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뉴스 생명과학
머리에 빛만 비춰도 유전자 발현 조절하는 효소 개발
Bio통신원(기초과학연구원)
국내 연구진이 살아있는 생쥐의 머리에 빛만 비추어도 생쥐 뇌 유전자 발현을 제어할 수 있는 시스템을 개발했다. 매우 약한 빛에도 반응하도록 유전자 재조합 효소를 설계해 원하는 위치와 타이밍에 효소를 활성화시킬 수 있다. 많은 시간과 재원이 소요되는 유전자 변형 실험 모델을 만들지 않아도 특정 유전자 발현을 유도할 수 있어 활용이 매우 클 것으로 기대된다.
기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단(단장 신희섭, 이창준)의 허원도 교수 연구팀(KAIST 생명과학과)이 개발한 Flp 유전자 재조합 효소는 빛에 민감하게 반응해 활성화된다. 수술이 아닌 LED 빛을 쏘는 비침습성(non-invasive) 방식만으로도 유전자의 발현을 유도할 수 있어 물리적․화학적 손상에 의한 부작용도 최소화할 수 있다.
Flp 유전자 재조합 효소는 말 그대로 유전자를 자르고 재조합하는 기능을 지녀 유전자 형질 전환 실험모델을 만드는 등 다방면으로 활용되어 왔다. 광유전학 기술에 응용하려는 시도가 있었으나 빛 없이도 스스로 조립(auto-assembly)되어버려 제어가 어려웠다. 뇌 속으로 빛을 직접 전달하려면 광섬유를 집어넣는 수술 과정도 필요했다.
IBS 연구진이 개발한 광활성 Flp 유전자 재조합 효소(이하 PA-Flp 단백질)는 비활성화 상태에서도 빛을 받으면 결합되면서 활성화된다. 연구진은 단백질 공학을 통해 기존에는 잘 알려져 있지 않았던 Flp 재조합 효소를 활성화시키는 위치를 찾는 힌트를 얻어 PA-Flp 단백질을 설계했다. PA-Flp 단백질의 발현정도는 적색 형광단백질을 붙여 쉽게 알아볼 수 있도록 만들었다.
PA-Flp 단백질은 매우 적은 양으로도 반응하는 민감도를 지녔다. 연구진은 기억을 관장하는 쥐의 뇌 해마 부위에 PA-Flp 단백질을 넣은 뒤 약 30초 동안 LED를 머리 부분에 비추는 실험을 진행했다. 그 결과, 생쥐 뇌의 깊은 조직 영역에 도달하는 매우 적은 양의 빛으로도 PA-Flp 단백질이 활성화된 것을 확인했다. 생쥐에게 쏜 빛은 1-2mW/mm2로 실생활에서 사용하는 휴대폰의 손전등 혹은 발표 시 이용하는 레이저 포인터 정도의 세기다. 연구진은 물리적 손상을 전혀 일으키지 않는 비침습성 방식으로도 유전자 발현을 조절하는데 성공한 것이다.
또한 연구진은 신희섭 단장이 이끄는 사회성 뇌과학 그룹과 공동 연구를 통해 행동을 재현하고 검증하는 실험에 나섰다. 해마보다 더 깊숙한 곳에 위치한 내측 중격(~3.5mm)에는 칼슘 채널이 존재하는데 이 칼슘 채널의 발현이 억제되면 물체를 탐색하는 능력이 증가한다는 기존의 연구에 착안하여 실험을 설계했다. 연구진은 내측 중격에 PA-Flp 단백질을 도입하고 LED 빛을 쏘자 칼슘 채널의 발현이 억제됨을 확인했다. 실제 PA-Flp 단백질이 활성화된 실험군은 물체를 탐색하는 능력이 대조군에 비해 훨씬 커져 물체 주변으로 더 많은 움직임을 기록했다.
이번 연구는 빛으로 원하는 타이밍에 유전자를 자르고 재조합하는 효소를 개발해 향후 광유전학에 응용가치가 클 것으로 기대된다. 특정 유전자가 변형된 실험모델을 제작하는데 오랜 시일과 연구비가 투입되는데 반해 이 기술을 활용하면 빛만 쏘는 방식으로도 원하는 유전자를 쉽고 빠르게 조절할 수 있기 때문이다. 또한 광섬유를 심는 별도의 수술 없이도 연구자가 사용하기 간편하고 비용도 저렴하다.
이번 연구는 지난 5년간 독자적으로 광유전학 기술을 개발하며 바이오이미징 분야를 선도하는 허원도 교수 연구팀의 연구 노하우가 빛을 발한 결과다. 교신저자인 허원도 교수는 “실험쥐의 생리학적 현상에 영향을 줄 수 있는 물리적, 화학적 자극이 거의 없이 LED로 원하는 특정 유전자 발현을 조절할 수 있는 것이 큰 장점”이라며“향후 다양한 뇌 영역을 탐구하는데 널리 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
공동 교신저자인 박병욱 연구교수는 “기존에 개발된 빛으로 특정 유전자의 발현을 조절할 수 있는 시스템이 세포 배양 수준에 있는 것에 반해 이번 연구는 살아있는 쥐의 뇌에 적용하여 개발된 시스템을 특정 유전자의 시공간적 기능 연구에 활용할 수 있음을 보여주었다”고 말했다.
이번 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.353)에 1월 18일 오후 7시에 게재됐다.
논문명/저널명
Noninvasive optical activation of Flp recombinase for genetic manipulation in deep mouse brain regions / Nature Communications
저자정보
Hyunjin Jung, Seong-Wook Kim, Minsoo Kim, Jongryul Hong, Daseuli Yu, Ji Hye Kim, Yunju Lee, Sungsoo Kim, Doyeon Woo, Hee-Sup Shin, Byung Ouk Park & Won Do Heo
연구내용 보충설명
■ 생명체의 발생 시기에 따라 유전자마다 역할과 중요성이 다르다. 날로 중요성이 커지는 시공간적인 유전자 기능 연구에서 기존에는 화학 물질을 처리해 재조합 효소를 활성화시키는 방식을 이용했다. 최근에는 청색광을 이용한 광유전학 기술로 재조합 효소를 활성화시켜 유전자 발현을 유도한 기술을 개발하는 등 새로운 방식이 시도되고 있다. 그러나 이마저도 세포 배양 수준에서만 진행되었고 주로 표지자(reporter) 단백질로의 발현 유도만으로 검증되었다.
■ 본 연구는 세포 배양 수준에서 뿐만 아니라 살아있는 생쥐의 뇌에서 광섬유의 이용 없이 비침습성 LED 조사를 하는 독특한 방식을 도입하고 이를 통해 표지자 단백질 뿐 아니라 기능을 가진 칼슘 채널의 발현을 억제 조절에 성공하였다. 이 방식은 물리․화학적 손상에 의한 부작용을 최소화하면서 저렴한 비용 및 실험자가 사용하기 간편한 장점을 가지고 있기 때문에 향후 이용 가치가 높다.
연구 이야기
[연구 배경] 유전자 기능 연구를 수행하는데 있어 가장 일반적인 방법인 유전자 변형 실험모델을 만드는 것은 많은 시간, 비용, 노력 등이 소요된다. 연구를 수행하는데 있어 필요한 실험 조건과 기초 환경을 유지시키는데도 현실적 제약이 발생한다. 본 연구는 유전자 변형 실험모델의 제작 없이 합성 바이러스(recombinant virus) 및 플라스미드 (plasmid)로 살아있는 실험동물에 유전자 전달을 하고 빛을 조사하는 방식으로 매우 쉽고 빠르게 유전자 발현 조절 시스템을 구현할 수 있다.
[어려웠던 점] 최적의 광활성 Flp 단백질의 위치를 찾아내는 과정, 이를 생쥐의 뇌에서 특성을 규명하는 과정들이 가장 어려웠다. 빛을 비추지 않아도 자가 조립 (spontaneous auto-assembly) 등으로 활성화될 때가 있어 이를 최소화하면서 빛에만 자극에 특이적으로 만드는데 시행착오가 있었다. 또한 세포 배양과 살아있는 생명체에서 항상 비슷한 결과를 얻을 수 없다는 것, 이러한 차이를 발생시키는 요소에 대한 근본적 이해가 중요하다는 것을 알 수 있었다. 이후 세포 배양에서 살아있는 생명체 모두에서 적용 가능한 다양한 예로서 기술의 효용성을 충분히 검증하는 과정을 거쳤다.
[연구 과정] 이번 연구는 허원도 교수팀이 시작한 연구로 Flp 유전자 재조합 효소를 빛에 반응하는 형태로 단백질 공학을 통해 최적화하는 과정까지 제 1저자인 정현진 학생(KAIST), 공동교신저자인 박병욱 박사(IBS 인지 및 사회성)가 기여했다. 이후 기술의 응용성과 확장성을 검증하고자 물체 탐색능력과 관련한 쥐 행동 실험을 김성욱 박사 및 김민수 박사 (IBS 인지 및 사회성 사회성 뇌과학 그룹) 가 수행하였다.
[향후 연구계획] 허원도 교수연구팀은 청색광수용 단백질을 이용한 광유전학 기술을 개발해 표적 유전자 또는 단백질의 활성을 조절하고, 이를 세포 배양 수준에서 실험 동물 수준에 이르는 광범위한 연구에 적용하고 있다. 향후 유전자 기능 및 신호전달 체계를 이해하는데 있어, 세포 수준부터 복잡한 신경계 등 조직 수준에 이르는 통합적인 접근과 이해를 바탕으로 실제 생체 내에서 일어나는 생명현상을 심층적으로 이해해 나가는 연구를 진행할 예정이다.
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