김상욱

Kim, Sanguk,  Ph.D.

분자.생명과학부 및 생명과학과 부교수
생물정보학, 분자구조학

2002         Ph.D., Molecular Biophysics,
               Florida State University
2002-2005  Postdoctoral Fellow,
               Univ. of California, Los Angeles

중점연구분야 |  주요논문

중점연구분야 (Research Interests)

우리 연구실에서는 크게 systematic biology와 structural bioinformatics라는 두 가지 연구분야를 다루고 있다. 첫 번째로 (systematic biology), genome-wide한 data를 이용하여 세포 내 단백질 사이의 결합과 subcellular targeting 및 localization을 정의하고, 단백질의 활성과 질병 사이의 연관성에 대하여 연구하고 있다. 두 번째로 (structural bioinformatics), 진화적 정보를 이용하여 단백질 사이의 결합과, 기능을 정의하는 아미노산 서열을 선발하는 일을 진행하고 있다. 더 나아가, 단백질 구조의 예측과 특정 기능을 수행하는 단백질의 engineering작업을 수행하고 있다.

I. Genome-wide identification of protein interactome

I-1. PDZ 도메인은 효소(enzyme), 수용체(receptor), 이온 채널(ion channel) 등의 다양한 신호 전달 요소들을 규합하여 정보의 흐름을 제어하는 중요한 역할을 수행한다. PDZ 도메인-리간드 사이의 상호 작용이 신경병리 혹은 암등의 질병과 밀접한 관련이 있다는 면에서, PDZ 단백질의 기능과 그 상호작용을 이해하는 것은 매우 중요하다. 본 연구실에서는 정량적 상호작용 모델링과 세포 내 위치 정보를 통합하여, PDZ 단백질-리간드 상호작용 네트워크를 구축하였다. 이를 통해 PDZ 도메인과 그들의 파트너의 상호작용을 결합 세기 및 세포 내 위치를 분석하고, PDZ 단백질을 통해 조직되는 다양한 신호 전달과 PDZ 도메인-리간드 상호작용의 진화적 보존 관계를 조사하고 있다 (Fig. 1A).

I-2. 세포는 신호를 감지하고 이를 유전자 발현의 변화로 전달하여 환경에 반응할 수 있다. 막 단백질은 다양한 세포 외부 신호를 받아들이고 전달하는 기능한다. 이러한 다양한 기능을 하기 위해서는 구조적 다양성 역시 요구된다. 하지만 세포막 단백질은 수용성 단백질에 비해 적은 단백질 family나 fold의 종류를 가지고 있어 구조적 다양성이 아닌 다른 기작을 통해 기능의 다양성을 얻었다. 본 연구실에서는 막 단백질의 dynamic interaction정보를 분석하여 세포막 단백질이 어떤 방법으로 기능적 다양성을 얻을 수 있었는지에 대한 연구를 진행하고 있다 (Fig. 1B).

II. Systematic analysis of protein localizations in the cells

II-1. 단백질의 위치 정보는 단백질의 결합 정보를 예측하거나 기능을 이해하는데 큰 도움을 준다. 또한 단백질의 위치 정보를 알았을 때, 새로운 질병 관련 단백질을 찾는데 도움을 줄 수 있다. 많은 실험적 연구 방법뿐만 아니라 생물 정보학적인 접근 방법을 통하여 단백질의 위치 정보를 파악하려는 노력들이 많이 진행이 되고 있지만 아직까지 많은 단백질 들의 위치 정보가 밝혀져 있지 않고, 예측 방법들마다 서로 다른 결과를 주는 경우가 많아 사용자에게 혼란을 주고 있다. 본 연구실에서는 이를, 다양한 프로그램들을 종합하여 일치되는 결과를 줄 수 있는 프로그램을 개발하였다. 이 단백질의 위치 정보를 이용하여, 질병의 발병 기작을 이해하는데 도움이 될 수 있을 것이라 기대하고 있다 (Fig. 2A).

II-2. 미토콘드리아 (mitochondria)는 거의 모든 진핵생물의 세포에서 ATP를 만들어내며 세포 사멸, 이온 항상성 유지, 여러 chemical의 생성 및 분해에 관계되어 있다. 미토콘드리아의 기본 기능이 잘못 되었을 경우, 신진 대사 질환과 더불어 당뇨, 퇴행성 뇌질환등이 발생한다는 사실이 밝혀졌다. 이와 더불어 미토콘드리아와 핵간 세포질간의 communication이 기능 조절에 중요한 역할을 하고 있음이 밝혀졌다. 본 연구실에서는 genome, proteome, interactome과 같은 high-throughput data들을 사용하여 미토콘드리아 단백질을 규명하고 미토콘드리아 질병과 관련 있는 단백질을 찾는 일을 하고 있다 (Fig. 2B).

III. Evolutionary analysis protein structures and sequences

III-1. 단백질은 세포 내 기능을 수행하는 기본 요소로 기능을 결정하는 부위는 진화하는 동안 아미노산 서열에 흔적을 남기게 된다. 본 연구실에서는 진화적 정보 (sequence conservation and co-evolution)를 정량적으로 통합하는 방법을 개발하고, 단백질의 binding site, translocation pathway, conformational changing pathway와 같은 기능 결정 부위를 찾는 일을 하고 있다 (Fig. 3A). 또한 진화 정보와 computational docking 시뮬레이션을 이용하여, 단백질 사이의 결합부위를 효과적으로 예측할 수 있는 방법을 개발 하고 있다. Computational docking을 통하여 발생된 다양한 형태의 protein complex중 생물학적으로 기능을 하고 있는 protein complex를 선발하기 위해서는 docking model의 서열화 (prioritizing)가 필요하다. 본 연구실에서는 단백질의 아미노산 서열로부터 진화적 정보를 수치화하여 올바른 docking model을 찾고 있다 (Fig. 3B). III-2. 세포막 단백질 (membrane protein)은 다양한 biological process에 참여 하는 중요한 약물 target이다. 이들은 expression, purification, crystallization이 어렵기 때문에, 구조를 알아내고 기능을 연구하는데 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해서는 구조의 modeling template을 확보하는 것이 매우 중요한 일이다. 본 연구실에서는 구조를 알아내기 쉽고, 풍부한 구조 정보가 존재하는 수용성 단백질 (soluble protein)의 구조를 이용하여 세포막 단백질의 구조와 fold space를 예측하는 일을 하고 있다 (Fig. 3C). III-3. 단백질의 진화 속도 (mutation rate)는 단백질의 기능 획득 (neo-functionalization)과 기능 유지를 결정한다. 이러한 진화 속도를 결정하는 요소로는 유전자 중복 (gene duplication)과 단백질 발현양이 있다. 본 연구실에서는 단백질 진화에 관련된 진화 속도, 유전자 중복, 발현양 사이의 관계를 체계적으로 분석하여, 각 요인들간의 상관관계를 규명하고자 한다.

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주요논문 (Selected Publications)

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