News center

[고등학생 기자단 포커스 16]

김태경 교수님을 만나다

글. 약사고등학교 옥소아 x 대구가톨릭대학교사범대학부속 무학고등학교 도지완

안녕하세요! 포커스 16기 약사고등학교 옥소아, 대구가톨릭대학교사범대학부속 무학고등학교 도지완입니다. 저희 포커스 기자단은 후성유전학을 바탕으로 뇌 질환, 장내 세균, Enhancer RNA 등을 연구하고 계신 생명과학과 김태경 교수님을 뵙고 인터뷰해 보았습니다. 그럼, 인터뷰 내용을 확인하러 가보실까요?

Q. 교수님께서 현재 진행하고 계신 연구와 연구실에 대해서 간략히 소개 부탁드립니다.

A. 우리 연구실은 신경후성유전학 연구실(Neuro-Epigenetics Lab)입니다. 뇌에서 일어나는 인지 행동의 실체를 분자 수준에서 규명하는 것을 궁극적인 목표로 삼고 있습니다. 특히 ‘후성유전학’이라는 학문적 관점을 중심으로 연구를 진행합니다. 

Q. 자폐 스펙트럼 장애, 뇌전증, 알츠하이머병 등 다양한 뇌 질환이 분자 수준에서 어떤 메커니즘으로 발현되나요?

A. 다양한 뇌 질환은 분자 수준에서 각기 다른 원인에 의해 발생합니다. 대표적으로 자폐 스펙트럼 장애는 이름처럼 ‘스펙트럼’ 범위로 증상이 나타나기 때문에 매우 많은 돌연변이 유전자가 자폐증과 관련되어 있습니다. 또한 뇌전증은 이온채널의 돌연변이와 신경세포의 과활성화, 알츠하이머는 아밀로이드 단백질과 타우 단백질에 의해 발현됩니다. 우리 연구실에서 뇌 질환을 연구할 때는 후성유전자적인 변화에 집중합니다. 원인은 다르더라도 그 상위 단계에서 경로를 파악하고 조절하면 다양한 유전자 돌연변이에 기인하는 뇌 질환의 해결책을 찾을 수 있을 것으로 생각하기 때문입니다.

Q. 후성유전체란 무엇이며, 뇌 질환을 후성유전학적 관점에서 연구하는 방식이 다른 연구법과 비교했을 때 어떤 차별점이나 장점이 있는지 궁금합니다.

A. 우리가 부모에게서 받은 유전자는 모두 동일한데, 신체가 발달하면서 어떤 세포는 대장세포로, 어떤 세포는 신경세포로 분화합니다. 1950년 한 발달생물학자는 ‘왜 같은 유전자를 가지고도 이렇게 달라질까’에 대해서 고민했습니다. 그 과정에서 유전자 자체는 같지만, 환경에 따라 일부 유전자가 켜지고 꺼지는 메커니즘이 있다는 것을 알게 되었고, 이것이 ‘후성유전학’의 시작이 되었습니다. DNA 염기 서열은 건드리지 않고, 어떤 유전자가 언제 발현될지를 조절하는 것이죠. 유전자 발현 조절이 제대로 이루어지지 않으면 세포가 암세포로 변하거나 장 기능이 망가질 수도 있습니다. 뇌의 특정 기능이나 세포 타입에서 어떤 유전자가 켜지고 꺼지는지를 이해하는 것이 후성유전학적 연구의 핵심이며, 이를 통해 뇌 질환 연구에서 환경과 경험이 유전자 발현에 미치는 영향을 탐구할 수 있다는 장점이 있습니다.

Q. 교수님께서 최초로 발견하신 Enhancer RNA(eRNA)가 RNA와 어떤 차이가 있나요?

A. 수업 시간에 배운 RNA는 단백질의 정보를 담고 있는 즉, 단백질을 만들어내는 중간 매체입니다. 이와 달리 Enhancer RNA는 단백질을 만들어내지 않습니다. Enhancer RNA는 단백질 정보를 담고 있지 않은 비암호화 RNA의 한 부류로 프로모터라는 부위와 함께 DNA상의 특정 유전자 발현을 조절합니다. 기존에는 전사인자와 단백질이 결합해서 유전자를 발현시킨다는 사실만 알려져 있었는데, 전사인자와 ‘RNA 폴리머레이즈’라는 효소가 결합해 알려지지 않았던 RNA를 새롭게 만들어낸다는 것을 알게 되었습니다. 이때 만들어진 RNA를 Enhancer에서 나오는 RNA라 해서 Enhancer RNA라 부르게 되었습니다.

Q. 최근 뇌과학 연구에서 AI 기술이 많이 활용되는데, 교수님께서도 연구에 AI 기반 모델이나 시뮬레이션을 활용하고 계시는지 궁금합니다.

A. 우리 연구실에서는 머신러닝을 활용합니다. 예를 들어, 감각 자극을 받으면 해당 신경세포가 활성화되면서 여러 유전체에서 eRNA가 발현됩니다. 그런데 이 발현되는 패턴이 자극의 종류나 세포 종류에 따라 달라지는 것을 발견했습니다. 이 정보를 머신러닝 기법으로 학습시키면, 나중에 eRNA 발현 패턴만 보고 뇌가 어떤 감각 자극을 받았는지, 또는 중독의 어느 단계에 있는지를 예측할 수 있습니다. 앞으로 유전체 정보를 학습해 뇌 질환이나 중독 단계별 특성을 예측하는 연구로 확장될 수 있습니다.

Q. AI 기술 외에도 연구실의 핵심적인 최신 연구 기법을 소개해 주세요.

A. 최근에는 생명과학 분야에서 다양하고 새로운 기술이 등장하면서 생명 현상에 대한 이해가 점점 깊어지고 있습니다. 그중 우리 연구실에서 특히 많이 이용하고 있는 것은 ‘단일세포 분석 기법’입니다. 단일세포 분석은 세포 하나하나 수준에서의 분자적 변화를 분석하는 기법입니다. 특히 뇌는 조직적으로 가장 복잡하니 단일세포 분석기술이 어느 분야보다도 필요하고, 중요합니다. 그뿐만 아니라 뇌의 단면을 잘라내 해부학적 요소를 그대로 관찰하는 ‘공간 전사체 기술’, 뇌를 투명화시켜 3차원 공간에서 세포를 확인하는 ‘브레인 클리어링 기술’ 등이 연구에 활발히 사용되고 있습니다.

Q. 교수님께서 추구하시는 앞으로의 연구 방향이나 개인적인 목표가 있다면 무엇인가요?

A. 지금까지는 기초적인 원리를 규명하는 데 많이 노력해 왔습니다. 뇌가 정보를 저장하고 처리하며 외부 환경에 반응하는 인지 행동의 실체가 무엇이고, 그 과정이 어떻게 일어나는지를 이해하는 것이 저희의 궁극적인 목표입니다. 이제는 이러한 원리를 바탕으로 임상적 활용까지 생각하고 있습니다. 특히, 자폐증 증상을 보이는 분자 흐름을 후성유전학적으로 분석하고, 이를 교정할 수 있는 기술을 개발 중입니다. 현재 쥐를 이용한 동물실험 단계에서 인지 행동이 변하는 효과를 확인했습니다. 언젠가는 사람에게도 적용하여 자폐증 환자들에게 실질적인 희망을 줄 수 있는 기술로 발전시키는 것이 제 목표입니다.

Q. 마지막으로 뇌과학자를 꿈꾸는 학생들에게 한 말씀 부탁드립니다.

A. 우리는 분명히 읽고, 말하고, 쓰는 것을 ‘뇌’로 수행하지만, 아직 그 메커니즘이 눈에 보이지 않는 미지의 영역으로 남아있습니다. 그 점이 바로 뇌과학의 매력이라고 생각합니다. 생리적, 분자적 작용으로 나타나는 인지 행동의 실체를 연구한다는 점, 궁극적으로 동물과 구별되는 인간만의 특징인 고차원적 인지 기능을 연구한다는 점에 큰 의미가 있기에 도전해 볼 만한 학문이라고 생각합니다!

지금까지 포스텍 생명과학과 김태경 교수님과의 인터뷰였습니다. 흔쾌히 인터뷰에 응해주신 김태경 교수님께 진심으로 감사드리며, 인터뷰 진행에 도움을 주신 강수향 입학사정관님, 백지훈 알리미님, 김승의, 윤은지 촬영감독님들께도 감사의 마음을 전합니다. 그럼, 지금까지 포커스 16기 옥소아, 도지완이었습니다!