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김도형

광주과학기술원

동물의 종 유지에 있어서 교미행동은 매우 중요한 위치를 차지합니다. 교미행동이 유전적으로 어떻게 설계되어 있는지 알고자 하는 연구는 1960년대부터 지금까지 이어져 오고 있습니다. 성행동을 조절하는 유전자의 연구는 행동관찰이 용이한 수컷의 교미행동을 중심으로 진행되어져 왔고 암컷의 교미행동은 상대적으로 덜 알려져 왔습니다.
- Proc. Natl. Acad. Sci. USA
- 2024.03.11
Roshani Nhuchhen Pradhan

국민대학교

The identification and avoidance of harmful taste stimuli play a crucial role in the maintenance of homeostasis and the survival of various species in the animal kingdom. One such compound that has garnered our attention i.e. cantharidin, a monoterpenoid believed to have aphrodisiac properties. It is produced by numerous blister beetle species, with the Spanish fly, Lytta vesicatoria, being a prominent source.
- J. Hazard. Mater.
- 2024.02.05
Muhammad Junaid

아주대학교

In this study, we innovatively applied the retrograde nuclear Connect-seq (nuConnect-seq) technique to analyze hypothalamic neurocircuits at the molecular level. The core achievement of our research lies in integrating diverse single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) datasets and employing label transfer techniques for validation.
- Sci. Data
- 2023.12.05
- 정남영(POSTECH)
- 김태경(POSTECH, 연세대학교)
Spatial transcriptomics in neuroscience.
- Exp. Mol. Med. Oct 02 2023, | https://doi.org/10.1038/s12276-023-01093-y
- 2023.10
- 생명과학
유주연

University of California, Los Angeles

최근 발전한 전자현미경을 이용한 EM connectome은 시냅스(synapse) 수준으로 뇌회로의 복잡한 연결망을 보여줍니다. 뉴런들이 어떤 분자적 원리로 시냅스를 형성할 파트너를 인식해 이 복잡한 뇌회로를 만들게 되는지 이해하는 것은 발생신경생물학의 중요한 연구분야입니다. 신경망이 발달할 때 뉴런이 발현하는 cell adhesion molecule(CAM)들이 시냅스 형성을 유도하는 등의 역할을 한다는 것이 알려져 있습니다.
- Curr. Biol.
- 2023.09.08
- 고범진(POSTECH)
- 김정훈(POSTECH)
Npas4-mediated dopaminergic regulation of safety memory consolidation
- Cell Reports 2023 Jun 27;42(7):112678 | https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.112678
- 2023.06
- 생명과학
정아인

New York University, 현 Massachusetts General Hospital

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 인지행동치료 (Cognitive Behavioral Therapy)에서 쓰이는 인지 훈련 (cognitive training)은 훈련과정에서 주어지는 과제에 대한 세부적 기억 형성을 목적으로 하는 것 보다는, 반복된 훈련을 통한 전반적인 인지기능 향상을 목적으로 합니다. 교육현장에서도 우리가 초중고등학교에서 긴 기간 동안 기초 학습을 하는 이유 중 하나도 개별 과목 정보들을 세세히 기억하는 것 보다는 교육과정을 통해 다양한 정보를 처리하고 저장하는 능력의 효율성을 높이는 것을 목표로 하는 것이라고 생각합니다. 신경과학에서의 그간의 눈부신 성과들은 특정한 기억들이 어떠한 방식으로 뇌에서 저장 되는지 세포와 회로의 변화를 보여주었습니다. 그러나 인지 훈련의 결과로 인한, “개별 기억과는 상관없는 지속적이고 전반적인 인지기능 향상 (memory-nonspecific and persistent cognitive function enhancement)”, 혹은 “학습의 학습 (learning to learn)” 현상이 어떠한 뇌의 변화를 통해서 일어나는지는 아직까지 신경회로 수준으로 연구된 바가 없습니다. 이번 논문에서는 쥐에서 Active avoidance training이라는 동물행동훈련방식이 인간에서의 인지조절훈련 (cognitive control training) 에서 나타나는 결과와 비슷함을 관찰하고, 이러한 훈련이 얼마나 장기적인 인지 기능향상을 불러일으키는지, 다른 종류의 행동훈련결과에도 전반적인 영향을 미치는지, 그리고 뇌에서 어떠한 장기적인 변화를 가져오는지를 연구하였습니다. 행동실험에서는 난이도가 높은 인지훈련과 상대적으로 난이도 가 낮은 훈련을 받은 통제 그룹을 비교하였을 때, 인지훈련을 받은 쥐에서만 인지훈련의 효율성이 높아지는 것을 관찰하였고 인지훈련을 받는동안 해마의 세포가 중요한 정보를 독립적으로 처리하여 중요한 정보에만 선택적으로 집중하는 인지훈련의 정보처리 양상을 보여주며, 인지훈련을 한 쥐의 해마 신경회로에서 대뇌 피질-해마간 연결이 억제 되어 있고, 그 기제에는 억제성 연합 뉴런 (inhibitory interneuron)의 활성이 증가되어 있는 것을 장기적인 신경생리학 (in vivo electrophysiology) 실험과 광유전학 (optogenetics) 실험을 통해 보여주었습니다. 이결과는 인지훈련이 어떤 신경 기전을 통해 해마의 정보처리 기능을 향상시키는지
- Nature
- 2021.11.17
이원석

Baylor College of Medicine

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 퇴행성뇌질환에서 공통적으로 일어나는 현상 중 하나는 독성을 일으키는 특정 단백질들 (Aβ, Tau, α-synuclein 등) 이 비정상적으로 축적되어 신경세포의 사멸을 유도한다는 점 (proteinopathy)입니다. 여기서 현재까지 풀리지 않는 수수께끼는, 이러한 독성단백질들이 뇌의 거의 모든 영역에서 발현되는데 어떻게 뇌의 특정 영역 또는 특정 유형의 신경세포가 선택적으로 사멸되는가 (selective neuronal vulnerability) 하는 점입니다. 저는 퇴행성뇌질환 중 하나인 Spinocerebellar Ataxia Type 1 (SCA1) 을 연구하여 이에 대한 하나의 해답을 얻고자 하였습니다. SCA1은 Ataxin-1(ATXN1) 이라는 유전자에서 polyglutamine (polyQ) 을 만들어 내는 CAG 서열의 확장에 의해 발병하는 autosomal dominant neurodegenerative disorder 입니다. 다른 퇴행성뇌질환처럼 SCA1 또한 단백질 병변 (proteinopathy)을 보이며, 축적된 mutant ATXN1이 소뇌와 뇌간의 신경세포를 선택적으로 사멸시켜 운동능력의 상실 (소뇌성 phenotype)과 호흡곤란으로 인한 사망 (뇌간성 phenotype)을 각각 유발합니다. 따라서 질병 치료를 위하여 mutant ATXN1의 양을 줄이기 위한 druggable target을 찾는 시도를 해왔으나, 현재까지 뇌간에서 ATXN1의 양을 줄일 수 있는 regulator는 밝혀지지 않았습니다. 저희 랩에서는 유전적 스크린 기법을 이용하여 ATXN1의 양을 조절하는 새로운 전사인자인 ZBTB7B를 발견하였고, ZBTB7B가 RSK3의 발현을 촉진하여 ATXN1의 양을 조절하는 것을 밝혔습니다. RSK3는 ATXN1 단백질의 특정 Serine residue (S776)를 인산화시켜 단백질을 안정화시키는데, 이는 기존에 알려진 MSK1의 작용과 동일합니다. 그러나 MSK1과 RSK3의 작용은 소뇌와 뇌간에서 극명히 대비되는데, 이는 MSK1은 소뇌에서, RSK3는 뇌간에서 각각 발현되어 ATXN1의 양을 조절하기 때문입니다. 따라서 Rsk3의 작용을 억제할 경우 SCA1 mouse model 에서 뇌간의 병변이 줄어들고 호흡이 개선되며, Rsk3와 Msk1을 함께 억제할 경우 더 나아가 소뇌의 병변 회복 및 운동능력의 향상까지 확인할 수 있었습니다. 결론적으로, 저희 연구 결과는 퇴행성뇌질환을 야기하는 독성단백질의 축적과 작용에 뇌의 각 영역에 특이적인 regulator 들이 직접 관여함으로써 그 해당 영역에 선택적
- EMBO J.
- 2021.03.30
김형구

Harvard University

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 왜 행동이 변화하는가? 어떻게 우리는 세상의 정보를 학습하고, 새로운 행동을 결정하는가? 생존과 번영을 위해 가장 적합한 행동은 무엇인가? 이는 작은 곤충에서부터 인간까지 모든 생명체가 가지고 있는 공통의 문제입니다. 이를 위해서는 정보를 취합하고, 저장하고, 인출하여 판단하는 뇌의 여러 기능들이 통합적으로 요구됩니다. 이러한 기능이 정상적으로 작동하지 않으면, 약물에 중독(addiction)되거나 충동적인 행동(obsessive-compulsive disorder)이 발생하기도 합니다. 우리가 어떤 행동을 한 후에 생각보다 더 많은 보상을 었을 때 그 행동은 강화되고, 더 적은 보상을 얻었을 때는 실망하여 회피합니다. 강화 학습 이론(reinforcement learning theory)에서는 실제 보상과 예측치의 차이(reward prediction error)를 행동의 변화를 유발하는 teaching signal로 보고 행동의 변화를 연구합니다. 강화학습의 방법중 하나인 temporal difference learning (TD learning)은 단순하면서도 기능이 강력해서 인공지능의 학습 방법으로 널리 사용되고 있습니다. 흥미롭게도, 뇌에서 도파민(dopamine)을 분비하는 뉴런들이 TD learning에서의 예측 오류값인 TD error와 유사한 활동을 보인다고 알려져 왔습니다. 미래의 보상을 암시하는 자극이 갑자기 제시되었을 때 (예를 들면, ‘파블로프의 개’ 실험에서의 종소리), 도파민 뉴런은 순간적으로 활동이 증가하는데, 이것이 TD error와 유사합니다. 저는 본 연구를 통해서 도파민의 활동이, 일상 생활에서 일어나는 연속적이고 다이나믹한 상황 – 예를 들면, 맛있는 음식을 먹으로 레스토랑을 찾아 간다던지 – 에서 발견되는 도파민의 점진적인 증가(dopamine ramp)도 TD error와 유사함을 보였습니다. 이를 실험적으로 보이기 위해 저는 쥐를 가상현실(virtual reality)를 이용해서 순간 이동(teleportation)시키는 실험을 하면서 도파민의 활동을 측정하였고, 여러 모델을 계량적으로 비교하여 도파민의 활동이 TD error임을 보였습니다. 뇌에서의 신경 신호와 강화학습 모델의 유사성은 최근에 인공지능 이론의 발전으로 더욱 심층적으로 연구되고 있습니다. 예를 들면, 구글의 reinforcement learning 플렛폼의 이름도 Dopamine 이고 (https://github.com/google/do
- Cell
- 2021.01.05
이재성

HHMI Janelia Research Campus

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 제가 연구하고 있는 place cell 은 rat 의 hippocampus 에서 John O'Keefe 와 Jonathan Dostrovsky 에 의해 처음 보고되었습니다. 이 place cell 들은 공간내 특정 장소 (place field)에서만 활성을 보여 place cell 이라 알려지게 되었습니다. Place cell 들이 활성을 보이는 위치, place field 는 마치 특정 감각 정보를 받아들이는 receptive field 와 비교되기도 합니다. Place field 또한 여러 감각 정보들의 영향을 받아 형성되지만 tonotopic map 이 존재하지 않고, 다른 공간에서는 전혀 다른 패턴을 보이는 등 다른 성격을 보입니다. 처음 place cell 이 발견된지 50년 이 지났으나 아직도 많은 과학자들이 연구를 진행하고 있으며, 2014년 John O'Keefe 교수는 place cell 을 처음 발견한 공로로 노벨상을 수상하기도 했습니다. Place cell 을 연구하는 많은 과학자들이 주로 사용한 방법은 electrode 를 실험동물의 뇌에 이식한후 특정 공간안을 돌아다니게 하며 extracellular electrical signal 을 기록하는 방식이었고, 아직도 많은 좋은 연구들이 이 실험 방법을 통해 이루어 지고 있습니다. 하지만 저는 electrode 를 사용하지 않고 2-photon laser 를 이용한 in-vivo calcium imaging 방법을 통해 place cell 에 대한 연구를 하게 되었습니다. Electrode implant 방식의 실험은 실험 동물이 자유롭게 움직일 수 있다는 장점이 있으나 (place cell 은 vestibular input 의 영향을 받기 때문에 실험동물이 머리를 자유롭게 움직일 수 있다는 것 또한 중요합니다) 오랜 기간 동안 동일한 unit (neuron) 의 활동을 기록하기 어렵다는 단점이 있습니다. 반면 2-photon in-vivo calcium imaging 은 동일한 neuron 의 활동을 오랜 기간에 걸쳐 기록할 수 있고, 한번에 기록할 수 있는 neuron 의 수도 수백개에 이를 정도로 많은 정보를 한번에 얻을 수 있습니다. 하지만 imaging 을 위해 실험동물의 머리가 고정되어야 한다는 단점이 있습니다 (실험동물이 자유롭게 움직이면서 할 수 있는 in-vivo calcium imaging 방법도 있습니다). 하지만 이러한 제약은 머리가 고정된 실험동물을 구형 treadmill 위에서 달리게 하고, 그 treadmill 의 움직임에 따라 실험동물 앞에 놓여있는 스크린의 장면이 움직이는 가상현실을 통하여 극복할 수 있습니다. 실험
- Cell
- 2020.10.19
- 김윤석(Stanford University)
Comprehensive Dual- and Triple-Feature Intersectional Single-Vector Delivery of Diverse Functional Payloads to Cells of Behaving Mammals
- Neuron Available online 22 June 2020 | https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.06.003
- 2020.06
- 생명과학
Consumption of Fish and ω-3 Fatty Acids and Cancer Risk: An Umbrella Review of Meta-Analyses of Observational Studies
- Adv. Nutr. Published: 03 June 2020 nmaa055 | https://doi.org/10.1093/advances/nmaa055
- 2020.06
- 의약학
조영은

National Institutes of Health (NIH), 안동대학교

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 최근 미국에서는 저렴한 고과당 옥수수 시럽 (high fructose corn syrup)이 설탕 (table sugar)을 대체하면서 다양한 음료에서의 사용량이 급증하였습니다. 특히 우리가 흔히 마시는 탄산음료에 많이 사용하고 있으며 이것이 비만, de novo lipogenesis, 염증 반응, 인슐린 저항성, 대사성 질환, 비알코성 간질환 (non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD) 등을 일으키는 것으로 알려져 있습니다. 비알코성 간질환 (NAFLD)은 간을 파괴할 수 있으므로 증상이 심각한 환자들은 간을 이식 받아야하며 심한 경우 사망할 수도 있습니다. 알코성 혹은 비알코성 간질환 환자들은 장의 세균 내 독소로 인한 쿠퍼세포 활성화와 이로 인한 간섬유화 또는 간경화가 가속화되는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 어떠한 기전으로 고과당? (high fructose)에 의하여 장 장벽 손상이 일어나고, 이로 인해서 내독소혈증, 사이토카인 증가 및 간질환의 가속화가 일어나는지는 잘 알려져 있지 않습니다. 본 연구에서는 고과당을 섭취한 동물 모델에서 혈액 내 endotoxin이 증가했으며 장내미생물들이 변화하는 결과를 얻었습니다. 장내미생물 변화는 간섬유화를 가지는 환자의 장내 미생물 변화와 일치하였습니다. 또한 장내 Cytochrome P450 2E1 (CYP2E1) 단백질의 증가가 일어났으며, 다양한 Oxidative and Nitrative Stress 단백질들도 증가하며 이것은 세포, 동물, 사람 모델에서 모두 일치하게 나타났습니다. 그래서 tight junction 단백질들의 변화와 이 단백질들의 post traditional modifications (PTMs) 중 novel한 oxidation과 nitration 변화를 통해 일어나는 장누수증의 기전을 억제하는 연구를 최초로 보고하였습니다. 그리고 장누수증 증가가 간섬유화 (liver fibrosis)를 증가시킨다는 것을 한 번 더 검증한 연구 결과를 이번에 Hepatology저널에 게재하게 되었습니다 (그림 1). 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 박사 후 과정은 미국 국립보건원 (NIH; National Institute of Health), NIAAA (National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism)에 조인하게 되었습니다. 제가 속한 연구실은 Cytochrome P450 2E1 (CYP2E1) 단백질을 focus로 연구하는 연구실로 (Laboratory of Membrane Biochemistry and Biophysics, Section on M
- Hepatology
- 2019.04.30
김동현

University of California, San Diego, Ludwig Institute for Cancer Research

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 건강한 세포가 분열을 할 때는 chromosome이 정확하게 둘로 나뉘어 딸세포로 전달되지만 암세포에서는 chromosome의 정확한 분리가 이루어 지지 않고 구조적인 이상을 가지는 경우가 많습니다. 분열하는 세포는 chromosome이 조기에 분리되는걸 막기 위해 Mad2, BubR1, Cdc20, Bub3로 이루어진 mitotic checkpoint complex (MCC)를 합성합니다. 축적된 MCC는 APC/C의 활성을 억제하여 Cyclin B, Securin의 분해를 막게되고 비정상적인 chromosome 이 생기는 것을 방지합니다. Metaphase에 모든 kinetochore가 microtubule에 결합하게되면 APC/C를 억제하고 있던 MCC가 분해되고 chromosome의 분리가 진행됩니다. 이번에 발표한 제 연구는 TRIP13과 APC15이 어떻게 MCC합성과 MCC의 분해를 조절하는가에 대한 내용입니다. 세포분열에 관한 연구는 일반생명 현상을 이해하는데도 도움을 주지만 암세포의 발생과 암세포의 특징을 이해하고 암 치료법을 개발하는데도 중요한 과정입니다. 현재 많은 랩들이 세포분열의 기작들을 억제하고 활성시켜 암세포의 증식을 막거나 사멸에 이르게 하는 방법에 대해 연구를 하고 있습니다. 흥미롭게도 기존의 연구들은 TRIP13이 mitotic checkpoint라는 하나의 연속된 기작에서 activation에 작용한다는 결과와 deactivation에 작용한다는 paradoxical 두 결과를보여주었습니다. 저희는 TRIP13이 정말 이런 상반된 두 기능을 동시에 가질 것인가, 이런 상반된 기능을 한세포 내에서 보여줄 수 있을까에 대해 많은 고민을 하였습니다. TRIP13이 knockout된 세포에서는 checkpoint가 activation되지 않기 때문에 silencing할 checkpoint 자체가 없어지고 checkpoint silencing이 완벽히 억제되면 세포가 죽게되어 동시에 두가지 기능을 보여주기가 쉽지 않습니다. 이번 제 연구에서는 auxin inducible degron (AID)을 TRIP13 gene에 붙혀 주었으며, 원하는 타이밍에 TRIP13을 완벽하게 depletion 시킬 수 있었고, 한세포 내에서 TRIP13의 전혀 상반된 두 기능을 정확하게 분리하여 보여줄 수 있었습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 제가 속한 연구소는 Ludwig Cancer Research (구. Ludwig Institute for Cancer Research)로 1971년 미국인
- Nat. Commun.
- 2018.11.09
김소운

성균관대학교 의과대학

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 오토파지(autophagy)는 다양한 신호에 의해 세포 내 비정상적이거나 불필요한 단백질 및 소기관을 오토파고좀(autophagosome)으로 격리하여 리소좀(lysosome)으로 이동 및 분해하는 일련의 과정으로 세포의 생존, 분화, 발생 및 항상성 유지를 위해 필수적인 과정입니다. Autophagy과정 중에는 소포간, 세포소기관간 막 융합이 활발하게 일어나며 이 때 칼슘이온이 필수적인 역할을 할 것으로 예상되는데, 현재까지 autophagy과정에 칼슘을 공급하는 이온통로가 무엇인지는 밝혀지지 않고 있습니다. 또한 최근의 연구결과 autophagy 조절장애가 신경퇴행성 질환, 암, 간질환, 심장질환, 근질환 등 다양한 질환의 발병에 관여하고 있다는 것이 밝혀져 그 중요성이 더욱 부각되고 있으나 autophagy 조절 기전에 대한 연구는 아직도 미미한 실정입니다. 저희 연구실에서는 칼슘이온과 autophagy과정의 상관관계에 주목하여, 세포 내 칼슘통로인 TRPML3가 autophagy를 조절한다는 연구를 꾸준히 진행해왔습니다. 선행연구결과 autophagy가 유도되면 TRPML3가 autophagy과정으로 이동하며, TRPML3가 활성화되면 autophagy가 증가하고 반대로 억제될 때 autophagy가 잘 일어나지 않는 것을 확인하였습니다. 하지만 TRPML3가 어떻게 autophagy과정으로 이동하는지, 실제로 칼슘통로로 기능하여 autophagy과정에 기여하는지는 알지 못했습니다. 이를 확인하기 위해 이번 "Autophagy"저널에 게재된 논문에서는 TRPML3의 autophagy과정으로의 이동을 제어하는 기전이 번역 후 변형(post-translational modification) 중 팔미토일화(palmitoylation)임을 밝히게 되었고, 또한 autophagy가 유도될 때 TRPML3을 과발현 시킨 세포에서 칼슘 유출이 증가하는 것을 통하여 실제로 autophagy과정에서 TRPML3가 핵심적인 기능을 하는 것도 확인하였습니다. 이러한 결과에 따라 저희는 TRPML3가 autophagy과정에 필수적인 칼슘통로임을 제안하는 바, TRPML3라는 새로운 조절인자를 통하여 autophagy 조절 이상으로 야기되는 암과 신경퇴행성 질환 등의 치료 및 예방법 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 성균관대학교 의과대학 기초의학 대학원은 경기도 수원 (1호선, 성균관대역)에 위치
- Autophagy
- 2018.09.13
- 김윤석(Stanford University)
Structural mechanisms of selectivity and gating in anion channelrhodopsins
- Nature Published: 29 August 2018, 561, 349-354 | https://doi.org/10.1038/s41586-018-0504-5
- 2018.08
- 생명과학
- 김윤석(Stanford University)
Crystal structure of the natural anion-conducting channelrhodopsin GtACR1
- Nature Published: 29 August 2018, 561, 343-348 | https://doi.org/10.1038/s41586-018-0511-6
- 2018.08
- 생명과학
정은정

Massachusetts Institute of Technology

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 뇌가 어떻게 작동하는지 연구하기 위해서는 뇌세포의 활동을 readout 할수 있는 tool이 필요합니다. 제가 개발한 Archon voltage sensor는 뇌세포의 활동을 fluorescent signal로 바꾸어 현미경을 이용하여 광학적으로 뇌세포의 활동을 관찰할수 있게 하는 voltage sensitive protein입니다. 이러한 neural activity reporter중 calcium 을 타겟으로 하는 sensor(GCaMP)는 현재 neuroscience분야 연구에 가장 많이 적용되고 있는 tool중에 하나 입니다. 하지만 calcium sensor들은 반응속도가 느리고 voltage를 직접 report하는 것이 아니라서 실제 실험에 적용가능한 voltage sensitive protein을 개발하는것이 neuroscience분야의 중요한 topic중 하나입니다. 현재까지 많은 voltage sensor들이 개발되어왔고, 2015년 science에 처음으로 voltage sensor를 mouse in vivo에서 테스트한 논문이 발표 되었습니다. 하지만 excitation spectrum이 겹쳐 opotogenetic tool과 함께 사용할수 없고 photostability가 낮아서 실제 실험에 적용되기에는 한계가 있었습니다. 저희가 개발한 Archon voltage sensor는 near infrared excitation (635nm)으로 기존의 optogenetic tool들과 스펙트럼이 달라 함께 사용할수 있고 또 photostability를 수십배 높여 in vivo study 에 적합한 voltage reporter입니다. 이번 논문에서 개발된 Archon을 이용하여 zebrafish model에서 처음으로 single neuron, single axon 단위의 recording을 하였고, 또 subthreshold synaptic activity도 recording 하여 뛰어난 sensitivity를 증명하였습니다. C.elegans, Drosophila, zebrafish, 그리고 mouse in vivo expression 에서 이상적인 membrane localization을 보여주어 다양한 neuroscience 분야에 적용될수 있음을 증명하였습니다. Archon을 개발하기위해 robotic cell picking tool과 single gene delivery 기술을 적용하여 수십만개의 mutant library를 mammalian cell에서 screening 하였고, 이 high throughput, directed molecular evolution in mammalian cell 기술은 다양한 protein 개발에 적용될수 있습니다. 처음에 랩에 조인하여 voltage sensor를 개발하기 위해 protein engineer인 Kiryl Piatkevich와 팀을 이루어 screening method를 만들고 10 milion 이상의 mutant
- Nat. Chem. Biol.
- 2018.03.13
김도형

광주과학기술원, University of California, Riverside

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 산소를 체내로 운반하고 이산화탄소를 배출하는 과정인 호흡은 생물이 가지고 있는 가장 기본적인 대사과정 중의 하나입니다. 곤충은 기관(Trachea)를 통하여 호흡을 하는데 기관의 기능과 발생과정은 인간의 폐와 유사점을 가지고 있습니다. 최근의 게놈연구결과, 기관이 분화하고 형성되는 과정에 관여하는 많은 유전자들이 인간의 폐형성에 관여한다는 것이 발견되어서 인간의 유전병을 이해하는데 이용되고 있습니다. 곤충의 기관과 인간의 폐가 가지는 또 하나의 공통점은 초기발생중에 체액으로 차있던 폐조직에 공기가 차고(Air-filling) 그 다음에 가스교환에 사용된다는 점입니다. 차이가 있다면 인간의 경우 이 과정이 아기가 태어나기 직전에 한 번 일어나는 것에 비해, 탈피를 통해 성장하는 곤충은 매 탈피과정마다 새로운 기관이 생기고 공기가 차는 과정을 반복한다는 점입니다. 따라서 곤충의 공기참현상은 훨씬 관찰하기 용이하여 연구모델로 이용하기에 적당합니다. 이번연구로 새롭게 조명된 카이닌의 경우, 저와 GIST 김영준교수님이 2015년에 처음으로 탈피과정에 관여한다는 것을 밝힌 호르몬으로, 탈피를 중추적으로 조절하는 탈피행동유도호르몬(ETH)에 의해 활성화되는 뇌호르몬 중에서 카이닌이 가장 먼저 활성을 가지기 때문에 탈피과정에서 가장먼저 일어나는 공기참현상에 관여할 가능성을 내포하고 있었습니다. 본 연구에서는 카이닌이 뇌에서 분비되어 수용체가 존재하는 호흡기 기관표면에 직접 작용한다는 것을 보였습니다. 카이닌을 분비하는 뇌조직을 인위적으로 활성화시키면 공기참현상이 원래보다 더 일찍 일어나는 것도 확인하였습니다. 기관표면에서는 카이닌에 의해 활성화가 일어나는데 활성의 정도를 칼슘이미징(Ca2+ imaging)기술을 이용해서 확인할 수 있었습니다. 더우기 이 과정에서 인간의 공기참현상에 핵심적인 나트륨체널 (Epithelial Na Channel, ENaC)이 동일하게 관여하는 것을 발견하여 카이닌과 유사한 호르몬이 인간에서도 존재할 가능성을 높였습니다. 본 연구는 곤충의 호르몬과 호흡조절에 관한 기초연구로써 호흡곤란현상을 이용하여 해충을 방제하는데에 새로운 가능성을 제시했다고 할 수 있습니다. 또한 본 연구에서 확인한 나트륨채널(ENaC)은 폐에 물이차는 질병인 폐부종 둥 여러 질
- Proc. Natl. Acad. Sci. USA
- 2018.02.08
이승찬

Rutgers University-Newark

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 Amygdala는 인간과 동물의 정서적인 학습에 매우 중요한 역할을 하는 뇌영역으로 알려져있습니다. 특히 1980-90년대경 부터 inactivation 기법을 이용한 연구등을 통하여 amygdala가 신경과학에서 널리 이용되는 학습(learning) 패러다임인 fear conditioning의 습득과 표현에 매우 중요한 역할을 한다는 것이 보여졌고, 그러한 연구결과들은 amygdala가 동물의 공포반응을 주관하는 뇌 영역으로서 대중적으로 인식되는데에 공헌하기도 하였습니다. 참고로 fear conditioning이란 특정 소리나 빛과 같은 중립적 감각자극을 전기자극과 같은 통증을 유발하는 감각자극과 함께 반복 제시를 할 경우, 나중에는 동물이 사용된 특정 소리나 빛만 제시해도 예측되는 통증에 대한 공포반응을 일으키게 되는 학습 현상을 말합니다. 이런 구조의 학습을 '고전적 조건형성' (classical conditioning)이라고 하는데, 이때 학습에 의해서 정서적 가치를 획득하게된 특정 소리나 빛과 같은 감각 자극을 '조건 자극' (conditioned stimulus (CS))라고 부르고, 원래부터 통증과 공포를 유발하는 전기자극과 같은 감각 자극을 '무조건 자극' (unconditioned stimulus (US))라고 부릅니다 . Fear conditioning은 부정적 감정을 유발하는 통증을 이용한 학습이라서 aversive learning으로 분류할수 있고 이와 반대로 음식과 같은 reward를 통해서도 비슷한 학습을 유도할수 있는데 (예를 들어서, 유명한 Pavlov's dog 실험), 이런 학습은 appetitive learning으로 분류할수 있습니다. 다시 본론으로 돌아와서, amygdala가 fear conditioning에 매우 중요한 영역인것이 이전의 연구들로 알려지긴 했지만, amygdala의 역할이 단지 fear conditioning과 관련된 것만이 아니라 reward를 기반으로 하는 appetitive learning의 습득과 표현에도 중요한 역할을 하며, 그밖에도 여러가지 memory, motivated behavior들의 조절에서 다양한 기능을 하고 있다는 연구결과들이 점차 알려지게 되었습니다. 따라서 더이상 amygdala를 단순하게 동물의 공포반응 만을 주관하는 뇌영역의 상징으로 표현하는 것은 엄밀하게 따진다면 적절치 않아졌다고도 하겠습니다. 여기서 갖게되는 하나의 의문은 어떻게 amygdala라는 단일 뇌 영역이 통증과 같은 부정적 정서에 기반한 aversive learning과 reward에 의해
- Neuron
- 2017.12.18