광유전학
[ optogenetics ]
광유전학(optogenetics)은 빛(opto)을 통하여 유전적인 변화(genetics)를 이룬다는 의미로, 빛에 의해서 개폐가 조절되는 이온 채널(ion channel)을 세포(cell)나 생물체(organism)에 발현시켜서 세포 및 조직(tissue)의 활성을 조절 혹은 모니터하는 생물학적 기법이다. 특히 이온채널의 개폐에 의하여 활성이 바뀌는 신경세포(neuron)를 실시간으로 가역적으로 조절할 수 있는 기법으로 생명과학 전반, 특히 신경생물학에 매우 중요하게 사용되고 있다. 광유전학의 핵심은 특정 파장의 빛에 의해서 그 입체구조(conformation) 혹은 활성이 변화하는 특정 단백질을 용도에 맞게 세포에 발현하는 것이다. 대표적인 예로는 채널로돕신(channelrhodopsin), 할로로돕신(halorhodopsin), 아키로돕신(archaerhodopsin)과 같은 여러가지 파장의 빛에 의해 열리는 이온 채널이 있다.
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그림 1. 채널로돕신 2(channelrhodopsin 2)의 푸른 빛에 의한 활성 증가에 의한 광유전학(optogenetics)의 구현(출처: 위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/Optogenetics#/media/File:Example_of_optogenetic_activation_of_prefrontal_cortex.jpg )
목차
채널로돕신의 발견과 광유전학에의 응용
신경과학에서 빛을 이용하여 세포의 활성을 조절하는 방법은 21세기 초부터 많이 시도가 되었으나 채널로돕신의 발견을 통하여 사용 빈도 및 유용성에 있어서 혁명적인 붐이 일어났다. 녹조류인 클라미도모나스(Chlamydomonas alga)에서 연구되어 오던 푸른 빛에 의해서 양이온을 통과시킬 수 있는 채널인 채널로돕신1과 채널로돕신2가 2000년대 초반에 클론(clone)되고 논문으로 보고되었다. 2005 년에 스탠포드 대학의 칼 데이서로쓰 (Karl Deisseroth)의 연구실에서 이를 생물학적 테크닉으로 이용할 수 있음을 보였다. 구체적으로 채널로돕신-2를 발현하는 포유동물의 신경세포가 푸른 파장의 빛에 의해 활성이 가역적으로 바뀜을 보고하였다. 바로 직후 곳샤크 (Gottschalk)과 나겔 (Nagel) 연구 그룹이 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 특정 신경세포에 채널로돕신-2를 발현하였을 때 신경세포의 활성이 가역적으로 변화하고 그 결과 동물의 행동이 가역적으로 변화함을 보임으로써 개체 수준에서의 이용이 가능함을 증명하였다. 이후 광유전학은 살아있는 포유동물에서의 적용, 푸른 빛 뿐 아닌 다른 파장에 의해 조절되는 채널, 음이온을 통과시키는 광유전학 채널, 채널이 아닌 단백질 상호작용을 조절하는 모듈로서의 광유전학 등 생물학 전반에서의 중요한 테크닉으로 자리잡았다.
광유전학의 유용성
광유전학은 세포 및 조직의 활성을 변화시키는 테크닉으로서 다음과 같은 다양한 장점을 지니고 있어 생물학 전반 특히 신경생물학에서 각광을 받고 있다. 먼저 생물학 실험에서 정상 세포 및 개체의 상태 및 건강에 거의 영향을 주지 않는 외부 단백질을 발현한다는 점을 들 수 있다. 또한 대부분의 세포 및 개체의 기능에 거의 무해하며 다른 영향을 주지 않는 빛으로 활성을 조절함으로써 부작용이 다른 화학적 처리보다 적다는 점도 장점이다. 매우 중요한 장점으로 빛을 켜고 끔에 있어서 즉각적으로 1000분의 1 초(msec) 만에 채널이 열리고 닫히기 때문에 실시간의 변화를 가역적으로 측정할 수 있다는 점을 들 수 있다. 뿐만 아니라 다양한 광유전학의 대상 단백질을 활용함으로써 여러가지 빛의 파장으로 세포의 활성을 변화시킬 수 있다. 또한 채널로돕신과 같은 경우는 기능을 하기 위해서 ATR(all-trans-retinal)을 빛의 센서인 필수 보조인자(co-factor)로 필요로 하기 때문에 ATR을 처리하고 하지 않는 두 가지 조건으로 실험군과 대조군을 설정하기 쉽다는 장점도 존재한다.
관련용어
광유전학(optogenetics), 이온 채널(ion channel), 세포(cell), 생물체(organism), 조직(tissue), 신경세포(neuron), 입체구조(conformation), 채널로돕신(channelrhodopsin), 할로로돕신(halorhodopsin), 아키로돕신(archaerhodopsin), 클라미도모나스(Chlamydomonas alga), 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans), ATR(all-trans-retinal)
참고문헌
Molecular Biology of the Gene, Seventh Edition (Watson et al., Pearson)