[DEBUG-WINDOW 처리영역 보기]
즐겨찾기  |  뉴스레터  |  오늘의 정보  |  e브릭몰e브릭몰 회원가입   로그인
BRIC홈 동향
2019 Bio Top5 인터뷰
스폰서배너광고 안내  배너1
전체보기 Bio통신원 Bio통계 BRIC View BRIC이만난사람들 웹진(BioWave)
목록
조회 781  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
바이오통신원   
머리에 빛 비춰 공간 기억 능력 높인다
의학약학 기초과학연구원 (2020-01-22)

수술 없이 손전등 강도 빛을 머리에 비춰 공간 기억 능력을 향상시키는 기술이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 사회성 뇌과학 그룹 허원도 초빙연구위원(KAIST 생명과학과 교수), 신희섭 단장, 이상규 연구위원 연구팀은 머리에 빛을 비춰 뇌신경세포 내 칼슘 농도를 조절함으로써 공간 기억 능력을 향상시키는 비침습적인 기술을 개발했다.

칼슘은 세포 기능에 중요한 물질로, 세포 이동, 분열, 유전자 발현, 신경 전달 물질 분비, 항상성 유지 등에 폭넓게 관여한다. 세포가 제 기능을 잘 수행하기 위해서는 세포 내 칼슘 농도가 적절하게 조절되어야 한다. 세포 내 칼슘 양이 부족해지면 인지장애, 심장부정맥 등 다양한 질환으로 이어질 수 있다. 허원도 교수 연구팀은 이전 연구에서 세포에 빛을 비춰 세포 내 칼슘 농도를 조절하는 옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술을 개발한 바 있다. 

이번 연구에서는 옵토스팀원 기술을 발전시켜 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monster OptoSTIM1, monSTIM1) 기술을 개발하여, 수술 없이 머리에 빛만 비춰도 뇌신경세포 내 칼슘 농도 증가를 가능하게 했다.
옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술은 빛을 이용하여 비침습적으로 세포의 기능을 조절하는 광유전학(Optogenetics) 기술이다. 쥐 머리에 청색 빛을 쬐어주면 광수용체 단백질 여러 개가 결합되며, 이 단백질 복합체가 세포의 칼슘 통로를 열면 세포 내로 칼슘이 유입된다. 외과적 시술에 비해 비침습적이긴 하나, 옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술을 이용하려면 생체 내에 광섬유를 삽입하여 빛을 뇌 조직 내로 전달하는 과정이 필요하다. 광섬유 삽입은 털, 피부, 머리뼈, 생체 조직 손상 및 면역력 약화 등 부작용을 유발한다는 문제점이 있다.|

연구팀은 옵토스팀원 기술에서 사용된 광수용체 단백질의 유전자를 변형시켜, 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 개발했다. 수술 없이 살아있는 쥐 머리에 손전등 강도(1mW/mm)의 빛을 비추는 것만으로도 뇌신경세포 내 칼슘 농도가 증가하고, 공간 기억 능력이 향상됨을 밝혔다. 

연구팀은 머리뼈 근처 뇌 피질뿐만 아니라 뇌 깊숙하게 위치한 해마와 시상에 위치한 뇌신경세포 내 칼슘 농도 증가를 관찰했다. 또한 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 이용하여 살아있는 쥐의 전대상 피질의 흥분성 신경 세포의 칼슘 농도를 조절하고, 공간 공포 행동 실험을 진행했다. 대조군과 실험군 쥐를 각각 준비한 뒤, 실험군 쥐에 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 적용했다. 그 후, 공포감이 느껴지는 공간에 쥐를 놓았더니, 실험군 쥐가 대조군 쥐에 비해 공포감을 더 많이 느끼는 것을 관찰했다. 뇌신경세포 내 칼슘 농도가 증가하면 공간 기억 능력이 향상됨을 밝혔다.

몬스팀원 기술을 이용하면 빛 자극으로 쥐의 생리현상에 지장을 주지 않으면서 뇌신경세포의 칼슘 농도를 실시간으로 조절할 수 있다. 수술 없이 살아있는 동물의 뇌신경세포를 조절하는 것뿐만 아니라 향후 세포 수준에서 개체 수준까지 칼슘의 역할이나 칼슘에 의한 신경행동적인 변화를 규명하는 연구에 활용될 것으로 기대한다.

허원도 교수는“몬스팀원(monSTIM1) 기술을 이용하면 빛만으로 뇌를 손상시키지 않고 비침습적으로 세포 내 칼슘 신호를 쉽게 조절할 수 있다”며 “이 기술이 뇌세포 칼슘 연구, 뇌인지 과학 연구 등에 다양하게 적용되길 바란다”고 말했다.
이번 연구결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.88)에 1월 10일 오후 7시(한국시간) 온라인 게재되었다.

논문명/저널명
Non-invasive optical control of endogenous Ca2+ channels in awake mice / Nature Communications

저자정보
Sungsoo Kim, Taeyoon Kyung, Jae-Hee Chung, Nury Kim, Sehoon Keum, Hyerim Park, Ho Min Kim, Sangkyu Lee, Hee-Sup Shin & Won Do Heo

연구내용 보충설명

■ 이전의 광유전학 기술로는 생체 내에서 조직 손상 없이 칼슘 농도를 조절하는 데 한계가 있었다. 복잡한 뇌 영역의 세포 연결들을 방해하지 않으면서 뇌를 연구하는 것은 쉽지 않았다. 뇌세포에 청색광이 투과 되는데도 한계가 있고, 기존 광유전학 기술들도 빛에 대한 민감도가 낮았다.
■ 뇌 영역 중 전대상 피질 (anterior cingulate cortex)은 공감 공포 학습 행동 모델에서 관찰쥐가 시연쥐의 고통을 인지 하는 신경세포 활성과 관련된 뇌 영역이다. 기존에 칼슘 관련 유전자가 결핍된 쥐에서 공감 공포 학습이 감소한다는 사실을 신희섭 단장 연구 그룹에서 밝혀낸 바가 있으며, 칼슘을 활성화 시켜주었을 때 공감 능력이 증가되는 것은 처음으로 관찰하였다.

연구 이야기

[연구 배경]
기존에 개발 되었던 칼슘 채널 활성화 기술을 더욱 용이하게 사용되기 위해 한계점들을 보완하고자 하였다. 특히나 과발현시 생기는 세포 내부의 기저 칼슘 레벨의 비정상적인 증가를 보완 하기 위해 CRY2 단백질이 가지는 이형체를 이루는 성질을 줄이고자 하여, 다른 종에 존재하고 있는 CRY단백질들의 서열 분석을 통해 효과적으로 낮출 수 있었으며, 또한 우리 연구 그룹에서 개발된 빛의 민감도를 높이는 추가적 아미노산의 접합을 통해 빛의 민감도 증가를 통한 비침습적으로 세포 내부의 칼슘을 활성화 시킬 수 있는 새로운 기술인 몬스팀원을 개발하였다.

[어려웠던 점] 살아 있는 쥐에서의 비침습적 밫자극으로 칼슘 신호를 활성화 시키는 실험 디자인에서 오랜 시간이 걸렸다. 효과적으로 비침습적 빛자극을 가해 주는 방법과 적절한 시간, 그리고 칼슘 활성화 신호 인자에 대한 조건을 맞추는데 있어 많은 시간과 노력이 들었다. 하지만 시행착오와 다양한 검증 실험으로 결국 기존의 기술들 보다 효과적으로 연구를 하는 것이 가능하다는 것을 검증할 수 있었다.

[연구 과정] 이번 연구는 허원도 교수팀이 시작한 연구로 OptoSTIM1을 개량, 기술 검증, 생쥐 모델에서의 검증 단계까지 제 1저자인 김성수 연구원(KAIST), 공동 1저자인 경태윤 연구원, 공동교신저자인 이상규 연구위원이 기여 했다. 초기 적합한 형태의 CRY2단백질의 유전자 변형 위치 디자인 단계에서 박혜림 박사와 함께 단백질 구조 유추를 위해 KAIST 의과학대학원 김호민 교수, 정재희 박사와의 공동 연구를 하였다. 이를 통해 CRY2 단백질 공학을 통한 최적화 과정을 유추하는 실험을 하였으며, 이를 통해 개발한 다양한 유전자 변형체의 데이터 분석을 위해 김누리 연구위원이 통계 모델을 개발하고 고안했다. 이후 칼슘 이온과 연관된 행동 모델인 관찰 공포학습 행동을 신희섭 연구단장, 금세훈 연구위원과의 공동 연구를 통해 전대상피질 신경 세포의 칼슘 이온 증가를 통한 공감 공포의 증가 현상을 관찰 할 수 있었다.

[향후 연구계획] 허원도 교수 연구팀은 청색광수용 단백질을 이용한 광유전학 기술개발을 통해 세포의 다양한 현상과 관련된 신호전달체계에 대한 연구를 이어오고 있다. 유용한 기술과 효과적으로 접목 될 수 있는 기대한다. 또한, 고감도 성능을 이용해 기존에 구현이 어려웠던 다양한 동물모델에서의 연구를 계획 할 수 있다.

옵토스팀원(OptoSTIM1)과 몬스팀원(monSTIM1) 기술과 세포 내 칼슘 농도의 관계

그림 1. 옵토스팀원(OptoSTIM1)과 몬스팀원(monSTIM1) 기술과 세포 내 칼슘 농도의 관계
옵토스팀원(OptoSTIM1)과 몬스팀원(monSTIM1) 기술은 머리에 청색 빛을 비추어 뇌신경세포 내 칼슘 농도를 조절하는 기술이다. 옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술에서 사용된 광수용체 단백질(CRY2 단백질)의 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 이용하면, 낮은 강도의 빛에서도 세포 내부의 칼슘이 증가하는 것을 관찰할 수 있다.

옵토스팀원(OptoSTIM1)과 몬스팀원(monSTIM1) 기술과 세포 내 c-Fos 단백질발현의 관계
그림 2. 옵토스팀원(OptoSTIM1)과 몬스팀원(monSTIM1) 기술과 세포 내 c-Fos 단백질발현의 관계
쥐 머리에 청색 빛을 비춰주면 쬐어주면 세포 내부의 칼슘이 증가하고, 이는 c-Fos 단백질발현으로 이어진다. 쥐 머리에 청색 빛을 비춰준 경우, 옵토스팀원(OptoSTIM1)과 빛에 반응하지 않는 변이체(CRY2)에서는 c-Fos 단백질 발현이 관찰되지 않는다. 몬스팀원(monSTIM1)에서는 c-Fos 단백질 발현이 관찰된다.

빛 자극으로 뇌신경세포 내 칼슘 농도 조절 및 공간 공포 행동 실험
그림 3. 빛 자극으로 뇌신경세포 내 칼슘 농도 조절 및 공간 공포 행동 실험
몬스팀원(monSTIM1) 기술을 이용하여 쥐의 전대상 피질의 흥분성 신경 세포의 칼슘 농도를 조절하고, 공간 공포 행동 실험을 진행했다. 대조군 쥐와 실험군 쥐를 준비한 뒤, 실험군 쥐에 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 적용했다. 첫째날, 대조군 쥐와 실험군 쥐를 공포감이 느껴지는 공간에 놓았더니 실험군 쥐가 대조군 쥐에 비해 공포감을 더 많이 느꼈다. 둘째날, 공포감이 느껴지는 공간에 다시 놓았을 때도 실험군 쥐가 대조군 쥐에 비해 공포감을 더 많이 느끼는 것을 관찰할 수 있었다.

  추천 0
  
인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
  
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다. [기사 오류 신고하기]
 
  댓글 0
등록
라이브셀인스트루먼트
연구정보중앙센터
위로가기
동향 홈  |  동향FAQ  |  동향 문의 및 제안
 |  BRIC소개  |  이용안내  |  이용약관  |  개인정보처리방침  |  이메일무단수집거부
Copyright © BRIC. All rights reserved.  |  문의 member@ibric.org
트위터 트위터    페이스북 페이스북   유튜브 유튜브    RSS서비스 RSS
에펜도르프코리아