[논문]광유전학: 세포 생리 연구를 위한 새로운 frontier

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doi:10.5352/jls.2015.25.8.953

광유전학: 세포 생리 연구를 위한 새로운 frontier
Optogenetics: a New Frontier for Cell Physiology Study 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.25 no.8 = no.184, 2015년, pp.953 - 959

초록
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광유전학은 생체 조직 및 세포에서 유전공학적으로 발현된 광민감성 단백질을 이용하여 목표로 하는 분자/세포 활동을 조절하기 위한 광학 및 분자적 전략들의 조합이다. 광유전학은 빛을 이용하여 신경세포의 발화 여부를 결정하는 세포막 채널을 빨리 열고 닫는 방법을 포함한다. 이 기술은 녹조류의 광민감성 단백질들을 특정 뇌세포에 넣는데서 시작되었다. 이렇게 하면 세포들은 파랑이나 노락색의 펄스로 켜지거나 꺼질 수 있다. 빨리 개폐되는 광민감성 양이온 채널인 자연계에 존재하는 조류 단백질인 channelrhodopsin-2 (ChR2)를 이용하여 활동전위의 숫자와 빈번도를 조절할 수 있다. ChR2는 다른 세포들은 영향을 주지 않으면서 한 유형의 신경세포만 조작할 수 있는 길을 제시하는데, 이는 전례가 없는 특이성이다. 이 기술은 빛을 이용하여 단일 발화와 시냅스 사건 수준에서 신경신호전달을 변경시킬 수 있도록 하여 신경과학자와 의생명공학자들에게 널리 적용될 수 있는 도구를 제공한다. 녹조류와 레이저, 유전자 치료, 광섬유의 희한한 조합은 이전에 결코 불가능했던 정밀도로 뇌 속 깊은 곳의 신경 회로 지도를 그릴 수 있도록 해주었다. 이것은 우울증, 불안, 정신분열, 중독, 수면병, 그리고 자폐증 같은 질환의 원인을 밝히는데 도움을 줄 것이다. 광유전학은 파킨슨병, 강박장애, 그리고 전기 펄스가 있는 다른 질환들을 치료하는데 사용되는 기존 이식 도구들을 개선시킬 수 있다. 광유전학 장치는 상기 장치들이 할 수 있는 것보다 더 많이 뇌세포의 특정 세포들을 대상으로 할 수 있다. 신경세포 이외의 일반 세포들에도 광유전학 도구들을 적용하는 연구들이 증가하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Optogenetics is the combination of optical and molecular strategies to control designated molecular and cellular activities in living tissues and cells using genetically encoded light-sensitive proteins. It involves the use of light to rapidly gate the membrane channels that allows for ion movement. Optogenetics began with the placing of light-sensitive proteins from green algae inside specific types of brain cells. The cells can then be turned on or off with pulses of blue and yellow light. Using the naturally occurring algal protein Channelrhodopsin-2 (ChR2), a rapidly gated light-sensitive cation channel, the number and frequency of action potentials can be controlled. The ChR2 provides a way to manipulate a single type of neuron while affecting no others, an unprecedented specificity. This technology allows the use of light to alter neural processing at the level of single spikes and synaptic events, yielding a widely applicable tool for neuroscientists and biomedical engineers. An improbable combination of green algae, lasers, gene therapy and fiber optics made it possible to map neural circuits deep inside the brain with a precision that has never been possible before. This will help identify the causes of disorders like depression, anxiety, schizophrenia, addiction, sleep disorder, and autism. Optogenetics could improve upon existing implanted devices that are used to treat Parkinson’s disease, obsessive-compulsive disorder and other ailments with pulses of electricity. An optogenetics device could hit more specific subsets of brain cells than those devices can. Applications of optogenetic tools in nonneuronal cells are on the rise.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

광유전학(optogenetics)은 빛(opto)과 유전학(genetics)을 결합한 용어로서 광반응성 단백질을 이용하여 세포의 생리를 연구하는 학문으로 정의될 수 있다. 이 학문은 막전위를 조절할 수 있는 광반응성 채널 단백질의 발견으로부터 시작되었는데, 빛과 유전공학 기술을 이용해 뇌 신경세포의 활동을 조절할 수 있는 신기술로서 현재 뇌연구에 새로운 서광을 비추고 있다. 신경세포는 전기자극을 매개로 정보를 주고받는데, 전류가 흘러 신경세포막이 탈분극되어 활성화되면 축색돌기 말단에서 신경전달물질을 분비하고 시냅스를 형성한 이웃 신경 세포의 수용체를 통해 새로운 막전위를 유발해 신호를 전달하게 된다.

성능/효과

빛을 쏘아주면 melanopsin이 열리면서 세포 안으로 다량의 양이온이 들어오고, 이렇게 세포 안으로 유도된 양이온은 2번째 인자를 활성화한다. 2번째 인자는 인슐린 생산에 관여하는 인자로서 이번 연구는 특정 단백질 생산을 사람의 몸 안에서 빛을 통해 조절할 수 있는 가능성을 제시하였다. 최근에는 ChR2가 생쥐의 심장 세포 박동을 조절하는 데까지 응용되었고[21], 이런 신경세포 외적인 적용은 앞으로 계속 늘어날 것으로 예상된다.
미국의 Karl Deisseroth 등은 주광성(走光性)을 갖는 작고 둥근 단세포 녹조류에서 추출한 'Channelrhodopsin-2 (ChR2)' 단백질을 실 험 배양한 포유류 신경세포에 심었고 이어 빛을 쬐여 주자 신경세포가 활성화됨을 보고하였다[5]. 거의 동시기의 많은 후속 연구들을 통해 광유전학 도구들을 사용하여 빛을 쪼여준 신경세포에서 전기신호를 유도할 수 있음이 확인되었고, 이 신호는 정확히 빛을 준 타이밍에 맞추어 발생하게 할 수 있음이 증명되었다. 또한 하나의 신경세포에 동일한 빛 자극을 여러번 주었을 때 발생하는 전기 자극이 대단히 재현성이 높음이 확인되었고 빛의 자극을 주는 시간과 간격을 통제하면 거기에 맞춰서 신경세포의 전기 자극도 정확하게 통제될 수 있 음이 밝혀졌다[5, 29].
2010년에는 Archaerhodopsin (Arch)이 halorhodopsin이 지니고 있던 문제점을 해결할 수 있음이 보고되었다[6]. 이 연구 에서는 의식이 있는 mice의 cortical neuron들에서 Arch가 100% neural silencing을 가져올 수 있음을 관찰하였고, 장시간의 자극 후에도 Arch가 빨리 회복이 되며, 세포 밖으로 pro- ton을 내보냄으로써 hyperpolarization을 유도함이 확인되었다. 최근에는 ChR2가 mice의 여러 조직에 도입되었는데, 신경회로의 활성화와 더불어 심장근육의 수축을 조절하였고, 척수 손상 후에 호흡을 회복시키기도 했다.

후속연구

특히 빛을 단위 세포 수준에서 원하는 세포에 정확하게 구별하여 전달하는 기술은 완성될 미래의 뇌지도와 더불어 아주 중요한 임상 가이드라인이 될 것이다. 광유전학의 놀라운 발전 속도로 볼 때 향후 몇십년 내에 완벽한 뇌인지기능 지도가 출시되고 이를 임상치료에 적용할 수 있을 것으로 예상한다. 광유전학을 통해 현재 치료가 불가능한 많은 뇌질환들이 치료될 수 있는 날이 조만간 도래할 것이다.
그러나, 1999년 Okuno 등이 rhodopsin을 신경세포에 사용할 수 있는 가능성이 있음을 보고하였는데, Halobacterium salinarum 에 비해 Natronomonas pharaonis의 rhodopsine 신경조직에서 보이는 chloride 농도와 비슷한 조건에서 잘 기능함을 밝혔다 [22]. 그러나, 여전히 이 단백질들이 신경조직에서 발현되고 기능할지에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 상황이었다. 2002년에는 Gero Miesenbock과 그 동료들이 세 개의 유전자를 이용한 phototransduction cascade를 초파리(Drosophila melanogaster)에서 실현하였는데, 이들의 실험에서는 arrestin- 2, rhodopsin, 그리고 heterotrimeric G-protein의 alpha sub- unit을 조합한 chARGe를 사용하였고, 빛에 노출 시 chARGe 를 발현하는 세포(chARGed hippocamal neurons)가 그렇지 않은 세포에 비해 훨씬 더 활동성이 좋음을 보고하였다[32].
신경과학 분야에서 극복해야 할 또 다른 문제는 '광센서' 유전자의 생체 이식에 사용되는 바이러스 벡터이다. 독성이 있을 수 있는 부분을 상당히 제거했다지만 인체에 쓰이기에는 아직도 위험한 요소들이 있으므로 보다 면밀한 안전성 연구가 진행되어야만 한다. 뇌에 빛을 보내는데 쓰이는 광섬유를 대체할 신기술의 개발도 필요하다.
광유전학 기술은 2010년 올해의 기술로 선정된 바 있고, 그동안의 신경세포를 대상으로 한 놀라운 발전과 더불어 앞으로는 다른 세포들로의 많은 적용도 예상된다. 새로운 광센서 단백질들을 발굴하고 기존 것들을 변형시키는 연구들도 많이 진행될 것이고, 이들은 최근 적용이 늘고 있는 신호전달 조절 및 대사 조절 연구에도 널리 응용이 될 수 있을 것이다.
또, 꼬마선충의 'Nictation (굶으면 춤추는 진기한 행동)' 돌연변이에서 빛으로 춤추는 행동의 신경회로를 인위적으로 켜줌으로써 다시 춤추는 행동을 유발한 결과도 발표되었다[15]. 이런 결과를 통해 광유전학이 인간의 신경정 신 질환 치료에 기여할 수 있음을 보여주었고, 동일한 방식으로 인간의 각종 질환과 장애들의 치료에도 응용될 수 있음을 제시하였다. 광유전학 연구가 꼬마선충에서 활발히 이루어질 수 있었던 배경중의 하나는 300개 남짓한 신경세포로 이루어진 꼬마선충의 전체 신경네트워크가 비교적 잘 밝혀졌기 때문이다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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