광유전학 기술로 신경교 세포를 조절하는 기능 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-23

중국과학원 선전(深圳) 선진기술연구원 왕리핑(王立平) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 광유전학 기술(Optogenetics)로 신경교 세포 기능(Glial cell function)을 조절(Regulation)하는 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀의 관련 연구성과는 ‘손상된 도파민 신경 세포 기능(Dopaminergic neuronal function)에 대해 중요한 수정 역할을 발휘하는 광유전학 기술을 이용한 신경교 세포 기능 조절’이라는 테마의 연구 논문으로 정리되어 과학저널 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 12월 18일자에 발표됐다. 이번 논문은 양판(楊帆), 류윈후이(劉運輝), 투졔(屠潔) 등 연구인원들이 작성하였다. 신경교 세포(Glial cell)가 대뇌에 대한 기능은 보조적인 역할을 발휘하는 기능이라는 것이 전통적인 시각이다. 최근 과학자들은 관련 연구를 통해 신경교 세포는 부분적인 특정 대뇌 인지 기능에 참여할 뿐만 아니라 부분적인 신경교 세포 질병 발생에서도 중요한 역할을 발휘한다는 점을 입증하였다. 파킨슨병(Parkinson`s disease)은 인류 건강에 심각한 영향을 끼치는 중요한 대뇌 질환 중의 하나로서 주요한 병리학적 변화는 도파민 신경 세포의 손상으로 나타난다. 대뇌 속에서 수량이 제일 많은 단일 유형 신경교 세포에 대한 조절을 통해 내인성 도파민 신경 세포 및 줄기세포 역할에 대한 연구를 실행할 수 있지만 연구 방법의 부족으로 지금까지 관련 연구를 실현하지 못하고 있는 상황이다. 신경교 세포는 대뇌 속에서 수량이 제일 많은 세포에 속하기 때문에 각 종 유형의 세포 인자와 신경 전달 물질 분비를 통해 신경 세포의 기능과 줄기 세포의 증식 분화에 영향을 끼치고 있다. 전통적인 연구 방법을 사용하는 상황에서 다양한 종류의 신경 세포 기능에 대한 조절은 시간과 공간의 정밀도와 세포 특이성 부족으로 인해 대뇌 속 세포와 세포 간의 상호 역할 메커니즘에 대해 정밀 이해를 하지 못하고 있다. 광유전학 기술은 이런 기본적인 과학 과제에 대한 연구를 위해 가능성을 제공해 주고 있다. 연구팀은 이번 연구를 통해 광유전학 기술과 전기 생리학 및 분자 생물 기술을 통합하고 빛에 민감한 유전자 ChETA 특이성을 연구팀이 육성한 신경교 세포 상에 발현시켰다. 연구팀은 이번 연구를 통해 블루 광 자극 신경교 세포가 육성한 줄기 세포가 신경 세포(Neurons) 방향으로의 분화를 뚜렷이 추진시킬 뿐만 아니라 분화된 성숙 세포는 전형적인 도파민 신경 세포의 분자 마커와 전기 생리학 특징을 보유하고 있다는 점을 발견하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 광 흥분의 신경교 세포는 단백질 효소 A를 활성화시키는 동시에 순환 아데노신 모노 포스페이트(Cyclic adenosine monophosphate) 농도를 향상시키고 신경교 세포의 섬유 성장 인자(bFGF) 방출을 추진하도록 하여 줄기 세포가 도파민 신경 세포의 분화를 추진하는 역할을 발휘한다는 점을 발견하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 생체 내 활성화 신경교 세포는 bFGF 방출을 통해 줄기 세포가 신경 방향으로서의 분화를 효과적으로 추진하여 파킨슨병의 동물 모델 이상 행위를 효과적으로 개선시킨다는 점을 입증하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 광 특이성이 내인성 신경교 세포를 조절하여 손상된 흑질(substantia nigra)의 bFGF 수준을 뚜렷이 향상시킬 뿐만 아니라 손상된 대뇌 조직의 기능을 뚜렷이 회복시킨다는 점을 최초로 입증하였다. 흑질 무늬 상태의 인체 내 도파민 신경 세포 기능의 손상 혹은 누락은 파킨슨병의 주요 원인으로 되고 있다. 하지만 내재적인 신경교 세포 기능에 대한 높은 시간, 공간 상의 정밀 세포 조절을 통해 손상된 신경 기능을 회복시키는 역할 발휘 관련 연구 성과는 지금까지 국내외적으로 발표되지 않은 상황이다. 연구팀이 취득한 관련 연구 성과는 파킨슨병을 포함한 신경 퇴행성 질환 혹은 기타 정신 질환의 새로운 발생 메커니즘과 퇴치 메커니즘 연구를 위해 혁신적인 아이디어와 이론 근거를 제시하였을 뿐만 아니라 이런 질병을 치료할 수 있는 새로운 약물 개발 혹은 물리자극 치료를 위해 새로운 잠재적인 치료 표적을 제공해 주고 있다. 최근 광유전학 기술은 신경과학 분야에서 폭넓은 응용을 실현하였으며 네이처 자매지인 `네이처 메소드`(Nature Methods)’는 지난 2010년도에 광유전학 기술을 ‘2010년 연도 기술’로 선정한 상황이다. 중국과학원 선전(深圳) 선진기술연구원 왕리핑(王立平) 연구원 연구팀은 지난 몇 년간의 연구를 통해 중국 내에서 최초로 기능이 비교적 완벽한 광유전학 연구개발, 응용 및 자원 공유 플랫폼을 구축함으로써 동 플랫폼으로 하여금 신경 회로(Neural circuits) 수준 상에서 대뇌 인지 기능과 복잡한 대뇌 네트워크 속 신경 세포와 세포 간의 상호 역할을 해석하는 중요한 방법이 되도록 하였다. 왕리핑(王立平) 연구원 연구팀이 개발한 관련 기술 방법은 현재 이미 중국 내 약 120개에 달하는 대뇌과학 실험실에서 응용되고 있으며 중국 내 광유전학 기술 응용과 대뇌 기능 연접 스펙트럼 분야 전체 연구 수준 향상을 위해 기술적 지원을 제공하였다. 2014년 초에 연구팀은 광유전학 방법을 이용하여 신경교 세포가 방출하는 ATP가 뇌졸중(Stroke) 후의 신경 기능 회복에 대해 추진 역할을 발휘한다는 점을 발견하였다. 연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 다양한 연구 성과들은 광 조절 하에서 동물 생체 내 성장 인자를 검출하는 방법을 완벽히 구축할 수 있도록 하는 기술 수단을 제공하고 있을 뿐만 아니라 대뇌 복잡 신경 회로 중의 세포와 세포 간의 역할 법칙에 대해 정밀 분석을 실행할 수 있는 새로운 기술 수단을 제공하고 있다. 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘중대 과학연구 프로젝트(감정과 기억의 신경 회로 기초)’ 비용, 중국과학원의 ‘선행 과학연구 전문 프로젝트(대뇌 기능 연결 스펙트럼)’ 비용, 국가과학기술부의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 광둥성(廣東省) 선전시(深圳市) 과학기술 혁신 위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 추진되었다. 그림 1. 신경교 세포 방출 성장 인자가 줄기 세포로 하여금 도파민 신경 세포로의 분화를 추진하는 상황을 표시함. 20141222.1.jpg http://www.cas.cn/syky/201412/t20141218_4278760.shtml