광유전학 연구 진전

빛유전학 (optogenetics) 은 최근 몇 년 동안 급속히 발전하고 있는 광학을 통합한 것이다.소프트웨어제어, 유전자 조작 기술, 전기 생리 등 여러 학과가 교차하는 생물공학 기술.우선 유전자 조작 기술로 빛에 민감한 유전자(예를 들어 ChR2, eBR, NaHR3.0, Arch 또는 OptoXR 등)를 신경계의 특정 유형의 세포로 옮겨 특수 이온 채널이나 GPCR의 발현을 하는 것이 주요 원리다.광감이온 통로는 서로 다른 파장의 빛에 자극을 받으면 각각 양이온이나 음이온의 통과에 선택성을 갖게 되어 세포막 양쪽의 막 전위에 변화를 일으켜 세포에 대해 선택적으로 흥분하거나 억제하는 목적을 달성한다.

광유전 기술은 *의 높은 시공간 해상도와 세포 유형 특이성의 두 가지 특징을 가지고 있으며, 전통적인 수단으로 세포나 유기체의 활동을 통제하는 많은 단점을 극복하고, 뉴런에 대해 비침입적인 위치 자극 조작을 할 수 있으며, *신경과학 분야의 연구 상황을 변화시켜 신경과학에 혁명적인 연구 수단을 제공하였다.빛유전기술은 앞으로 일련의 중추신경계 질병의 새로운 치료법을 발전시킬 가능성이 있다.

빛유전학문 기술의 응용은 2010년 이후 급속한 발전을 이루었다. 응용 연구 분야는 여러 고전 실험 동물 종계 (초파리, 선충, 생쥐, 다람쥐, 융원숭이 및 식게원숭이 등) 를 포함하고 신경과학 연구의 여러 방면을 포함한다. 신경순환로를 포함한다기초 연구, 학습기억연구, 중독성연구, 운동장애, 수면장애, 파킨슨증모형,우울증불안증 동물 모델과 같은 응용.

광유전학 기술의 운용 과정에서 과학자들은 먼저 적합한 광민 단백질을 찾아야 한다;그 다음에 해당하는 유전 정보 전달, 즉 전염, 바이러스 전도,유전자 변형 동물계의 구축 등 방법은 광민단백질의유전대상 세포에 정보 전달;그 후 과학자들은 제어 가능한 시연을 이용하여 시간과 공간에서 시연 광선의 특정성을 제어함으로써 세포 활동에 대한 시연을 실현한다;이후 연구 결과를 읽는다. 이 과정 연구자들은 전극을 이용하여 세포막 내외 전압을 측정하여 포토메트릭 단백질의 형광 효과 변화를 측정할 수 있다. 또한 형광성 생물 센서로 서로 다른 세포의 판독 값을 측정할 수 있다. 나아가 행동 테스트를 통해 세포 활동 조정이 전체 동물에 미치는 영향을 평가할 수 있다.

이를 기반으로 광원유전기술을 배우는 최근 이룩한 진전은 편집장이 한차례 실사를 진행하여 독자들의 요구에 부응하였다.

1. Cell: 중대한 진전!시자홍질을 반전시켜 광유전학 키트 확대
도이: 10.1016/j.cell.2018.09.026

새로운 연구에서 미국 하워드휴즈의학연구소 등 연구기관의 연구원들은 시자홍질 (rhodopsin) 이라고 불리는 광민감단백질을 개조하는 새로운 방법을 발견하였다.세포막에서 이런 단백질을 뒤집음으로써 그들은 부동한 특성을 가진 도구를 산생할수 있다.관련 연구 결과는 2018년 10월 18일 Cell 저널에'Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins'라는 제목의 논문으로 온라인 발표됐다.논문 교신 저자는 하워드 휴즈 의학 연구소의 조슈아 두드만과 알라 카르포바다.이런 기술은 빛에 사용할 수 있다유전학 (optogenetics) 기술---신경원 활동을 빛으로 조종하는 기술---중의 단백질 수량이 배로 증가한다.새로 개발된 이 잡합시 자홍질 단백질은 이 연구자들이 새로운 실험을 할 수 있게 해 뇌 회로를 분석하고 파킨슨병 치료의 배후에 있는 신경과학을 연구하는 데 도움이 된다.

진화의 영감을 받아 Jennifer Brown, Reza Behnam, Luke Coddington, Gowan Tervo의 지도 아래 이 연구자들은 새로운 시자홍질을 개조하는 보충 기술을 개발했다.돌연변이 외에도 재조합 -- - 유전자 조작 (gene reshuffling) 을 통해 서로 다른 기능을 가진 단백질 구조 도메인을 조합 -- - 의 존재는 단백질 다양성을 자연계에 나타나게 한다.과학자들은 재조합이 작은 부분의 단백질인 진화를 통해 세포막에서의 정향에 변화를 일으키는 데 매우 중요하다고 생각한다.

이 연구자들이 시자홍질의 한쪽 끝에 새로운 단백질을 첨가하여 재조합을 시뮬레이션했을 때, 그것은 뒤집혔다.이것은 정말 예상 밖의 것이다.만약 기존의 개조되거나 새로 발견된 모든 시자홍질이 뒤집힐 때 새로운 기능을 얻을 수 있다면, 이는 빛에 사용될 수 있다유전기술을 배울 때 단백질 도구가 두 배로 늘어난다.그들은 세포막에서 단백질의 방향을 바꿀 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 새로운 개조된 시자홍질이 * 유용한 새로운 기능을 가지고 있다는 것을 발견할 수 있다.FLINChR (Full Length Inversion of ChR, ChR의 전체 길이 뒤집기) 이라고 불리는 시자홍질은 처음에는 뉴런을 활성화하는 역할을 한다.반전이 발생하면 새로운 실험에 사용할 수 있는 강력하고 빠른 억제제가 됩니다.

2. Science 광유전학 중대한 돌파!상전환 나노 입자는 뇌의 깊은 자극을 돕는다!신경질환 치료를 뒤엎을 수도 있다!
도이: 10.1126/science.aaq1144;도이: 10.1126/science.aar7379

일본 이화학연구소 (RIKEN) 뇌과학연구소 연구팀장 Thomas McHugh와 그의 동료들은 이제 빛의 비침입성을 뇌 깊은 곳으로 도입하는 새로운 방법을 찾았다.어제 "Science"에 게시된 기사에서 그들은 상향 변환을 사용합니다.나노입자(UCNPs)는 레이저를 두개골 깊숙한 곳으로 가져왔다.이런나노입자는 전통적인 빛에유전배울 수 없는 깊이는 근적외선을 흡수하여 가시광선으로 바꾼다.이 방법은 뇌의 다른 영역의 뉴런, 침묵 간질 및 기억 세포를 활성화하는 데 사용됩니다."나노 입자는 우리 광섬유가 도달할 수 있는 깊이를 효과적으로 연장할 수 있어 빛의 원격 배달을 할 수 있고 비침입성 치료를 할 수 있다."라고 McHugh는 말했다.

뉴런을 활성화하는 것 외에도 UCNPs는 간질 쥐의 상태를 억제하는 데 사용될 수 있습니다.연구진은 쥐 해마구에 녹색 빛을 낼 수 있는 나노입자를 투여한 뒤 근적외선으로 두개골 표면을 비췄다.그 결과 이 쥐들의 간질 뉴런은 효과적으로 침묵했다.내측격핵이라는 또 다른 구역에서 나노입자가 발산하는 빛은 뉴런 theta주기 (중요한 뇌파) 의 동기화를 촉진한다.두려운 기억을 가진 생쥐 중에서 연구진은 빛을 발할 수 있는 UCNPs를 사용하여 해마구역에서 생쥐의 두려운 기억을 자극하는 데 성공했다.이 뉴런 활성화, 억제 및 기억 자극 효과는 나노 입자를 투여한 생쥐에서만 관찰됩니다.

3. Science: 광학 유전학의 발전을 촉진한다!자홍질 채널 단백질 2의 3차원 구조를 분석하다
도이: 10.1126/science.aan8862;도이: 10.1126/science.aar2299

자홍질 채널 단백질 2 (channelrhodopsin 2, ChR2) 는 광유전학 기술 (optogenetics) 에 널리 사용되는 막 단백질이다.빛유전기술을 배우는 것은 빛을 이용하여 살아있는 유기체 중의 뉴런과 근육세포를 조종하는 비교적 새로운 기술이다.비슷한 방법은 청력 / 시력 상실을 부분적으로 역전시키고 근육 수축을 통제하는 데 사용되었습니다.

ChR2의 구조를 밝히기 위해 독일, 프랑스, 러시아, 체코에서 온 연구자들은 X선 회절이라고 불리는 분석 기술을 사용했다.이 기술은 결정 형태로 존재하는 단백질 샘플을 분석하는 데만 사용됩니다.그들은 이른바 단백질이 막을 떠나지 않고 자유롭게 이동할 수 있도록 허용하는 입방체 지질 중간상(cubic lipid mesophase)에서 ChR2 단백질 결정체를 배양한다.이들은 자신들이 배양한 ChR2 단백질 결정체를 파장이 약 1E인 X선을 이용해 비추고, 이 단백질 결정체에서 X선의 회절 상황을 분석해 ChR2 단백질의 구조를 성공적으로 해석했다.관련 연구 결과는 2017년 11월 24일 사이언스(Science) 저널에'Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2'라는 논문 제목으로 실렸다.

4. Hippocampus:"광유전학"요법 또는 일부 알츠하이머 환자의 기억을 회복 할 수 있습니다
doi:10.1002/hipo.22756

최근 컬럼비아 대학의 연구자들은 Hippocampus 잡지에 빛을 통해유전배운 수단은 알츠하이머에 걸린 쥐의 기억을 회복시킬 수 있다.이 발견은 아마도 이 질병에 대한 우리의 이해를 바꿀 수 있을 것이다.

우선 저자는 생쥐를 광유전학적으로 개조해 기억을 저장할 때는 빛깔의 형광을, 기억을 다시 얻을 때는 붉은 형광을 발사하도록 한다.이후 작가는 받아들였다유전개조한 야생형 쥐는 알츠하이머 쥐와 레몬 냄새로 자극한 뒤 전기 자극을 가해 두 기억을 연관시킨다.일주일 후, 저자는 다시 이 쥐들에게 레몬 냄새에 자극을 주었다.그 결과 야생형 생쥐는 노란색과 빨간색의 형광이 동시에 나타날 수 있고 공포의 표현이 나타났는데, 이는 기억을 형성하면서 기억의 재획득(recall)이 일어났다는 것을 말해준다.그러나 알츠하이머 쥐의 뇌에서 빛을 발하는 영역은 분명히 다르며, 그들의 뇌가 기억을 다시 얻는 과정에서 장애를 일으켰다는 것을 설명한다.이후 연구자들은 블루라이트를 이용해 쥐의 뇌를 자극해 레몬 냄새와 전기 자극에 대한 기억을 다시 활성화시켜 이 같은 냄새를 다시 맡을 때 전율이 나타났다.

5.Cell: 광유전학은 쥐를 킬러로 변신시킨다
도이: 10.1016/j.cell.2016.12.027

모든 쥐의 몸속에는 살인자가 숨어 있다.연구진은 뇌에서 사냥 행위를 통제하는 영역을 찾았고, 그 스위치를 통제하는 방식을 찾는 데 성공했다.예일 대학의 Ivan de Araujo 박사와 그의 동료들은 쥐의 사냥 행위를 통제하는 두뇌의 신경을 발견했다. 한조는 사냥감을 쫓는 것을 조율하고 다른 한조는 목과 턱의 근육을 통제한다. 두조의 신경은 모두 아몬드 핵에 있다. 아몬드 핵은 인체가 동작, 감정, 공포와 관련된 구역이다.

이 신경들을 수식함으로써 그들은 레이저를 통해 이 신경을 활성화시킬 수 있는데, 이 기술을 빛이라고 부른다유전학, 연구팀은 따라서 언제든지 이러한 통로의 스위치를 제어할 수 있다.레이저가 꺼지면 쥐는 정상적으로 우리 주위를 걷는다. 일단 레이저가 열리면 쥐는 그들의 길에서 어떤 사물도 광란적으로 공격한다. 즉 살아있는 귀뚜라미, 가짜곤충 심지어 나뭇가지나 병뚜껑이다.그들은 사냥감에게 달려들어 발톱으로 사냥감을 잡고 반복해서 물어뜯는다.

그 후 연구원들은 각 그룹의 신경의 기능을 각각 억제하려고 시도했는데, 그들이 사냥감을 쫓는 신경을 억제할 때 쥐의 추격 속도는 더 느리지만 여전히 물어뜯는다;반대로 쥐는 뜯는 신경을 억제하면 사냥감을 쫓지만 뜯지는 않는다.

6.Oncotarget: 광유전학을 이용하여 종양 발생을 통제한다
도이:10.18632/oncotarget.8036

새로운 연구에서 미국 타프스 대학의 연구진은 개구리 모델을 바탕으로 빛을 이용해 세포 사이의 전기신호를 제어하고 종양 형성을 막으며 종양이 형성된 뒤 정상화하는 것을 확인했다.이 연구 는 보도 이용 광 이다유전생물 전기 신호를 특이적으로 조작하여 암 유전자가 유도하는 종양의 형성을 막고 암 유전자를 유도하는종양소멸하다.관련 연구 결과는 2016년 3월 16일 온코타겟 저널에'Use of genetically encoded, light-gated ion translocators to control tumorigenesis'라는 제목으로 온라인으로 게재됐다.

개구리는 암 기초과학 연구에 좋은 모델 생물이다. 개구리와 포유동물의 종양은 빠른 세포 분열, 조직 파괴, 혈관 성장 증가, 침윤성, 비정상적인 내부 양전압을 함유한 세포를 포함한 많은 같은 특징을 가지고 있기 때문이다.세포 바깥에 비해 거의 모든 건강한 세포는 세포 내부에서 더 큰 음전압을 유지하고 있다;세포막의 이온통로를 열고 닫으면 전압이 더욱 정성 (세포를 탈극화) 하거나 더욱 음성 (세포를 극화) 으로 변할수 있다.다른 면에서 정상적인 조건에서 이용종양의 이상 생물 신호 특징은 그것들을 검사할 수 있다.

7.Neuron: 기억을 삭제하시겠습니까?미래는 정말 가능할지도 모른다
도이: 10.1016/j.neuron.2014.09.037

최근 잡지 뉴런에 실린 연구 논문에서 캘리포니아 대학 데이비스 캠퍼스 신경과학 연구센터의 연구진은 빛을 이용해 쥐의 뇌에 있는 특수한 기억을 제거하는 데 성공했다. 이 연구는 뇌의 다른 부분이 어떻게 연합하여 작동하여 정경의 기억을 회복하는 메커니즘을 밝히는 데 일정한 아이디어를 제공했다.

빛유전학 (Optogenetics) 은 빛을 이용하여 신경세포를 연구하는 새로운 기술로, 최근 몇 년 동안 과학자들에 의해 표준 방법으로 뇌 기능 연구를 빠르게 채택하고 있다.이 글에서 연구자 Kazumasa Tanaka는 이 기술을 기억회복 등을 위한 연구에 응용했다. 40년 동안 과학자들은 상황기억 (특수한 장소에서 발생한 특수한 사건 등) 이 대뇌피질과 대뇌해마체 간의 조화로운 활동과 관련된다고 가정했다. 이 이론은 상황기억 회복 과정에서 대뇌피질과 해마체의 대뇌활동이 다시 활성을 일으키는 패턴을 연구해 개체가 수십 년 동안 기억을 잃게 되면 해마 환자들이 다시 기억을 잃게 된다.

기사 중 연구자가 활용유전수식화된 생쥐는 연구를 진행하였는데 생쥐의 신경세포가 활성화되면 전부 록색형광을 발산하고 특수단백질을 표현하여 신경세포가 빛에 의해 페쇄되도록 촉진할수 있다. 연구자들은 생쥐를 새장에 넣어 훈련시켰다. 새장에서 생쥐는 전기쇼크를 겪게 된다. 정상적인 상황에서 새로운 환경에 처한 생쥐는 후각을 리용하여 환경에 적응하게 된다. 그러나 이를 전기쇼크를 진행한후 새로운 환경에 놓으면 그들은 일종의 공포반응에 처하게 된다.

8.Nature: 광유전학 도구의 새로운 희망, 광구동 나트륨 이온 채널 KR2 구조 해석
도이:10.1038/nature14322

일본 과학자들은 저널'네이처'에 발표한 학술 기사에서 광구동 나트륨 이온 통로 단백질 KR2 구조를 해석해 미래 차세대 빛을 위해유전도구를 배워서 가능성을 창조했다.

많은 생물들은 빛의 에너지나 빛의 정보를 흡수할 수 있는데, 일종의 시자홍질 분자에 의존한다.이 분자는 7개의 알파 나선 트랜스팩 단백질 (시단백질) 이 공가 키를 통해 시황알데히드 분자에 연결되어 있다.시단백질의 종류에 따라 동물과 미생물 시단백질로 나눌 수 있다.미생물의 시자홍질 기능은 동물과 달리 주로 이온 통로, 이온 트랜스퍼 단백질, 감광 분자 또는 효소로 쓰인다.이런 미생물의 시자홍질은 갈수록 많은 관심을 받고 있다.이는 이온 통로와 이온 펌프 유형의 시자홍질이 많은 생체 생물의 신경세포 활동에 사용될 수 있어 신경과학 분야에서 매우 강력한 빛이 되었기 때문이다유전공구를 배우다.

일반적으로 시프린의 양전하를 띤 수소이온은 모든 광이온펌프의 이온통로에 위치해있으며 음이온과 중성분자의 통과를 막을수 있다고 인정되고있다.KR2 구조의 해석은 또 새로운 문제를 제기했는데, 바로 이 이온 펌프가 어떻게 나트륨 이온을 운반하는가이다.

9. Neuron: 시카고 과학자, 광유전학 기술의 새로운 돌파 실현
도이: 10.1016/j.neuron.2015.02.033

최근 몇 년 동안 과학자들이표관유전학분야의 연구가 깊어지자 사람들은 체외 자극의 방식을 통해 체내 세포, 특히 뉴런 세포의 상태를 통제하기를 희망하기 시작했다.이 분야는 황반병변 등 유전병을 치료하는 등 광범위한 응용 전망을 가지고 있다.이것을 기초로 하여 빛유전학등 학과가 잇달아 세워지다.그러나 지금까지 연구진은 이 목표를 달성하기 위해 뉴런에 대한 유전자 조작을 하지 않을 수 없었다.이것도 이 기술의 보급을 크게 방해했다.

최근 시카고대와 일리노이대 시카고분교에서 온 연구자들은 이 분야에서 돌파를 이룩했다.연구진은 원적외선에서 발생하는 열을 이용해 정상적인 뉴런세포의 정상적인 생명활동을 통제했다.시카고에서 온 과학자들은 정상적인 뉴런 세포에서 광민 단백질을 표현하는 이전과 달리 금 나노 입자를 사용하여 특정 뉴런을 포지셔닝하기로 선택했다.연구진은 금 나노입자의 전일성 문제를 해결하기 위해 전갈 신경독소인 Ts1을 금 나노입자에 연결했다.Ts1은 뉴런 세포 표면의 나트륨 이온 통로를 식별하여 뉴런 세포를 표적으로 식별할 수 있다.이것도 인간이 뉴런을 개조하지 않는 거야유전특성을 바탕으로 광 제어 뉴런 활동의 목적을 실현한다.그러나 이 연구는 여전히 초기 단계에 있으며 연구진은 Ts1이 뉴런 세포에 독성이 있을 수 있다고 동시에 밝혔다.이 연구 작업은 Neuron 잡지에 발표되었다.

10.Nat Methods: 알레르기제 세포 표적 제어
도이: 10.1038/nmeth.3735

저널 Nature Methods에 실린 연구 보고서에서 미국 카네기 멜론 대학의 연구자들은 빛을 위해유전학중의 광민제는 세포를 통제하기 위해 형광탐침을 재설계, 개발하였는데 이 기술은 질병발생에서 특정세포와 단백질의 작용을 리해하는데 도움을 줄수 있으며 후기에 암이나 기타 질병의 표적성료법을 개발하는데 희망을 제공해줄수 있다.

광유전학은 빛을 이용하여 유기체를 제어하는 생물학적 과정이다. 연구자들은 일반적으로 빛이 활성화된 성분을 유기체의 유전코드에 다시 프로그래밍하여 광제어세포의 과정을 실현한다. 이러한 성분은 빛에 노출되면 일부 유기체 조직이 *다른 기능을 발휘하도록 촉진한다.연구자들은 살아있는 세포에서 단백질의 활성을 실시간으로 모니터링하는 데 자주 사용되는 형광단 활성화 단백질 (fluorogen-activating proteins, FAPs) 이라는 형광 프로브를 개발하는 데 거의 10 년이 걸렸습니다. 형광단 활성화 단백질은 일반적으로 세포에서 수행됩니다.유전형광 발생소라는 이름의 형광 염료가 접촉하면 복합체가 빛을 발해 과학자들이 이를 관찰하고 추적할 수 있다는 것을 성적으로 표현한다.

연구자 Bruchez는 빛을 개발하기 위해유전학의 라벨, 글에서 우리는 형광 염료에 대해 공정화 조작을 진행하여 빛을 발할 수 있을 뿐만 아니라 단선형 산소 (Singlet Oxygen) 를 생성할 수 있도록 했다. 단선형 산소는 산소의 독성 형태이다. 형광단 활성화 단백질과 결합하여 빛에 노출되면 표적 형광단 활성화 단백질 및 광민제 활성화 방법 (FAPS) 은 과학자들이 표시된 단백질을 똑똑히 볼 수 있게 하고 동시에 이러한 단백질의 선택성을 억제할 수 있다.바이오밸리