'빛만 비춰 유전자 발현 조절 가능'…기초硏, 수술없이 뇌에 LED 통해 구현

등록 2019.01.18 19:00:00

특정 유전자 발현 유도, 생쥐 탐색능력 통해 검증

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 빛의 세기와 노출되는 시간에 따라 발현되는 유전자의 모습. 비활성 상태에서 분리돼 있다 빛에 의해 결합되고 활성화되도록 설계된 광활성 Flp 단백질(그림 a).PA-Flp 단백질을 전달체인 AAV 바이러스를 이용해 8주된 생쥐의 뇌 해마에 주입하고 그림 b처럼 청색광 LED를 생쥐 머리에 비추자 해마에 발현된 PA-Flp 단백질(그림c 붉은색)이 활성화되고 활성화된 PA-Flp 단백질에 의해 발현된 유전자를 현미경으로 관찰할 수 있다. 2019.01.18(사진=IBS 제공) [email protected]

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 국내 연구진이 살아있는 생쥐의 머리에 빛을 비춰 쥐의 뇌 유전자 발현을 제어할 수 있는 시스템을 개발하는데 성공했다.

기초과학연구원(IBS)은 인지 및 사회성 연구단의 허원도 교수(KAIST 생명과학과) 연구팀이 매우 약한 빛에도 반응토록 유전자 재조합 효소를 설계해 쥐의 뇌 속에서 원하는 위치와 타이밍에 효소를 활성화시킬 수 있는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

연구팀에 따르면 유전자를 자르고 재조합할 수 있는 기능을 지닌 Flp 유전자 재조합 효소는 빛에 민감하게 반응해 활성화된다. 수술이 아닌 LED 빛을 쏘는 비침습성(non-invasive) 방식만으로도 유전자의 발현을 유도할 수 있어 물리·화학적 손상에 의한 부작용도 최소화할 수 있다.

Flp 유전자 재조합 효소는 광유전학 기술에 응용하려는 시도가 있었으나 빛 없이도 스스로 조립(auto-assembly)되기 때문에 제어가 어렵고 뇌 속으로 빛을 직접 전달하려면 광섬유를 집어넣는 수술 과정도 필요하다.

이번에 IBS 연구진이 개발한 광활성 Flp 유전자 재조합 효소(이하 PA-Flp 단백질)는 비활성화 상태에서도 빛을 받으면 결합되면서 활성화된다.

연구진은 단백질 공학을 통해 잘 알려져 있지 않던 Flp 재조합 효소를 활성화시키는 위치를 찾아 PA-Flp 단백질을 설계했다. 또 PA-Flp 단백질의 발현정도는 적색 형광단백질을 붙여 쉽게 알아볼 수 있도록 만들었다.

허원도 교수는 "PA-Flp 단백질은 매우 적은 양으로도 반응하는 민감도를 지녔다. 기억을 관장하는 쥐의 뇌 해마 부위에 PA-Flp 단백질을 넣은 뒤 약 30초 동안 LED를 머리 부분에 비추는 실험을 진행했다"고 설명했다.

실험 결과 생쥐 뇌의 깊은 조직 영역에 도달하는 매우 적은 양의 빛으로도 PA-Flp 단백질이 활성화되는 것이 확인됐다. 이를 통해 물리적 손상을 전혀 일으키지 않는 비침습성 방식으로도 유전자 발현을 조절하는데 성공했다.

생쥐에게 쏜 빛은 1-2㎽/㎟로 실생활에서 사용하는 휴대폰의 손전등 또는 발표 시 이용하는 레이저 포인터 정도의 세기다.

이어 연구진은 IBS 신희섭 단장이 이끄는 사회성 뇌과학 그룹과 공동 연구를 통해 행동을 재현하고 검증하는 실험에 나섰다.

허 교수는 "해마보다 더 깊숙한 곳에 위치한 내측 중격(~3.5㎜)에는 칼슘 채널이 존재하는데 이 칼슘 채널의 발현이 억제되면 물체를 탐색하는 능력이 증가한다는 기존의 연구에 착안해 행동재현 및 검증실험을 설계했다"고 밝혔다.

검증 실험에서 연구진은 내측 중격에 PA-Flp 단백질을 도입하고 LED 빛을 쏘자 칼슘 채널의 발현이 억제된다는 것을 확인했다. 실제로 PA-Flp 단백질이 활성화된 실험군은 물체를 탐색하는 능력이 대조군에 비해 훨씬 커져 물체 주변으로 더 많은 움직임을 기록했다.

특정 유전자가 변형된 실험모델을 제작하는데 오랜 시일과 연구비가 투입되는데 반해 이 기술을 활용하면 빛만 쏘는 방식으로도 원하는 유전자를 쉽고 빠르게 조절할 수 있다.

또한 광섬유를 심는 별도의 수술없이도 연구자가 사용하기 간편하고 비용도 저렴하다는 장점도 갖고 있다.

이번 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 18일 오후 7시에 게재됐다. 논문명은 Noninvasive optical activation of Flp recombinase for genetic manipulation in deep mouse brain regions다.

공동 교신저자인 박병욱 교수는 "기존에 개발된 빛으로 특정 유전자의 발현을 조절할 수 있는 시스템이 세포 배양 수준에 있는 것에 반해 이번 연구는 살아있는 쥐의 뇌에 적용, 개발된 시스템을 특정 유전자의 시공간적 기능 연구에 활용할 수 있다는 것을 보여준 것"이라고 의미를 부여했다.

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