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감정 및 행동 조작하는 기술 고도화 … 정서장애 및 PTSD 치료 단초
Bio통신원(DGIST)
- DGIST 현정호 교수 연구팀, 특정 신경세포 및 회로와 특정 행동과의 인과관계를 검증할 수 있는 툴 개발
- 빛을 이용한 신경성 및 정신 질환 치료 개발의 새로운 단초 제시
영화 ‘인셉션’처럼 타인의 기억을 읽고 이를 조작해 행동마저 제어할 수 있는 시대에 한 발짝 가까워졌다. DGIST(총장 국양) 뇌과학과 현정호 교수는 미국 존스홉킨스 의과대학 연구팀과 공동 연구로 특정 신경세포 및 회로와 특정 행동과의 인과관계를 검증할 수 있는 툴을 개발했다고 30일(목) 밝혔다.
Cal-Light(캘라이트, Calcuim and Light-Induced Gene Handling Toolkit)는 빛과 칼슘을 동시에 이용해 원하는 때에만 빛을 켜고 끔으로써 활성화된 신경세포만을 시각화하거나 활성을 조절할 수 있는 기술이다. Cal-Light 기술이 효율적으로 구동되기 위해서는 특정 행동에 따라 활성화된 신경세포를 표지(Labeling)해야 한다. 또, 특정 세포의 활성을 제어할 수 있는 스위치도 필요하다. 하지만 기존의 Cal-Light 기술은 활동전압에 비의존적인 칼슘신호에 의해 특정 신경세포가 표지될 수 있는 등 정확도가 다소 떨어질 수 있다는 단점이 존재했다.
이에 현정호 교수 연구진은 신경세포의 활동전압에 의해 촉발된 세포내 칼슘 상승을 빛을 이용하여 선택적으로 유전자 발현으로 전환하는 세포체에 표적을 맞춘 ST-Cal-Light(Soma-Targeted Calcium and Light-Induced Gene Handling Toolkit) 시스템을 개발했다. 이는 세포체에서 발생하는 활동전압에만 더욱 의존적인 표지가 가능하므로 기존 캘라이트 기술 대비 훨씬 좋은 효율로 표지가 가능한 기술이다.
또, 기존 Cal-Light 기술을 업그레이드한 ST-Cal-Light 기술은 단백질이 세포체에 집중되므로, 칼슘과 빛에 대한 반응성이 증가해 특정행동에 관여하는 신경세포들을 기존 대비 더 높은 시공간해상도로 표지가 가능하다. 이로 인해 ST-Cal-Light을 이용하여 뇌전증 등의 신경과적인 뇌질환 역시 전임상 단계에서 치료가 가능하다는 것을 실험동물을 이용하여 규명했다.
아울러 현정호 교수 연구진은 세포체 표적 Cal-Light 유전자를 조건부로 삽입(knock-in)한 유전자조작 쥐를 제작함으로써 살아있는 동물에서 신경세포 표지와 조절을 통해 특정 신경세포 및 신경회로와 특정 행동과의 인과관계를 검증할 수 있게 되었다. 특정행동에 관여하는 신경세포를 정확히 표지하고 조절할 수 있는 이 기술을 통해 기존에 연구하기 어려웠던 특정 신경세포 앙상블과 행동 사이의 연결고리를 찾는 핵심 기술로 활용될 수 있을 전망이다.
현정호 교수는 “이번 연구결과는 특정 신경세포의 활성을 제어할 수 있는 스위치를 이용해 감정·행동을 조작함으로써 즐거웠던 기억을 주입할 수도, 잃어버린 기억을 복원시키는 것도 가능할 것임을 시사했다.”며 “우울증이나 알츠하이머병의 새로운 치료법 개발의 전략을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.”고 말했다.
한편, 이번 연구는 DGIST 뇌과학과 현정호 교수가 제1저자로, 존스홉킨스 의과대학의 권형배 교수가 교신저자로 참여했다. 연구결과는 저명 학술지 ‘Nature Communications’에 2022년 12월 13일자로 온라인 게재됐다. 아울러 과학기술정보통신부의 DGIST 기본사업 ‘그랜드챌린지연구혁신프로젝트(P-CoE)’의 지원을 받아 수행됐다.
연 구 결 과 개 요
Tagging active neurons by soma-targeted Cal-Light
Jung Ho Hyun, Kenichiro Nagahama, Ho Namkung, Neymi Mignocchi, Seung-Eon Roh, Patrick Hannan, Sarah Kruessel, Chuljung Kwak, Abigail McRlroy, Bian Liu, Mingguang Cui, Seunghwan Lee, Dongmin Lee, Richard Huganir, Paul Worley, Akira Sawa, Hyung-Bae Kwon
(Nature Communications, on-line published on 13th Dec, 2023)
Cal-Light (Calcium and Light-Induced Gene Handling Toolkit)라는 기술은 청색광과 칼슘을 동시에 이용해 특정 행동시 활성화되는 신경세포를 시공간적으로 매우 정확하게 표지 할 수 있는 기술이다. 새로 개발된 업그레이드 버전의 세포체-타켓 캘라이트 (ST-Cal-Light)는 융합단백질로 칼슘반응단백질과 청색광반응단백질로 구성되어 있으며 활동전압에 더욱 의존적인 표지가 이루어진다. 신경세포의 활성화로 인해 세포내 칼슘 농도가 높아지게 되면 캘라이트가 활성화 되며 이와 동시에 이 융합단백질이 청색광에 노출되면 융합단백질 내부에서 절단된 tTA가 핵 내부의 리포터 유전자를 발현시켜 활성화된 신경세포를 표지하는 역할을 한다. 이 기술은 빛 자극을 통해 활성화 된 각각의 신경세포를 시공간적으로 매우 정확하게 확인할 수 있게 하였다. 또한 캘라이트는 흥분성 채널로돕신과 억제성 할로로돕신 리포터를 이용하여 이미 표지된 신경세포들만의 활성을 조절 할 수도 있다. 본 연구에서는 해마에서 카이닌산에 민감한 신경세포 집단을 표적으로 삼아 발작 증상을 억제하여 질병 관련 신경세포를 제어하는 데 ST-Cal-Light가 적용될 수 있음을 시사했다.
또한 조건부 ST-Cal-Light 낙인(KI) 마우스를 생성하여 다른 Cre 드라이버 라인과의 교배를 통해 세포 유형에 특이적으로 원하는 세포의 종류만 레이블 하는 것이 가능하게 되었다. 따라서 이번 연구를 통해 개발된 세포체 표적 캘라이트와 유전자조작 쥐를 이용하여 살아있는 동물에서 신경세포 표지와 조절을 통해 특정 신경세포 및 신경회로와 특정 행동과의 인과관계를 검증할 수 있게 되었다. 즉, 특정행동에 관여하는 신경세포를 정확히 표지하고 조절할 수 있는 이 기술을 통해 기존에 연구하기 어려웠던 특정 신경세포 앙상블과 행동 사이의 연결고리를 찾는 핵심 기술로 활용될 수 있을 전망이다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
캘라이트는 원하는 때에만 빛을 켜고 끔으로써 시공간적으로 매우 정확하게 활성화된 신경세포만을 시각화 및 광유전학 리포터 단백질을 통해 신경세포들의 활성을 조절할 수 있는 기술이다. 하지만, 활동전압에 ‘비의존적인’ 칼슘신호에 의해 특정 신경세포가 ‘표지(레이블)’ 될 수 있는 가능성 등의 비특이적 표지로 인한 신호 대 잡음비가 상대적으로 높다는 단점이 존재 하였다. 이를 해결하기 위해, 활성화된 신경세포의 세포체에 표적을 맞춘(soma-targeted) Cal-Light(ST-Cal-Light), 즉 세포체에서 발생하는 활동전압에만 더욱 의존적인, 기존 캘라이트 대비 훨씬 좋은 효율로 표지가 가능한 기술을 개발했다. 기존의 캘라이트 시스템과의 큰 차이점은 신기술의 경우 캘라이트 단백질이 세포체에 집중되므로, 칼슘과 빛에 대한 반응성이 증가하게 되어 청색광을 이용한 레이블 시간을 획기적으로 단축할 수 있게 되었다는 점이다. 레이블링에 드는 시간이 줄어든다는 것은 이전보다 더욱 특이적인 행동에 관여하는 신경세포들을 기존 대비 더 높은 시공간해상도로 표지가 가능하고, 이 기술이 훨씬 더 다양한 스펙트럼의 행동실험에 활용될 수 있다는 것을 시사한다.
어디에 쓸 수 있나
세포체 표적 캘라이트(ST-Cal-Light) 시스템을 이용하면 채널로돕신 또는 할로로돕신 리포터 유전자를 이용해 표지된 신경세포의 활성을 조절하는 스위치로 사용하여 해당 행동을 강화할 수도, 학습과 특정 질병상태의 증상이 일어나지 못하도록 억제할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 또한, ST-Cal-Light을 이용하여 특정 기억뿐만 아니라, 사회성과 같은 고등인지기능을 조절할 수 있음을 보여주었고, 더 나아가 뇌전증과 같은 신경과적인 뇌질환 역시 빛을 이용한 치료가 가능하다는 것을 실험동물을 이용하여 증명하였다.
실용화까지 필요한 시간과 과제는
이번 연구는 세포 수준뿐만 아니라 살아있는 실험동물을 이용한 전임상단계 수준에까지 적용하여 그 효용성을 증명하였으나, 개발한 기술의 침습적 특징 때문에 당장은 임상 단계에서는 쓰기가 힘들 전망이다. 하지만, 지금의 침습적인 시스템을 비침습적인 뇌활성조절 시스템으로 바꿀 수 있는 자기장, 엑스레이 등을 이용한다면, 멀지 않은 시기에 실용화 및 임상 적용이 가능할 전망이다.
연구를 시작한 계기는
본 연구는 약 5년 전 플로리다 막스플랑크 신경과학연구소에 재직 당시 공동1저자로 Nature Biotechnology에 출판했던 논문인 ‘빛과 칼슘을 이용한 특정 행동 시 활성화되는 신경세포의 표지 및 그 신경세포의 활성을 조절할 수 있는 Cal-Light (캘라이트) 기술’의 업그레이드 버전으로서 2022년 12월에 출판된 후속 연구이다. 2017년에 나온 첫 번째 버전의 캘라이트 기술로는 살아있는 실험동물의 뇌의 특정 신경세포의 표지 및 활성조절의 효율이 낮거나, 불가능한 것들이 존재하였다. 왜냐하면 대부분의 동물 행동들은 반복적이지 않고, 짧게 나타났다가 사라지는 것들이 대부분이기 때문인데, 기존의 캘라이트보다 훨씬 더 높은 민감도의 센서가 필요했고, 이같은 시스템을 개발하면 학습과 기억뿐만 아니라, 사회성과 같은 고위인지기능, 더 나아가 신경정신과적인 질환들 역시 치료가 가능할 것이라 생각했다.
어떤 의미가 있는가
뇌과학자들은 이제 세포체 표적 캘라이트 (ST-Cal-Light)를 이용하여 신경세포들이 어떤 방식으로 연결되고, 더 나아가 어떤 신경회로가 사고와 행동을 이끌어 내는지에 대한 이해를 더 잘 할 수 있게 될 것으로 기대된다. 특정 학습과 기억뿐만 아니라 고등인지기능, 뇌전증과 같은 뇌질환도 제어가 가능하다는 증거를 제시하였다.
꼭 이루고 싶은 목표는
영화 ‘인셉션’에서 타인의 꿈속에 들어가 가짜 기억을 심고 실제로 겪은 일처럼 착각하게 만드는 것처럼 다른 사람의 기억을 읽고 이를 조작해 행동마저 제어 할 수 있는 시대가 온다면 신경성이나 정신적인 여러 질병이 해결 될 수 있을 것이다.
또한, 우울증 환자에게도 적용해볼 수 있지 않을까? 캘라이트를 통해 세포수준에서 기쁨이나 행복을 나타내는 신경세포들의 회로(연결망)를 알아낸 다음 활성화 시켜주는 방식을 적용해볼 수 있을 것이다. 이론대로라면 알츠하이머병이나 치매 등에서처럼 반대로 잃어버린 기억을 복구시키는 것도 가능하리라 생각한다.
[그림 1] 뇌전증 동물모델에서 ST-Cal-Light을 이용한 간질 억제 성공 실험
(그림설명)
먼저 쥐의 해마 영역에 세포체 표적 바이러스 (AAV-ST-KA2)와 함께 할로로돕신 리포터 유전자 (TRE-AAV-NpHR)를 여러 군데 주입 후, 청색광을 조사하기 위한 광섬유 역시 같은 영역에 심음. 그 다음, 일단 주입하면 십 수분 내로 발작을 일으키는 약물인 카이닉산 (KA)을 실험동물의 복강 내로 주사함. 발작 증상이 나타나면 청색광을 조사하여 발작이 일어날 때 활성화되는 신경세포들을 최대한 많이 레이블 함. 약 이틀 후, 광유전학 스위치 단백질 중 하나인 할로로돕신 리포터 유전자가 발현되면, 또 다시 두 번째 카이닉산을 복강 주입하여 발작을 일으키게 되는데, 이 때 실험동물의 발작행동과 EEG를 함께 관찰하면, 노란색 빛을 이용하여 표지된 세포들만을 선택적으로 억제함으로써 발작증세와 더불어 EEG 신호가 함께 억제되는 것을 증명하였다.
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