1. 연구실 소개

전 세계적으로 고령화가 빠르게 진행되면서, 노화와 밀접하게 연관된 대사질환의 유병률이 지속적으로 증가하고 있다. 비만, 제2형 당뇨병, 심혈관질환, 그리고 암은 각각 독립적인 질환이면서도 노화라는 공통된 생물학적 기반 위에서 서로 긴밀하게 상호작용한다. 특히 노화에 따른 미토콘드리아 기능 저하, 호르몬 신호전달 이상, 장내 미생물 군집의 변화, 그리고 조직 내 세포 구성의 변화는 이러한 대사질환의 발생과 진행에 핵심적인 역할을 담당한다.

GIST 노화 및 대사질환 연구실(Aging and Metabolic Disease Lab, 그림 1)은 이러한 복합적 질환의 원인 기전을 규명하고 새로운 치료 전략을 개발하는 것을 핵심 목표로 삼고 있다. 본 연구실은 선충(C. elegans), 다양한 세포주, 마우스 모델, 그리고 인체 조직에 이르는 폭넓은 실험 시스템을 활용하여, 분자 수준에서부터 개체 수준에 이르는 다층적 연구를 수행하고 있다. 나아가, 단일 기법에 의존하기보다 최신 오믹스 기술, 첨단 세포생물학, 그리고 계산생물학을 유기적으로 통합함으로써, 노화와 대사질환의 공통 분자 타겟을 발굴하고 이를 실제 치료로 연결하는 전환의학(translational medicine) 연구를 지향한다.

현재 본 연구실의 주요 연구 분야는 크게 세 축으로 구성된다. 첫째, 대사 스트레스로 인한 지방조직, 간, 골격근 등에서 에너지 항상성 변화에 대한 기전 연구이다. 둘째, 미토콘드리아 품질 관리를 중심으로 한 근육 노화와 신경퇴행성 질환의 기전 연구이다. 셋째, 단일세포 전사체학, 공간 전사체학 등 최신 기술을 활용한 암 미세환경 및 노화 조직의 세포 구성 변화 연구이다. 이러한 연구들은 노화와 대사질환, 그리고 암이 서로 어떻게 연결되어 있는지를 체계적으로 이해하는 데 기여하고 있으며, 그 성과들은 국제 학술지를 통해 지속적으로 발표되고 있다.

2. 노화 연구를 위한 최신 기초과학 실험기술

노화 및 대사질환은 단일 유전자나 경로의 이상이 아니라, 유전적·환경적·분자생물학적 요인이 복합적으로 상호작용하여 발생하는 다인자성 질환이다. 따라서 이를 온전히 이해하기 위해서는 다양한 최신 기초과학 실험기법을 융합적으로 활용하는 것이 필수적이다. 이하에서는 본 연구실에서 적극적으로 활용하고 있는 대표적인 실험기술들을 소개하고자 한다.

2.1 단일세포 RNA 시퀀싱 및 공간 전사체학

전통적인 벌크(bulk) RNA 시퀀싱은 조직 전체의 평균적인 유전자 발현 양상을 포착하는 데는 유용하지만, 조직을 구성하는 개별 세포 간의 이질성(heterogeneity)을 구분하지 못한다는 근본적인 한계를 지닌다. 반면 단일세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq)은 개별 세포 수준에서 전사체를 분석함으로써, 조직 내 다양한 세포 유형의 존재와 각 세포 고유의 유전자 발현 패턴을 밝혀낼 수 있다. 특히 동결 조직이나 핵 분리가 용이한 임상 검체에 적용 가능한 단일핵 RNA 시퀀싱(snRNA-seq)은 분석 대상의 범위를 더욱 확장한다. 노화 조직이나 종양 미세환경에서는 세포 구성이 복잡하고 역동적으로 변화하기 때문에, 단일세포 수준의 분석은 질환 기전을 이해하는 데 결정적인 역할을 한다.

단일세포 RNA 시퀀싱이 세포 단위의 해상도를 제공하는 반면, 조직 해리 과정에서 세포의 공간적 위치 정보가 소실된다는 아쉬움이 있다. 공간 전사체학(spatial transcriptomics)은 이러한 한계를 극복한 기술로, 조직 절편 위에서 직접 유전자 발현을 측정함으로써 세포의 공간적 맥락을 온전히 보존하면서도 전사체 정보를 획득할 수 있게 해준다. 현재 Visium, MERFISH, Slide-seq 등 다양한 플랫폼이 개발되어 있으며, 각각 공간 해상도와 유전자 검출 범위에서 서로 다른 강점을 지닌다.

본 연구실에서는 공간 전사체학을 비소세포폐암(NSCLC) 조직에 적용하여, 종양 발생 과정에서의 공간적 유전자 발현 변화와 면역치료 반응성에 대한 새로운 통찰을 제시하였다[1]. 이렇게 확보된 공간 정보는 종양 내 면역세포의 분포와 세포 간 상호작용을 이해하는 데 매우 중요하며, 향후 개인 맞춤형 면역치료 전략을 수립하는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다(그림 2).

2.2 미토콘드리아 대사 분석

미토콘드리아는 세포의 에너지 생산 중추이자 노화와 대사질환의 핵심 조절 기관이다. 노화에 따른 미토콘드리아 기능 저하는 에너지 대사 이상, 산화 스트레스 증가, 세포 사멸 신호 활성화를 초래하여 다양한 노화 관련 질환의 발생과 진행에 직접적으로 기여한다. 본 연구실에서는 산소 소모율(OCR), 막전위(membrane potential), 미토파지(mitophagy) 활성도 등 다양한 지표를 활용하여 미토콘드리아 기능을 종합적으로 평가하고 있다.

2.3 장내 미생물-숙주 대사 상호작용 분석

인체 장내에는 약 100조 개에 달하는 미생물이 공생하고 있으며, 이들 장내 미생물 군집(gut microbiota)은 숙주의 에너지 대사, 면역 반응, 신경 기능에 광범위한 영향을 미친다. '장-뇌 축(gut-brain axis)'으로 불리는 이 양방향 소통 경로는 최근 대사질환과 신경정신질환을 연결하는 중요한 고리로 주목받고 있다.

본 연구실에서는 16S rRNA 메타게놈 분석과 대사체 분석을 통합적으로 적용하여, 수면 부족과 고지방 식이에 의한 장내 미생물-뇌 축의 변화를 규명하였으며, 최근에는 운동이 장 크립트(crypt)의 노화 관련 전사 프로파일과 장벽 완전성(gut barrier integrity)에 미치는 영향을 분석하여, 운동에 의한 장 건강 개선의 분자적 기전을 밝히는 연구도 진행하고 있다[3].

3. 결론

노화와 대사질환은 단일 원인으로 설명될 수 없는 다인자성 질환이다. 이들의 본질적 이해와 효과적 치료를 위해서는 단일세포 전사체학, 공간 전사체학, 다중오믹스 통합 분석, 미토콘드리아 기능 분석, 장내 미생물 연구 등 다양한 최신 기초과학 기법을 유기적으로 융합하는 접근이 불가결하다. 특히 최근 기술의 급격한 발전으로, 과거에는 불가능했던 단일세포 수준의 공간적 유전자 발현 분석, 생체모사 3D 질환 모델링, 장내 미생물-숙주 상호작용의 정밀 분석이 가능해졌다. GIST 노화 및 대사질환 연구실은 앞서 소개한 다학제적 기술 융합을 통해 노화와 대사질환의 새로운 치료 타겟을 지속적으로 발굴하고, 궁극적으로 건강한 노화(healthy aging)를 실현하는 데 기여하는 연구를 이어갈 것이다.