국내 연구진이 살아있는 생쥐의 머리에 빛만 비추어도 생쥐 뇌 유전자 발현을 제어할 수 있는 시스템을 개발했다. 매우 약한 빛에도 반응하도록 유전자 재조합 효소를 설계해 원하는 위치와 타이밍에 효소를 활성화시킬 수 있다. 많은 시간과 재원이 소요되는 유전자 변형 실험 모델을 만들지 않아도 특정 유전자 발현을 유도할 수 있어 활용이 매우 클 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 인지 및 사회성 연구단(단장 신희섭, 이창준)의 허원도 교수 연구팀(KAIST 생명과학과)이 개발한 Flp 유전자 재조합 효소¹는 빛에 민감하게 반응해 활성화된다. 수술이 아닌 LED 빛을 쏘는 비침습성(non-invasive) 방식만으로도 유전자의 발현을 유도할 수 있어 물리적․화학적 손상에 의한 부작용도 최소화할 수 있다.

Flp 유전자 재조합 효소는 말 그대로 유전자를 자르고 재조합하는 기능을 지녀 유전자 형질 전환 실험모델을 만드는 등 다방면으로 활용되어 왔다. 광유전학 기술에 응용하려는 시도가 있었으나 빛 없이도 스스로 조립(auto-assembly)되어버려 제어가 어려웠다. 뇌 속으로 빛을 직접 전달하려면 광섬유를 집어넣는 수술 과정도 필요했다.

IBS 연구진이 개발한 광활성 Flp 유전자 재조합 효소(이하 PA-Flp 단백질)는 비활성화 상태에서도 빛을 받으면 결합되면서 활성화된다. 연구진은 단백질 공학을 통해 기존에는 잘 알려져 있지 않았던 Flp 재조합 효소를 활성화시키는 위치를 찾는 힌트를 얻어 PA-Flp 단백질을 설계했다. PA-Flp 단백질의 발현정도는 적색 형광단백질을 붙여 쉽게 알아볼 수 있도록 만들었다.

PA-Flp 단백질은 매우 적은 양으로도 반응하는 민감도를 지녔다. 연구진은 기억을 관장하는 쥐의 뇌 해마 부위에 PA-Flp 단백질을 넣은 뒤 약 30초 동안 LED를 머리 부분에 비추는 실험을 진행했다. 그 결과, 생쥐 뇌의 깊은 조직 영역에 도달하는 매우 적은 양의 빛으로도 PA-Flp 단백질이 활성화된 것을 확인했다. 생쥐에게 쏜 빛은 1-2mW/mm²로 실생활에서 사용하는 휴대폰의 손전등 혹은 발표 시 이용하는 레이저 포인터 정도의 세기다. 연구진은 물리적 손상을 전혀 일으키지 않는 비침습성 방식으로도 유전자 발현을 조절하는데 성공한 것이다.

또한 연구진은 신희섭 단장이 이끄는 사회성 뇌과학 그룹과 공동 연구를 통해 행동을 재현하고 검증하는 실험에 나섰다. 해마보다 더 깊숙한 곳에 위치한 내측 중격(~3.5mm)²에는 칼슘 채널이 존재하는데 이 칼슘 채널의 발현이 억제되면 물체를 탐색하는 능력이 증가한다는 기존의 연구에 착안하여 실험을 설계했다. 연구진은 내측 중격에 PA-Flp 단백질을 도입하고 LED 빛을 쏘자 칼슘 채널의 발현이 억제됨을 확인했다. 실제 PA-Flp 단백질이 활성화된 실험군은 물체를 탐색하는 능력이 대조군에 비해 훨씬 커져 물체 주변으로 더 많은 움직임을 기록했다.

이번 연구는 빛으로 원하는 타이밍에 유전자를 자르고 재조합하는 효소를 개발해 향후 광유전학에 응용가치가 클 것으로 기대된다. 특정 유전자가 변형된 실험모델을 제작하는데 오랜 시일과 연구비가 투입되는데 반해 이 기술을 활용하면 빛만 쏘는 방식으로도 원하는 유전자를 쉽고 빠르게 조절할 수 있기 때문이다. 또한 광섬유를 심는 별도의 수술 없이도 연구자가 사용하기 간편하고 비용도 저렴하다.

이번 연구는 지난 5년간 독자적으로 광유전학 기술을 개발하며 바이오이미징 분야를 선도하는 허원도 교수 연구팀의 연구 노하우가 빛을 발한 결과다. 교신저자인 허원도 교수는 "실험쥐의 생리학적 현상에 영향을 줄 수 있는 물리적, 화학적 자극이 거의 없이 LED로 원하는 특정 유전자 발현을 조절할 수 있는 것이 큰 장점"이라며 "향후 다양한 뇌 영역을 탐구하는데 널리 활용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

공동 교신저자인 박병욱 연구교수는 "기존에 개발된 빛으로 특정 유전자의 발현을 조절할 수 있는 시스템이 세포 배양 수준에 있는 것에 반해 이번 연구는 살아있는 쥐의 뇌에 적용하여 개발된 시스템을 특정 유전자의 시공간적 기능 연구에 활용할 수 있음을 보여주었다"고 말했다.

이번 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.353)에 1월 18일 오후 7시에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 광활성 Flp 단백질(PA-Flp 단백질)의 활용그림 a처럼 광활성 Flp 단백질(PA-Flp 단백질)은 비활성 상태에서 분리되어 있다가 빛에 의해 결합되고 활성화되도록 설계되었다. 표지자 형광 단백질이(GFP reporter) 붙어 있어 발현정도도 파악할 수 있다. 연구진은 PA-Flp 단백질을 전달체인 AAV 바이러스를 이용해 8주된 생쥐의 뇌 해마에 주입했다. 이후 그림 b처럼 청색광 LED를 직접 생쥐 머리에 비추자 해마에 발현된 PA-Flp 단백질이(그림c 붉은색) 활성화되고 빛으로 활성화된 PA-Flp 단백질에 의해 발현된 유전자를 현미경으로 관찰할 수 있었다. 연구진은 빛의 세기와 노출되는 시간에 따라 발현되는 유전자를 관찰하는데 성공했다.

▲ [그림 2] 비침습성 LED 방식으로 광활성 Flp 단백질 발현 성공해 쥐의 물체 탐색 능력 증가연구진은 사회성 뇌과학 그룹과 공동 연구를 통해 광활성 Flp 단백질의 발현 및 유전자 조절에 따른 행동까지 관찰하는데 성공했다. 연구진은 생쥐의 뇌 속에 광활성 Flp 단백질을 도입하고 비침습성 방식으로 LED를 비춰 뇌 조직인 내측 중격 (medial septum)의 T 타입 칼슘 채널의 발현 억제를 유도했다. 칼슘 채널의 발현이 억제되면 물체 탐색 능력이 증가됨은 기존의 연구에서 보고된 바 있었다. 실험 결과, 광활성 Flp 단백질이 활성화된 실험군은 실제 물체 탐색 능력이 증가함을 보였다.