광유전학

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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.

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

  1. 1.채널로돕신의 발견과 광유전학에의 응용
  2. 2.광유전학의 유용성
  3. 3.관련용어
  4. 4.참고문헌

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)