빛으로 뇌 신경세포를 자라게 한다!

 

네이처 커뮤니케이션즈 誌  게재, “빛으로 뇌신경세포 성장인자수용체 원격제어 세계최초 성공”

 

 국내 연구진이 빛으로 뇌 신경세포 성장인자수용체를 원격제어 하는데 세계 최초로 성공했다. 이번 연구 성과는 미래창조과학부(장관 최문기)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 신희섭)의 인지 및 사회성 연구단(단장 신희섭) 허원도 그룹리더(KAIST 생명과학과 교수) 연구진에 의해 개발됐다.

 “광유도 뇌신경세포 성장인자수용체 (OptoTrk)”로 명명된 이 기술은 빛으로 세포막에 위치한 특정 수용체를 원격조정 할 수 있는 광유전학분야 신기술로써 연구진은 이를 신경세포에 적용해 신경세포의 분화를 유도하는데 성공한 것이다.

 이번 연구 결과는 네이처 출판그룹이 발간하는 세계적 권위지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 10.015, JCR 상위 5.35%)’ 온라인 판 6월 4일자에 게재되었다.

 
    (논문제목) 빛으로 신경세포막 수용체의 기능 조절 기술 개발(Light-inducible receptor tyrosine kinases that regulate neurotrophin signalling)
    * (제1저자) IBS 인지 및 사회성 연구단 장기영 연구위원, KAIST 생명과학과 우도연 박사과정생
    * (교신저자) IBS 인지 및 사회성 연구단 허원도 그룹리더(KAIST 생명과학과 부교수)

 

 연구를 이끈 허원도 교수는 “현재 여러 동물 모델을 대상으로 광유도 뇌신경세포 성장인자수용체(OptoTrk) 기술을 이용한 뇌과학 연구를 진행 중”이라며 “이번에 개발된 방법을 통해 뇌의 복잡한 신경망 구조에서 신경세포가 어떠한 기능을 하는지 규명해 내는데 획기적인 역할을 할 것”이라고 전했다.
 이번에 개발된 광유도 뇌신경세포 성장인자수용체(OptoTrk) 기술의 핵심은 신경세포에 별도의 물질처리를 하지 않고 빛만을 사용해 신경세포가 작동하게 하는 것이다.

 

 빛을 쬐어 주는 순간 수용체는 순식간에 활성화되고, 신경세포의 신호전달을 유도함으로써 신경세포의 성장과 분화를 유도하는 것이다.
 지금까지는 생체작용물질(natural ligand)이 특정 수용체를 조절하는데 널리 사용되어 왔지만, 이 방법으로는 수용체를 시공간적으로 조절하는 것이 불가능하며, 시간 소요로 인해 세포내에 역동적인 신호망을 이해하는데 한계가 있었다.
 연구진은 이러한 기존의 문제점들을 해결하기 위해 광유전학(optogenetics)기술을 도입한 새로운 기술을 개발했다. 광유전학은 최근 생명과학의 여러 분야에서 각광 받고 있는 학문으로, 미생물이나 식물에서 발견되는 빛에 반응하는 단백질을 인간이나 동물세포에 적용해 세포의 여러 기능들을 조절할 수 있다.

 

 허원도 교수는 “빛이 갖고 있는 장점은 형광등의 전원을 켜고 끌 수 있다는 것인데, 단순하게 빛을 쬐어주고 다시 끄는 방법을 통해 세포막 수용체를 조절할 수 있음을 증명했다”며 “빛을 쬐어주는 빈도를 조절함으로써 하위 신호전달의 지속성도 조절할 수 있었고, 결과적으로는 세포의 분화 또한 유도할 수 있음을 확인했다는데 이번 연구성과의 의미가 있다”고 밝혔다.

 허원도 교수는 오는 6월말 또 한 편의 관련 논문을 발표할 예정이라고 밝힘으로써, 지난 5월 ‘광활성 분자올가미기술 (LARIAT)을 개발’해 세계 최고 권위 저널인 Nature Method 誌에 개제한데 이어 두 달 사이 총 3편의 광유전학(optogenetics) 관련 연구성과를 연이어 발표하게 됐다.

 

연 구 결 과 개 요

 

Light-inducible receptor tyrosine kinases that

regulate neurotrophin signalling

Ki-Young Chang, Doyeon Woo, Hyunjin Jung, Sangkyu Lee, Sungsoo Kim, Joungha Won, Taeyoon Kyung, Hyerim Park, Nury Kim, Hee Won Yang, Jae-Yong Park,

Eun Mi Hwang, Daesoo Kim and Won Do Heo

(Nature Communications, published online 4 June 2014)

 

 

 세포막에는 다양한 수용체가 존재하며 중요한 세포내 기능과 밀접한 연관이 있다. 수용체를 연구하기 위한 기존의 방법은 많은 경우에 약물을 처리해서 수용체를 연구해 왔다. 하지만 약물을 처리할 경우 목표물 특이성이 낮기 때문에 그로인한 부작용이 많았다. 또한 세포내 원하는 부위만 국부적으로 활성 시킬 수 없었기 때문에, 세포내 역동적인 신호전달 과정을 정량적으로 분석하는 데에는 한계가 있었다. 

이러한 한계점들을 극복하기 위해 본 연구에서는 빛으로 수용체의 활성을 조절하는 새로운 기술을 개발하였다. 특히 신경 영양물질에 특이적인 수용체(Trk receptor)의 말단에 청색 빛에 반응하는 단백질을 결합시켜, 빛에 반응할 수 있는 수용체를 만들어 이를 광유도Trk(OptoTrk)라 명명했다.

 

    이 기술의 특징으로는 한 번의 빛을 조사하게 되면, 일시적인 세포내 신호 활성이 일어나게 되고 반복적인 또 다른 빛의 조사를 통해 가역적으로 조절 받을 수 있었다. 반면 지속적인 빛을 조사하자 세포내 신호 활성은 오랜 시간동안 유지되었고, 세포내에서 작용하는 기능도 위의 경우와 상이했다.

 

 신경세포 성장물질을 처리했을 때 신경극 발아(neurite outgrowth)가 가능 한 PC12 세포주에서 신경 영양 물질을 처리하지 않고도 반복적인 빛을 주자 세포에서 신경극이 뻗어져 나와 형태적으로 분화함을 관찰하였다. 또한 실제 쥐의 뇌에서 추출한 신경세포의 기능과 관련되는 사상위족(filopodia)의 개수도 증가함을 확인하였다.

이러한 빛으로 조절가능한 수용체로 생체 내 또는 생체 밖에서 시공간적으로 하위신호전달을 조정하여 여러 생물학적 기작을 더 자세히 규명 하는데 큰 도움을 줄 것이라 기대된다.

 

용 어 설 명

 

1. Nature Communications지
  ○ 네이처 출판 그룹의 세계적인 과학전문지 ‘네이처(Nature)’의 자매지로 다양한 연구 분야를 다루고 있는 저널로 피인용지수 (Impact Factor)는 10.015이다.

2. 광유도 단백질
 ○ 식물은 광합성 등의 기능을 수행하기 위해 빛에 반응하는 단백질을 가지고 있으며, 본 연구에서는 애기장대(Arabidopsis thaliana)에 있는 크립토크롬2(Chryptochrome2) 단백질을 사용하였다. 크립토크롬2 단백질은 청색광에 특이적으로 반응하여 빛에 의존적으로 CIB1이라 불리는 짝 단백질과 상호작용 한다.

3. 수용체(receptor)
  ○ 세포막에 존재하는 막 단백질로 각각의 수용체는 특이적인 외부 인자와 반응하여 그 신호를 세포내로 전달시키는 특성을 갖는다. 이렇게 활성된 신호는 세포내 여러 가지 기능을 담당해 조절하게 된다.

4. 신경영양물질(neurotrophin)
  ○ 신경세포의 생존, 발달 그리고 기능을 유도하는 단백질이다. 각각의 신경 영양물질에 특이적으로 반응하는 Trk 수용체 군이 존재한다. 

5. 신경극 발아(neurite outgrowth)
 ○ 신경계의 발달이 일어나는 데 있어 중요한 단계이다.

 

그 림 설 명

 

1. 신경세포막 Trk 수용체 광활성 기술

        

 

     

 

                               

 

일반 Trk 수용체는 수용체 특이적인 생체작용물질과 결합하면 세포내로 활성 된 신호를 전달시키게 된다. 일반적으로 Trk 수용체 하위신호의 종류로는 ERK, AKT 그리고 칼슘신호가 존재한다. 광 유도 Trk 수용체는 이러한 Trk 수용체의 말단에 광유도 단백질을 결합시켜 빛이 조사 되었을 때, Trk 수용체는 그것의 생체작용물질이 존재하지 않더라도 하위 신호를 전달할 수 있게 디자인 하였다. 하위 신호중 하나인 ERK신호의 활성은 ERK 신호 활성 표지인자에 의해 살아있는 세포 안에서 탐지될 수 있다. 이 표지 인자는 ERK 신호가 활성 되면 세포 내 위치가 핵으로 들어가게 된다. 이를 통해 개발 된 세 가지의 광유도 Trk 수용체 A,B,C 각각에 대한 하위 신호중 하나인 ERK 신호 활성을 확인 할 수 있었다.

 

 

2. 광유도 Trk 수용체를 이용한 하위 신호전달 형태 조절

 

광유도 Trk 수용체를 발현하는 세포에 빛을 주고, 칼슘신호 활성 표지인자로 칼슘신호의 활성을 측정하였다. 이 칼슘신호 활성 표지인자는 세포내 칼슘의 양이 많아지게 되면 그 형광 강도가 증가하게 된다. 일정 시간 간격을 갖는 연속적인 빛을 조사하면 광유도Trk를 통한 하위 신호 역시 가역적으로 활성 됨을 확인하였다.

                      

 

                        

 

또, 그 형태를 다르게 하기 위해서 세포의 ①전체, ②위 그리고 ③아래 부분을 부분적으로 빛을 주었을 때, 칼슘신호활성 표지인자의 형광 강도가 전체를 주었을 때는 전체적으로 증가하는 반면, 부분적으로 빛을 주었을 때는 빛을 준 부분에서부터 칼슘신호가 활성 되어 세포내에서 확산되는 것을 확인하였다. 빛을 광범위 하게 조사 하였을 때, 다양한 세포 집단 안에서 광유도 Trk수용체만 발현하는 세포 특이적으로 반응이 일어나는지 역시 칼슘신호활성 표지인자로 확인 할 수 있었다.

 

3. 광유도 Trk 수용체를 이용한 세포의 형태 변화 유도    
  신경영양물질 처리시 신경극 분화가 가능한 세포주를 이용해 세포의 형태 변화를 유도할 수 있었다. 개발한 광유도Trk를 발현시킨 뒤, 청색광을 조사 하였을 때와 신경영양물질을 처리하였을 때의 신경극 분화 정도를 비교하였는데, 아무것도 처리하지 않은 군과 비교해서 두 가지의 처리군 모두 신경극 분화가 일어나 세포가 형태적으로 분화함을 알 수 있었다.

 

                            

 

이러한 형태학적 변화는 세포주 뿐만 아니라, 실제 신경세포에서도 관찰 할 수 있었다. 앞서 개발된 광유도Trk 수용체를 발달 초기 제1해마뉴런에 발현시킨 뒤, 신경영양물질을 처리하거나 빛을 처리 했을 경우 아무것도 처리하지 않은 대조군 신경세포보다 전체 신경극 길이가 길어지고, 분기점 개수 또한 많아짐을 확인하였다.

 

참고그림

그림1 광활성 신경세포막수용체 (OptoTrk receptor)를 빛으로 활성화시키는 모식도

     

그림1 광활성 신경세포막수용체 (OptoTrk receptor)를 빛으로 활성화시키는 모식도

 

 

 

그림2 광활성 신경세포막수용체 (OptoTrk receptor)를 발현하여 빛으로 신경세포분화를 유도하는 모식도

 

 

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전재표 기자 su1359m@hanmail.net
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