)에 게재되었다.

(8) 생체 현미경 영상 시스템에서의 초고 시공간 해상도 마이크로화 이중 광자의 응용
베이징대학 학문간 융합 연구팀은 청허핑(程和平) 원사의 지도에 의해 마이크로 집적, 마이크로 광학, 초고속 광섬유 레이저 및 반도체 광전자학 등 기술로 시공간 고해상도 생체 영상 시스템 개발 분야에서 획기적인 기술 혁신을 통하여 2.2g의 마이크로화 휴대용 이중 광자 형광 현미경을 개발함으로써 세계 최초로 꼬리 매달기, 뛰어내리기, 사회교제 등 자연 행위 조건에서 생쥐 대뇌 뉴런 및 시냅스 활동의 고속 고해상도 영상을 기록하였다. 해당 획기적 기술은 새로운 연구 방식을 개척하여 동물의 자연적 행위 조건에서 대뇌 활동 과정을 “관찰”할 수 있을 뿐만 아니라 자폐증, 알츠하이머병, 뇌전증 등 뇌질환의 신경 메커니즘 가시화 연구과정에 중요한 역할을 발휘할 전망이다. 해당 연구성과는 중국 생물학자들이 첨단 과학연구 기기 설비 개발 능력을 보유하였음을 의미하며 또한 곧 수행하게될 중국뇌과학계획에 핵심적 혁신 도구를 마련하였다. 해당 연구성과는 “Nature”(Nature Methods,2017,14:713–719)에 게재되었다.

(9) 가려움 감각 정보를 전달하는 신경 회로 메커니즘
중국과학원 신경과학연구소 쑨옌강(孫衍剛) 연구팀은 척수 수준에서의 가려움 감각 특이적 가스트린 방출 펩티드 수용체(Gastrin-releasing peptide receptor, GRPR) 양성 뉴런에 대한 연구로부터 착수하여 가려움 감각 정보가 전달되는 핵심 신경 회로를 입증하였으며 또한 뇌줄기 가닥 옆의 뇌세포핵 영역이 만성 가려움증의 발생, 발전 과정에서 핵심 작용을 발휘함을 한층 더 입증하였다. 해당 연구는 가려움 정보 전달 신경 회로 메커니즘을 계통적으로 규명하였으며 또한 만성 가려움증의 잠재적 치료 표적을 찾는데 새로운 방향을 제공하였다. 해당 연구성과는 “Science”(Science,2017,357:695-699)에 게재되었다.

(10) 유전자 편집 레트증후군 원숭이 모델 구축
레트증후군(RTT)은 MECP2 단일 유전자 돌연변이로 유발된 신경 발달성 질병이다. 환자는 지력저하, 자주적 행위 및 생존능력이 약한 원인으로 가정 및 사회의 평생 보살핌이 필요하다. 해당 질병의 발생 메커니즘을 연구하여 치료 약물을 개발하고 치료 방법을 탐색하기 위해 연구팀은 일련의 생쥐, 큰쥐 등 설치류 실험동물 모델을 구축하였다. 그러나 해당 설치류 모델로 임상에서 환자의 특성을 시뮬레이션하기 어렵기에 관련 연구를 수행할 수 없다. 쿤밍(昆明)이공대학교 지웨이즈(季維智) 연구팀은 TALEN 표적 유전자 편집 기술로 게잡이원숭이 MECP2 유전자 녹아웃을 수행하여 일련의 레트증후군 원숭이 모델을 획득하였다. 해당 모델은 레트증후군 환자와 유사한 많은 특성을 나타냈는데 이는 기존의 설치류 실험동물에서 임상 표현형으로 나타나지 않았다. 해당 연구는 최초로 뇌발달, 눈운동, 전사체 등으로 레트증후군 모델에 대하여 평가하였는데 이는 레트증후군 발생 메커니즘 및 치료 연구 수행에 기반을 마련하였다. 해당 연구성과는 “Cell”(Cell,2017,169(5):945-955)에 게재되었다.

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2016년 중국 생명과학 분야 10대 성과

최근, 중국과학기술협회 생명과학학회 연합체는 18개 성원 학회의 추천 그리고 생명과학 분야 전문가의 심사를 통하여 “2016년 중국 생명과학 분야 10대 성과”를 선정하였다.

1) 식물 분지화 호르몬 스트리고락톤의 감수성 메커니즘

식물 호르몬이 식물의 번식 생존에 대한 조절은 인간의 생존환경 및 식량안전과 밀접한 연관성이 있다. 새로운 식물 호르몬으로서 스트리고락톤은 식물 분지화를 조절하고 식물형을 결정하며 작물 생산량에 영향을 미친다. 칭화대학 셰다오신(謝道昕), 라오쯔허(饒子和), 러우즈융(婁智勇) 등은 공동으로 스트리고락톤 수용체 감수성 메커니즘을 발견하였고 “수용체-리간드” 비가역적 식별의 새로운 규칙을 규명하였으며 수용체 D14는 호르몬 활성 분자 합성 및 비가역적 결합에 참여하며 더 나아가 신호전달 연쇄를 유발하며 이를 통하여 식물 분지화를 조절한다는 것을 발견하였다. 해당 발견은 생물학 분야에서 지난 100년 동안 구축한 리간드가 가역적으로 수용체와 결합되며 또한 순환적으로 전달 연쇄의 “리간드-수용체” 식별을 유발하는 이론을 풍부히 하였는데 이는 생물 수용체와 리간드의 비가역적 식별 새로운 이론 구축에 중요한 토대를 마련하였으며 또한 식물형에 대한 유전적 개량 및 기생잡초 방제에 중요한 지침적인 작용을 갖고 있다. 해당 연구 성과는 “Nature” 저널(Nature,2016, 536:469-474)에 발표되었다.

2) 미토콘드리아 호흡연쇄 슈퍼 복합물의 구조 및 기능

호흡작용은 생명체의 가장 기본적인 생명 활동으로써 미토콘드리아 내막에 위치한 산화적 인산화 계통에서 진행되며 세포에 에너지를 제공한다. 인간 미토콘드리아 호흡연쇄 산화적 인산화 계통의 이상은 알츠하이머병, 파킨슨병, 다발성 경화증, 소아 척수성 운동실조 및 근위축성 측삭경화증 등 다양한 질병을 유발한다. 포유동물 호흡체는 44개 막단백질을 포함한 81개 단백질 소단위(69종 다양한 단백질 분자)로 구성된 분자량이 1.73메가달톤에 달하는 슈퍼 막단백질 분자기계(Molecular Machine)이다. 칭화대학 양마오쥔(楊茂君) 연구팀은 잇따라 “Nature”(Nature, 2016, 537: 639–643) 및 “Cell” (Cell, 2016,167:1598–1609) 에 호흡연쇄 슈퍼 복합물 구조에 관한 논문을 발표하였다. 해당 구조는 지금까지 해석한 가장 복잡한 비대칭성 막단백질 슈퍼 분자기계 구조(그림 A, B)로서 포유동물 호흡연쇄 슈퍼 복합물의 구조 형식, 분자 메커니즘 및 세포 호흡과 관련된 질병 치료 연구에 중요한 구조 기초를 제공하였다.

3) 히스톤 메틸화 수식이 초기 배아 발달에서의 구축 및 조절

히스톤 메틸화 수식은 유전자 발현 및 침묵에 대하여 중요한 조절 작용을 일으키며 초기 배아 발달 과정에서 이상적 히스톤 수식은 배아 발달지체를 유발한다. 포유동물 착상전 배아 전유전체(Whole genome) 수준의 히스톤 수식 구축 및 조절은 발생생물학 분야에서 시급히 해결하여야 할 과학 문제이다. 퉁지(同濟)대학 가오사오룽(高紹榮) 연구팀은 최초로 미량세포 염색체면역침강 기술을 이용하여 H3K4me3 및 H3K27me3 2종 중요한 히스톤 수식이 초기 배아에서의 분포 특점 및 초기 배아 발달에 대한 독특한 조절 메커니즘을 규명하였으며 넓은 H3K4me3 수식이 초기 배아에 대량으로 존재하고 또한 유전자 발현 조절 및 배아 발육 제1차 세포 운명 결정에서의 중요한 작용을 발견하였다. 해당 성과는 “Nature” (Nature,2016,537:558-562) 에 게재되었으며 히스톤 수식이 착상전 배아 발달 및 초기 세포 분화 과정의 특이성 조절 형식을 규명하였는데 이는 배아 발달 이상, 보조 생식 기술의 성공률 향상에 중요한 의미가 있다.

4) 콜레스테롤 대사조절 기반의 종양 면역치료 새로운 방법

T세포가 유도하는 종양 면역치료는 종양을 치료하는 중요한 수단이며 임상에서 이미 거대한 성과를 거두었다. 그러나 기존의 신호전달 조절 기반의 종양 면역치료 수단은 오직 일부분 환자에 대하여 효과적이기에 시급히 새로운 방법을 개발하여 더욱 많은 환자를 치료하여야 한다. 중국과학원 상하이생물화학·세포생물학연구소 쉬천치(許琛琦), 리보량(李伯良)은 대사조절 새로운 관점으로 T세포 종양 면역반응을 연구하여 콜레스테롤 에스테라아제 ACAT1은 종양 면역 응답을 조절하는 대사 검사 위치임을 검증하였으며 해당 위치의 활성을 억제하면 CD8+ T세포의 종양 살상 능력을 증강할 수 있음을 발견하였다. 동시에 ACAT1 억제제 Avasimibe[파이저(Pfizer Inc.)회사에서 개발한 죽상동맥경화증 치료 약물, III단계 임상실험 진행]는 아주 양호한 항종양 효과가 있으며 또한 기존의 임상약물 PD-1 항체와 병용치료를 진행할 수 있음을 발견하였다. 해당 연구는 종양 면역 치료 연구의 새로운 분야를 개척하였으며 또한 ACAT1 약물 표적 및 그 소분자 억제제의 응용 전망을 발견하였고 새로운 종양 면역치료 방법을 개발하였다. 해당 연구 논문은 “Nature”(Nature,2016,531:651-655) 에 게재되었다.

5) 내인성 줄기세포 유도 기능성 수정체 재생으로 영유아 백내장 치료

중산(中山)대학 중산안과센터 류이즈(劉奕志) 교수 연팀은 18년 동안 연구를 거쳐 수정체 상피 줄기세포를 발견하였다. 줄기세포의 재생 잠재력을 이용하여 조직 복원을 구현하기 위해 새로운 최소 침습 백내장 수술 방법을 설계하고 구축하여 자체 수정체 줄기세포 및 그 재생 미세 환경을 보존하는 조건에서 기능성 수정체를 생장시켜 임상에서 영유아 백내장 치료에 사용하여 영유아 환자의 시력을 향상시켰으며 또한 합병증을 감소시켰다. 해당 연구는 백내장 치료에 새로운 전략을 제공하였을 뿐만 아니라 최초로 자체 줄기세포 유도로 실제 조직 기관의 재생을 구현하였으며 조직 재생 및 줄기세포 임상 응용의 새로운 방법을 개척하였다. 해당 논문은 “Nature” 저널(Nature, 2016,531:323-328)에 게재되었다.

6) 활성 RAG형 전이인자의 발견으로 항체 V(D)J 재조합의 근원 규명

면역기억 및 면역생성을 핵심으로 하는 인간 적응성 면역의 핵심 메커니즘이 바로 RAG가 유도하는 항체 재배열이다. 그러므로 RAG 유전자 기원은 면역 형성을 규명하는 핵심 문제이다. 노벨상 수상자인 도네가와(Tonegawa)는 1979년에 전이인자 기원 가설을 제안한 후 RAG의 기원 및 기능에 관하여 격렬한 학술 논쟁을 진행하였으며 해당 성과의 발표 전까지도 전이인자 기원 가설은 입증되지 못하여 면역학 분야의 고전적인 수수께끼로 되었다.

베이징중의약대학 쉬안룽(徐安龍) 연구팀은 살아있는 화석으로 불리우는 창고기(Amphioxus)에 대한 연구를 통하여 V(D)J 재배열 유도 기능을 보유한 원시 RAG 전이인자를 발견하였으며 도네가와의 가설을 입증하였다. 해당 발견은 면역학 교과서의 적응성 면역 기원에 관한 관점을 뒤엎어 적응성 면역의 기원을 척추동물에서 약 1억 년전 무척추동물로 확정하였을 뿐만 아니라 향후 재배열 메커니즘을 이용하여 새로운 면역항체/유전자를 설계하는데 새로운 유전자 편집 아이디어 및 기술을 제공하였다. 관련 연구 논문은 “Cell”[Cell 166(1):102—114,2016]에 게재되었다.

7) 식물의 자웅배우체 식별 분자 메커니즘

수정 과정은 정자와 난세포가 결합되어야 하며 정자의 적절한 시기적 난자로의 전달 여부는 수정의 핵심이다. 파자식물에서 정자는 꽃가루관을 통하여 전달된다. 그러나 꽃가루관이 정자를 난자에 전달하는 문제는 식물 생식 생물학 분야에서 몇십 년동안 연구를 진행한 주요 문제이며 해당 과정은 또한 식물의 생식적 격리 및 종 다양성 유지의 중요한 요소이다. 중국과학원 유전·발생생물학연구소 양웨이차이(楊維才) 연구팀은 최초로 애기장대 꽃가루관에서 자성 흡인 신호를 식별하는 수용체 단백질 복합체를 분리하였으며 또한 신호 식별 및 활성화 분자 메커니즘을 규명하였다. 형질전환 수단을 통하여 그 중 1개 신호 수용체를 냉이에 주입한 후 애기장대와 교잡면 형질전환 냉이의 꽃가루관이 애기장대 배낭(embryo sac)을 식별하는 효율이 뚜렷하게 증가되었다. 해당 연구는 유전자 공학 수단을 통하여 핵심 유전자를 이용한 생식적 격리를 타파하는 방법을 구축하여 교잡육종의 교잡 불화합성을 극복하는데 중요한 이론 근거를 제공하였다. 해당 연구 성과는 “Nature” 저널(Nature, 2016,531:241-4)에 발표되었다.

8) 정자 tsRNAs를 메모리 캐리어(memory carrier)로 하여 획득형질의 세대 간 유전 유도

음식습관으로 유도된 대사장애 등 부계(patrilineal)의 일부분 획득형질(acquired character)은 후성유전의 방식을 통하여 정자에 “기록”되어 후대에 유전되는데 이는 인간의 건강 및 생식에 심각한 영향을 미친다. 중국과학원 동물연구소 저우치(周琪), 돤언쿠이(段恩奎) 및 상하이생명과학연구원 영양과학연구소 자이치웨이(翟琦巍) 연구원 연구팀은 수컷 고지방 섭식 생쥐 모델을 기반으로 연구를 진행하여 정자의 tRNA에서 근원된 작은 RNA(tsRNAs)는 고지방 섭식 조건에서 발현 스펙트럼 및 RNA 수식 스펙트럼이 모두 뚜렷하게 변화되며 또한 고지방 생쥐 정자의 tsRNAs 단편을 정상적인 수정란 내에 주입하여 F1 세대의 대사성 질병을 유도할 수 있음을 발견하였다. tsRNAs는 수정란에 진입한 후 초기 배아 및 후대 생쥐 이자섬(pancreatic islets)의 대사 경로 유전자에 대하여 뚜렷한 변화를 유발한다. 본 연구는 정자 RNA 관점으로 획득형질의 세대 간 유전을 연구하는데 새로운 시야를 개척하였으며 또한 정자 tsRNAs는 새로운 웅성개체 후성유전 인자로써 획득성 대사질환의 세대 간 유전을 유도할 수 있음을 제안하였다. 해당 연구 성과가 발표된 후 세계적인 학술지에서 광범위하게 인용 및 평가하였으며 또한 세계 많은 대중매체의 관심사로 되었다. 해당 논문은 “Science” 저널(Science,2016,351(6271):397—400)에 게재되었다.

9) MECP2 형질전환 원숭이의 자폐증 유사 행위 특징 및 종계통 전달

중국과학원 상하이신경과학연구소 치우쯔룽(仇子龍) 연구원 등은 인간 자폐증 유전자 MECP2를 소지한 형질전환 원숭이 모델 구축 그리고 MECP2 형질전환 원숭이에 대한 분자 유전학 및 행위학적 분석을 통하여 MECP2 형질전환 원숭이는 인간과 유사한 자폐증의 상동 행동(Stereotyped behavior) 및 사회적 장애(Social barrier) 등 행위를 나태낸다는 것을 발견하였다. 해당 연구에서 최초로 인간 자폐증 유전자를 소지한 비인간 영장류 동물 모델을 구축하여 자폐증 병리에 대한 심층적 연구 및 가능한 치료 개입(Therapeutic intervention) 방법을 탐색하는데 중요한 토대를 제공하였다.

연구팀은 고환 이종 이식을 통하여 유년 게잡이원숭이의 고환을 누드마우스 허리 부위에 이식하여 게잡이원숭이 고환의 조기성숙을 구현하였으며 또한 이식 고환 조직 내에 생성된 정자를 이용하여 건강한 F1 세대 MECP2 형질전환 게잡이원숭이 후대를 획득하였다. 해당 과정으로 게잡이원숭이의 정자 생성 속도를 가속화시켰고 번식 주기를 감소시켰는데 이는 비인간 영장류 동물 모형의 응용 추진에 중대한 의미가 있다. 해당 연구 성과는 “Nature” 저널(Nature, 2016,530:98–102)에 발표되었다.

10) 에볼라 바이러스의 침입 메커니즘 연구

2015~2016년에 발생한 에볼라 바이러스 전염병은 서아프리카의 1만 명이상의 사망을 초래하여 전 인류의 주목을 이끌었다. 기존 에볼라 바이러스 침입 숙주 세포의 분자 메커니즘은 확정되지 않았다. 중국과학원 생물연구소 가오푸(高福) 연구팀은 세계 최초로 에볼라 바이러스 표면 활성 상태 당단백질 및 숙주세포 엔도솜 막수용체 NPC1 강내 도메인 C의 복합물 3차원 구조를 해석하여 양자가 “자물쇠와 열쇠”의 상호 작용 형식과 마찬가지임을 규명하였으며 분자 수준으로 새로운 낭막 바이러스의 막융합 유발 메커니즘(제5종 메커니즘)을 해석하여 최근 세계 바이러스학 분야의 거대한 성과로 되었다. 해당 연구는 항바이러스 약물 설계에 새로운 표적을 제공하였고 에볼라 바이러스 침입 메커니즘에 대한 인식을 증가시켰으며 에볼라 바이러스 전염병 및 방제에 중요한 이론적 기초를 제공하였다. 해당 연구 성과는 “Cell” 저널(Cell,2016, 167:1511-1524)에 게재되었다.

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4개 효모 염색체 인공합성 쾌거로 ‘재창조 생명’의 신기원을 열어

최근 톈진(天津)대, 칭화대, 선전(深圳)화다(華大)유전자연구원은 16개 사카로미세스 세레비지에(S. cerevisiae) 총 16개 염색체에서 4개 진핵생물 사카로미세스 세레비지에 염색체를 드노보 디자인(de novo design)하여 화학합성하였다. 해당 성과를 담은 4편 논문은 2017년 3월 10일 국제 저명 학술지 ‘Science’에 표지 논문으로 게재되었다. 이는 원핵생물 염색체 합성에 이은 또 하나의 기념비적 성과로 ‘생명 설계·재창조·재구성’의 신기원을 열었다는 평가를 받았다.

합성생물학은 DNA 이중나선 발견, 인간게놈 프로젝트 다음의 제3차 생물기술 혁명으로서 게놈 설계·합성을 대표로 한다. 생물학계 분류 기준은 원핵생물과 진핵생물인데 진핵생물 유전자(DNA)는 원핵생물에 비해 풍부하고도 복잡하다. 유전물질인 DNA는 일반적으로 다양한 염색체에 나뉘어 있고 이러한 염색체는 세포핵 특정 영역에 깊이 감춰져 있는 관계로 진핵생물 게놈 합성은 매우 어렵다. 따라서 생물학 분야의 기술 혁명을 주도함에 있어 진핵생물 게놈 합성기술은 핵심적 역할을 한다.

S. Cerevisiae 16개 염색체(길이 12Mb, 1Mb=100만 염기쌍) 전체에 대한 재설계와 합성을 목표로 하는 S. Cerevisiae 게놈 합성 프로젝트(Sc2.0프로젝트)는 합성 유전체학(Synthetic genomics) 연구와 관련한 대표적인 국제 협력 프로젝트로서 미국, 중국, 영국, 프랑스, 호주, 싱가포르 등 나라의 연구기관이 분업하여 협력하고 있다. 이번 국제 협력에서 총 5개 염색체를 화학합성하였는데 이중 중국 과학자가 완성 총량의 66.7%를 차지하는 4개를 합성하여 Sc2.0 프로젝트를 크게 추진하였다.

톈진대 위안잉진 연구팀은 5번, 10번(synV, synX) 염색체를 화학합성하였고 또한 고효율적 염색체 결함 표적 위치결정 기술 및 염색체 점돌연변이(Point Mutation) 복구 기술을 개발하였다. 연구팀은 길이가 770kb(1kb=1,000개 염기쌍)에 달하는 S. Cerevisiae 10번 염색체 합성 과정에서 게놈 결함 표적에 대한 쾌속 위치결정 및 정밀 복구 방법을 개발함으로써 완전 화학합성 게놈에서 발생하는 세포 불활성화 문제를 해결하였다. 연구팀이 획득한 완전합성 효모 염색체는 완전한 생명활성을 보유하였고 효모의 성장을 성공적으로 조절할 수 있으며 또한 다양한 환경 응답 능력을 보유하였다. 본 방법은 화학합성 게놈 연구에 보편적으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 표현형과 게놈의 상관성 분석을 위한 참신한 전략으로서 게놈 구조 및 기능에 대한 인식을 뚜렷하게 향상시킬 전망이다.

또한 화학합성 효모 5번 염색체를 이용하여 일련의 환상염색체 모델을 구축하였고 인공 게놈 구축에서 설계한 특이성 워터마킹 태그를 통해 세포분열 과정의 염색체 변화를 추적하고 분석하였다. 이는 현재 치료할 수 없는 환상염색체 질환, 암과 노쇠 등의 발생 메커니즘 및 치료 수단을 연구하는데 연구 모델을 제공하였다. 이외, 다단계 모듈화 및 표준화 게놈 합성 방법을 발전시켰다. 또한 원스텝 큰 단편 조립 기술 및 병행식 염색체 합성 방안을 제정함으로써 소분자 뉴클레오시드에서 생체 진핵 염색체에 이르기까지의 맞춤식 정밀 합성을 달성하였다.

칭화대 다이쥔뱌오 연구팀은 12번 염색체를 합성하였고 또한 긴 염색체의 단계적 조립 방법을 개발하였다. 먼저 큰 단편 합성 염기서열을 통해 6개 균주 염색체의 다양한 영역의 내생성 DNA를 점진적으로 교체하였다. 다음 효모 감수분열 과정의 상동 재조합 특성을 이용하여 여러 균주의 합성 염기서열을 합병함으로써 완전한 합성형 염색체를 획득하였다. 연구팀은 12번 염색체의 고도로 중복된 리보솜 RNA 코딩 유전자 집단에 대해 제거 및 공학화 개조를 한 다음 수정 후의 중복 유닛을 이용하여 게놈 여러 유전자좌에서 리보솜 RNA 코딩 유전자 집단을 재구성하였다. 해당 연구는 향후 기타 초대형, 고도로 복잡합 구조 게놈을 설계하고 프로그래밍하는데 기반을 마련하였다. 아울러 효모 게놈의 rDNA(리보솜 DNA) 영역과 기타 염기서열은 양호한 유연성과 가소성을 보유하였음을 입증하였다.

선전화다유전자연구원과 영국 에든버러대학교는 공동으로 2번 염색체(길이 770 Kb)를 드노보 디자인하여 완전 합성하였다. 연구팀은 트랜스오믹스(Trans-Omics) 기법을 사용하여 표현형, 유전체, 전사체, 단백질체, 대사체 등 5개 차원에서 유전자형-표현형 심층 상관 분석을 체계적으로 수행하였다. 그리고 인공적 설계 합성 S. Cerevisiae 게놈은 증가할 수도 삭감할 수도 있는 고도의 유연성을 보유하였음을 입증하였다. 특히 두 연구기관이 공동으로 합성한 효모 균주는 야생형과 고도로 유사한 생명활성을 보유하였고 환경 적응성은 대폭 강화되었으며 진화 속도는 기하급수적으로 향상되었다.

상기 성과는 생명 인식을 심화하고 관련 연구를 추진하는데 중요한 의미가 있으며 실제 응용에서 활용도가 높을 것으로 전망된다. 또한 화학물질 설계를 통한 맞춤식 효모 생명체 구축이 가능하고 생성물 범위도 확장될 것임을 시사한다. 인공합성 효모가 보급·응용됨에 따라 산업 생산, 약물 제조 등 면에서 효율과 품질 향상을 가져다줄 것으로 전망된다.