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빛으로 뇌 유전자 조절한다

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2019년 01월 18일 21:15 프린트하기

PA-Flp 단백질 작동원리 및 발현을 나타낸 사진. -사진 제공 IBS
PA-Flp 단백질 작동원리 및 발현을 나타낸 사진. PA-Flp 효소는 비활성시 분리돼 있다가 푸른 LED 빛을 받으면(b) 서로 결합해 활성화된다(a). 빛을 받은 쥐의 뇌 해마에서는 PA-Flp 단백질이 활성화됐다(c의 붉은색). -사진 제공 IBS

수술 없이 뇌에 빛만 쪼여주는 방법으로 동물의 뇌 유전자 활성을 조절할 수 있는 기술이 개발됐다. 현재에도 머리에 광섬유를 연결해 빛으로 유전자를 조절하는 ‘광유전학’ 기술이 있지만, 뇌에 광섬유를 심는 수술이 필요했다. 이번 연구로 보다 간편히 실험동물의 유전자 활성을 조절하는 실험이 가능해질 것으로 보인다.


정현진 KAIST 생명과학과 연구원과 허원도 기초과학연구원(IBS) 인지및사회성연구단 교수(KAIST 생명과학과 교수), 박병욱 원광대 전통의학연구소 교수팀은 빛을 받으면 마치 스위치를 켠 것처럼 활성화되는 새로운 유전자 재조합 효소를 개발해 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 18일자에 발표했다. 연구팀은 이 방법으로 실험동물인 생쥐의 뇌 유전자를 빛으로 조절하고 이를 바탕으로 쥐의 인지 능력을 증가시키는 데에도 성공했다.


연구팀은 실험에 많이 쓰이는 형질 전환 실험 모델을 만들 때 유용한 효소인 Flp유전자 재조합 효소에 주목했다. 이 효소는 특정 유전자를 자르고 재조합하는 기능을 지니고 있는데, 수시로 스스로 모양을 변화시키는 자가조립 특성이 있어 특정 목적으로 활용하기가 까다로웠다. 연구팀은 이 효소의 구조를 바꿔, 평소에는 유전자 재조합 기능을 발휘하지 않다가 빛을 쪼여 주면 마치 스위치를 켠 것처럼 재조합 기능이 활성화되는 효소로 만들었다. 연구팀은 이 효소에 PA-Flp라는 이름을 붙이고, 활성화될 경우 붉은색 형광을 내는 단백질을 추가로 붙여, 마치 스위치를 켜면 ‘작동’ 표시등이 들어오는 전자제품처럼 활성화 여부를 알려주도록 만들었다.


이렇게 만든 PA-Flp는 아주 조금만 뇌에 넣어도 쉽게 활성화됐다. 연구팀은 주사를 이용해 쥐의 해마 부위에 이 효소의 유전자를 담은 바이러스를 넣은 뒤 머리 부분에 휴대전화 전등 밝기의 LED 등을 30초 쥐의 뇌에 비춰, 이 단백질이 활성화된다는 사실을 확인했다. 칼 등을 사용한 수술을 하지 않고도 뇌 속 유전자의 작동을 조절한 것이다.


연구팀은 신희섭 IBS 인지및사회성연구단장팀과 함께 뇌 속 유전자 발현이 쥐의 행동에도 영향을 미치는지 실험했다. 해마보다 깊숙한 곳인 내측 중격 부위에는 칼슘 이온이 통과하는 통로(채널)이 존재하는데, 이 채널의 발현(활성)이 억제되면 물체를 탐색하는 능력이 높아진다. 연구팀은 내측 중격에 PA-Flp 효소를 넣은 뒤 LED를 비춰서 실제로 칼슘 채널의 발현이 억제되고, 쥐가 물체 주변을 더 잘 탐색한다는 사실을 확인했다.


허 교수는 “실험쥐에게 영향을 주는 물리, 화학적 자극이 거의 없이 빛으로 원하는 때에 원하는 유전자의 발현을 조절할 수 있다”며 “다양한 뇌 영역을 탐구할 때 널리 활용될 것”이라고 말했다.

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