수술 없이 손전등 강도 빛만으로 뇌신경세포 내 칼슘 농도 조절
수술 없이 손전등 강도 빛을 머리에 비춰 공간 기억 능력을 향상시키는 기술이 개발됐다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 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 연구1에서 세포에 빛을 비춰 세포 내 칼슘 농도를 조절하는 옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술을 개발한 바 있다.
1) Kyung T. Lee S. Kim JE. & Heo WD. Optogenetic control of endogenous Ca2+ channels in vivo. Nature Biotechnology. 33, 1092–1096(2015). (Nature Biotechnology, 2015년 9월호 표지논문 발표)
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)2 기술이다. 쥐 머리에 청색 빛을 쬐어주면 광수용체 단백질3 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.
2) 광유전학(Optogenetics) : 빛으로 세포의 여러 기능을 조절하는 최신 연구 분야. 유전자 조작이 수반되나 약물투여나 외과적 시술에 비해 비(非)침습적이라는 장점 때문에 주목받는다.
3) 광수용체 단백질(photoreceptor) : 광합성 등을 수행하기 위해 식물이나 조류가 갖고 있는 단백질로, 빛에 반응해 구조나 활성이 변하는 것이 특징이다. 본 연구에서는 청색 빛에 반응해 복합체를 형성한다고 알려진 애기장대(Arabidopsis thaliana)에 있는 크립토크롬2(Cryptochrome2, CRY2) 단백질을 사용하였다. CRY2 단백질은 청색 빛을 받으면 여러 개가 결합되어 복합체를 형성한다.
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.
[그림설명]
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.
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.
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.
연구진 이력사항
[허원도 IBS 인지 및 사회성 연구단 초빙연구위원 / KAIST 생명과학과 교수, 교신저자]
1. 인적사항
○ 소 속 : IBS 인지 및 사회성 연구단, KAIST 생명과학과
○ 전 화 : 042-350-2642, 010-6409-2174
○ 이메일 : wondo@kaist.ac.kr
2. 학력
1987 – 1994 학사, 경상대학교 농화학과
1994 – 1996 석사, 경상대학교 생화학과
1996 – 1999 박사, 경상대학교 생화학과
3. 경력사항
1999 – 2000 Dept. of Cell Biology, Duke University, Postdoctoral Fellow
2000 – 2006 Dept. of Molecular Pharmacology, Stanford University,Postdoctoral Fellow/Research Associate/Senior Research Scientist
2006 – 2008 Dept. of Chemical and Systems Biology, Stanford University,
Senior Research Scientist
2003 – 2008 Dept. of Chemical and Systems Biology, Stanford University,Co-Investigator
2008 – 현재 KAIST 생명과학과, 조교수, 부교수, 교수
2013 – 현재 IBS 인지 및 사회성 연구단, 그룹리더, 초빙연구위원
[ 신희섭 IBS 인지 및 사회성 연구단 연구단장, 공동교신저자 ]
1. 인적사항
○ 소 속 : IBS 인지 및 사회성 연구단
○ 전 화 : 042-861-7016
○ 이메일 : shin@ibs.re.kr
2. 학력
1968 – 1974 학사, 서울대학교 의과대학, 의학
1974 – 1977 석사, 서울대학교 의과대학, 의학
1980 – 1983 박사, Cornell University, 유전
3. 경력사항
1983 - 1985 슬로안-케터링 연구소 선임연구원
1985 - 1991 MIT 생물학과 / Whitehead 연구소 조교수/책임연구원
1991 - 2001 포항공대 생명과학과원 부교수/교수
2001 - 2005 한국과학기술연구원 (KIST) 책임연구원
2005 - 2011 한국과학기술연구원 (KIST) 신경과학센터 센터장
2011 - 2012 한국과학기술연구원 (KIST) 뇌과학연구소 소장
2012 - 현재 IBS 인지 및 사회성 연구단 연구단장
2010 - 현재 대한민국 학술원 회원
2009 - 현재 미국학술원 외국인 회원
4. 주요 수상 경력
2000 함춘의학상
2004 국민훈장 동백장, Alberta Heritage Foundation Lectureship Award,
듀폰과학기술상, KIST인 대상, 호암상 과학상, 일천상
2005 대한민국 최고과학기술인상
2006 제1호 국가과학자 선정
2009 National Academy of Science(USA) 외국인 회원 선출
2010 대한민국 학술원 회원 선출
2015 Hotchikiss Brain Institute Lectureship Award
2018 AAAS Fellow 선정
[ 이상규 IBS 인지 및 사회성 연구단 연구위원, 공동교신저자 ]
1. 인적사항
○ 소 속 : IBS 인지 및 사회성 연구단
○ 전 화 : 042-878-9114
○ 이메일 : sklee@ibs.re.kr
2. 학력
2001 – 2005 학사, KAIST
2005 – 2011 박사, KAIST
3. 경력사항
2011 – 2013 KAIST 생명과학과, Post-Doc
2013 – 2017 IBS 인지 및 사회성 연구단, 연구위원 (비영년직트랙)
2018 – Present IBS 인지 및 사회성 연구단, 연구위원 (영년직트랙)
[ 김성수, 인지 및 사회성 연구단 연구원 / KAIST 생명과학과, 제1저자 ]
1. 인적사항
○ 소 속 : IBS 인지 및 사회성 연구단
KAIST 생명과학과
○ 전 화 : 042-350-5642
○ 이메일 : strangerss@kaist.ac.kr
2. 학력
2008 – 2012 학사, 경희대학교 유전공학과
2012 – 2020 석・박사, KAIST 생명과학과
3. 경력사항
2019 – Present Post-Doctoral Research Scientist, Columbia University
[ 경태윤, 인지 및 사회성 연구단 연구원, 제1저자 ]
1. 인적사항
○ 소 속 : 인지 및 사회성 연구단
○ 이메일: kyungty@ibs.re.kr
2. 학력
2006 – 2010 학사, KAIST 생명과학과
2011 – 2016 석・박사, KAIST 생명과학과
3. 경력사항
2016 – 2017 Research Fellow, IBS Center for Cognition and Sociality
2017 – Present Postdoctoral Fellow, Massachusetts Institute of Technology
