한빛사 인터뷰
- 등록2024-03-05
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1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
본 논문은 신경세포로의 분화를 실시간적으로 모니터링하는 데에 중점을 둔 세포기반 바이오센서 (Cell-based biosensor, CBB)의 개발에 관한 것입니다. 신경줄기세포 (Neural stem cell, NSC)의 분화 과정을 실시간으로 모니터링하는 것은 줄기세포 치료법의 발전과 뉴런 발달에 관련된 복잡한 과정을 이해하는 데 매우 중요합니다. 신경 손실 및 손상으로 특징 지어지는 신경질환 (알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌졸중, 외상성 뇌 손상 등)에 대한 줄기 세포 치료법의 효과는 NSC의 분화, 특히 신경세포로의 분화 조절에 달려 있습니다. NSC 치료법은 높은 임상적 잠재력에도 불구하고, 이질적인 세포 집단으로 인한 안전성 문제 (기형종 (teratoma)이나 원치 않는 조직의 생성) 로 인해 그 적용이 제한됩니다. 따라서 신경세포로의 분화 진행 및 세포 이질성의 정확한 식별 및 모니터링은 적절한 세포 유형 사양을 보장하고 줄기 세포 분화 프로토콜 중에 종양 형성 위험을 최소화하는 데 중요합니다.
전통적으로 역전사-중합효소연쇄반응 (RT-PCR), 웨스턴 블롯팅 및 면역형광 (IF) 염색이 줄기세포 분화를 조사하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 이러한 분석법은 분화를 확인하기까지 시간 소모적이고, 종말점 분석에 적합하며, 단일 세포 수준의 해상도 부족 등의 한계점이 있습니다. 또한 특정 시간 때의 분화 snapshot만을 제공하기 때문에 분화 과정의 점진적인 변화를 포착하기에는 한계가 있습니다. 따라서 현존하는 기술의 한계를 극복하고 더욱 효과적으로 신경세포의 분화를 평가할 수 있는 비침습적인 모니터링 방법이 필요합니다.
앞서 언급한 한계를 극복하기 위해, 세포 내에서 형광 신호의 이동을 통해 실시간으로 신경세포로의 분화를 검출할 수 있는 CBB를 개발했습니다. CBBs는 두개의 퓨전 단백질 (N-fusion; NLS1-9-N-intein-AP2 and C-fusion; GRIA2-C-intein-NLS10-18-EGFP)로 구성되며, 본 논문에서는 신경세포로의 분화를 조기 검출하기 위해 신경발생에 필수적인 단백질로 밝혀진 히포칼신 (Hippocalcin)을 표적물질로 선택했습니다. AP2와 GRIA2는 표적 물질과 상호작용할 수 있는 생체 수용체로, 히포칼신이 있을 때 두 퓨전 단백질의 결합을 유도하고, N-intein과 C-intein은 스플릿 인틴 (Split-intein)으로 단백질 트랜스-스플라이싱 (trans-splicing)이라는 고유의 반응을 유도하여 스스로는 제거되고, 각 말단 도메인인 NLS1-9 와 NLS10-18-EGFP을 자발적으로 연결시켜주는 단백질입니다. NLS1-9와 NLS10-18은 스플릿 핵 국소화 신호 (NLS; nuclear localization signal) 펩타이드로 히포칼신에 의해 유도된 인틴 매개 스플라이싱 반응에 의해 활성화되어 세포질에 있던 형광을 핵으로 이동시키며, EGFP (enhanced green fluorescence protein)는 리포터 단백질로 사용됩니다.
줄기세포 기반 CBB는 신경세포 분화 시에만 형광 신호 이동을 보였으며, 미분화 줄기세포나 성상교세포나 희소돌기아교세포로 분화된 세포에서는 형광신호전위가 나타나지 않았습니다. 분화된 신경세포의 수는 기존의 IF 염색으로 측정한 것과 일치했으며, 분화 1일차, 특히 TuJ1 발현 이전부터 신경 발생을 보고할 수 있었으며, 분화 과정 내내 지속적으로 신호가 증가했습니다. 우리는 이러한 새로운 CBB가 단일 세포 수준에서 분화 진행의 dynamics을 포착하고 NSC가 특정 세포 유형, 특히 뉴런으로 효율적으로 분화하는 방법을 평가하는 도구를 제공할 것이라 기대합니다. 이를 통해 현재 기술에 대한 대안을 제시하고, 세포 치료를 위해 특정한 신경 세포를 정밀하게 감지함으로써 치료의 품질과 효과를 최대한 보장할 수 있다고 믿습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
본 연구는 미국 Rutgers Univ.의 Department of Chemistry & Chemical Biology의 이기범 교수님 연구실과 동국대학교 의생명공학과의 권영은 교수님 연구실의 공동연구로 진행이 되었습니다. 이기범 교수님 연구실에서는 다양한 줄기세포 분화 제어 연구 및 줄기세포 기반 치료 응용 연구 등을 진행하고 있고, 권영은 교수님 연구실은 생체 내 신호물질, 호르몬 및 약물 등을 검출할 수 있는 세포기반 센서 개발 연구를 진행하고 있습니다. 두 연구실 간의 밀접한 협력으로 인해, 신경줄기세포를 활용한 세포기반 바이오센서를 개발하여 신경세포로의 분화과정을 비침습적으로 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술을 발표할 수 있었습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
이번 연구는 신경줄기세포를 활용하여 유전적으로 암호화된 세포기반 바이오센서를 개발한 첫 사례라고 생각됩니다. 줄기세포는 형질전환하기 어려워서 세포기반 바이오센서를 제작하는데 일부 어려움이 있었지만, 신경줄기세포의 분화과정에서 형광신호 이동을 처음 확인했을 때의 기쁨은 여전히 기억에 남습니다. 다양한 문제해결을 통해 연구를 성공적으로 이끌어 나가는 것이 연구가 주는 보람이자 자부심이라고 생각합니다.
반면에 저는 새로운 실험을 배우는 것을 좋아하기도 하고, 혼자 일하는 것에 익숙한 편입니다. 그래서 본 논문에 필요한 실험들, 처음 진행해 본 실험들에 시간을 꽤 소요했는데, 만약 연구실 멤버들과 실험을 나누어서 진행했다면 논문을 좀 더 빨리 마무리할 수 있지 않았을까 하는 아쉬움도 있습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
유학 또는 박사후 과정을 준비할 때, 자신이 보유하고 있는 기술분야와 유학하고자 하는 연구실의 전문 분야가 얼마나 융합되어 시너지 효과를 낼 수 있는지 고려하는 것이 성과를 이끌어내는데 중요하다고 생각합니다. 그리고 원하는 연구실에 가기 위해서는 한국연구재단에서 지원하는 세종과학펠로우쉽과 같은 과제에 지원해서 Grant를 가지고 지원하는 것도 선택의 폭을 넓힐 수 있는 기회가 될 것 같습니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
본 연구는 세포내에서 신경세포로의 분화를 실시간으로 비침습적으로 모니터링할 수 있다는 점에서 매우 새롭고, 의미가 있다고 생각합니다. 이번 연구는 2D culture system에서 세포 기반센서를 이용한 바이오 마커를 선택적으로 검출할 수 있는 것을 검증하는 기회였고, 앞으로는 3D culture system에서 퇴행성 신경질환 (파킨슨병 또는 알츠하이머병)의 잠재적인 바이오 마커를 검출하는 세포기반 바이오센서를 개발해 신경질환 치료를 위한 drug screening 등에 활용해보려고 합니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
학부 과정때부터 지금까지 올바른 가르침과 조언을 아끼지 않으시며 지도해주신 권영은 교수님께 감사드리고, 낯선 미국 땅에서 잘 적응하고 연구할 수 있도록 지도해주신 이기범 교수님께 감사인사를 드립니다. 논문을 완성하는데 있어서 도움을 준 최혜규 박사님, 김홍원 박사님에게도 감사 인사드리고 싶습니다.
그리고 항상 저를 믿어주고 지지해주는 우리 가족, 쉽지 않았던 미국생활에서도 든든한 버팀목으로 늘 저에게 힘이 되 준 사랑하는 신랑과 우리 딸 태리에게 고맙다는 말 전하고 싶습니다.
#Cell-based biosensor
#Neuronal differentiation monitoring
#Hippocalcin
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