채널로돕신

채널로돕신은 녹조류(Green algae)에서 유래한 빛-개폐형 이온채널(light-gated ion channel)로써 460 nm 파장의 푸른 빛을 받았을 때 열리면서 나트륨 및 칼슘 이온 등 양이온(cation, H⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺)을 통과시키는 채널로 기능한다. 광유전학(Optogenetics)에 활용되고 있으며, 채널로돕신을 발현시킨 신경세포에 푸른 빛을 비춰주면 신경세포의 탈분극(Depolarization)을 유도하여 활동전위(Action potential)가 생성되도록 한다.

목차

채널로돕신은 피터 헤게만(Peter Hegemann)과 게오르 나겔(Georg Nagel), 언스트 밤버그(Ernst Bamberg) 등 독일 연구자들의 공로로 그 기능이 발견되었다. 이들은 단세포 녹조류인 Chlamydomonas reinhardtii에서 빛-개폐형 이온채널로서 작동할 가능성이 있는 단백질의 DNA를 분리하여 그 기능을 분석하였으며, 처음에는 이들 이온채널을 녹조류의 이름을 따라서 Chlamyopsin으로 불렀다. 2002년과 2003년에 걸쳐, Georg Nagel은 Chlamyopsin-3의 DNA를 제노푸스 난모세포(Xenopus oocyte)에 발현시킨 뒤 빛을 비춰주었을 때 이온채널로서 기능함을 규명하고 이 단백질을 채널로돕신-1(Channelrhodopsin-1, ChR-1)으로 명명하였으며, 채널로돕신-1과 유사한 채널로돕신-2(Channelrhodopsin-2, ChR-2) 또한 동일한 기능을 갖고 있음을 규명한다.

그림 1. 채널로돕신이 유래된 단세포 녹조류 Chlamydomonas reinhardtii. (출처: Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Chlamydomonas_reinhardtii#/media/File:Chlamydomonas6-1.jpg).

이후에 다양한 연구자들이 채널로돕신의 활용 가능성을 검증하였다. 가장 먼저, 역시 독일의 연구자인 알렉산더 고트샬크(Alexander Gottschalk)박사는 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 근육세포 또는 기계적감각 신경세포(Mechanosensory neuron)에 채널로돕신을 발현시킨 뒤 빛을 비췄을 때 움직임이 유도됨을 확인하였다. 또한 미국의 연구자인 칼 다이서로스(Karl Deisseroth) 박사는 포유류의 신경세포에서 채널로돕신의 활용 가능성을 확인하고 이후에 광유전학을 통한 신경세포의 기능조절 기술을 발전시킨다.

채널로돕신의 성공적인 발견 및 기능 규명은, 이와는 정반대의 기능을 갖는 즉, 신경세포의 기능을 억제할 수 있는 빛-개폐형 이온채널 및 펌프의 발견을 촉진하였으며, 미생물 Natronomonas pharaonis에서 유래한 할로로돕신(Halorhodopsin)의 발견으로 이어진다. 할로로돕신은 빛-개폐형 이온펌프로써 음이온(anion)인 염화이온(Chloride ion)을 세포 내부로 들어오게하여 막전위를 더 낮추며 이를 통해 신경세포의 활동전위 생성을 방해한다.

채널로돕신-2는 737개의 아미노산으로 구성되어 있으며, 구조적으로 Retinylidene 단백질에 속한다. Retinylidene 단백질은 빛을 받아들이는 색소포(Chromophore)로써 레티날(Retinal)을 사용하는 단백질 그룹을 의미한다. 또한 채널로돕신은 망막에서 발현되는 로돕신(Rhodopsin) 단백질과 마찬가지로 7개의 막횡단 도메인(7-transmembrane domain)으로 구성되어 있다. 다만 일반적인 7-막횡단단백질(7-transmembrane protein)들이 G단백질연관 수용체(G protein-coupled receptor)이며, 따라서 G단백질 신호를 통해 간접적으로 이온채널의 기능을 조절하는 반면, 채널로돕신은 스스로 이온채널로서 기능하는 특징을 갖는다.

그림 2. 채널로돕신의 단백질 결정 구조. (출처: Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Channelrhodopsin#/media/File:3ug9.png).

광유전학이란 빛을 이용하여 세포(특히, 신경세포)의 기능을 조절하는 생물학적인 기법을 의미하며, 채널로돕신의 발견 및 활용이 광유전학의 비약적인 발전을 유도하였다. 2005년 미국의 연구자인 Karl Deisseroth, Ed Boyden, Feng Zhang 박사 등은 포유류의 신경세포에 채널로돕신-2 단백질을 발현시킨 뒤 빛을 비춰주는 방법으로 신경세포의 활성이 조절됨을 최초로 구현하였다. 채널로돕신-2는 푸른 빛에 의해 채널이 열리며 양이온을 신경세포 안으로 들어오도록 하며, 이는 신경세포의 활동전위 생성을 촉진한다.

그림 3. 푸른 빛에 의한 채널로돕신-2의 기능 및 신경세포 활성 조절 모식도. 채널로돕신-2가 열리면서 양이온이 신경세포 내부로 들어오고, 이는 막전위 상승과 활동전위 생성을 유발한다. (출처: 한국분자·세포생물학회)

이후에 전세계의 수많은 연구자들이 광유전학기법을 활용하여 특정 신경세포의 기능을 규명하고 있다. 구체적으로, 생쥐의 특정 뇌 영역 또는 신경세포에만 특이적으로 채널로돕신-2 단백질을 발현시키고, 광섬유를 이용하여 살아 움직이는 생쥐의 뇌 안으로 빛을 비춰주는 방식으로 이들 신경세포의 활성을 조절한다. 이 때 나타나는 생쥐의 행동학적 변화를 관찰함으로써, 특정 신경세포의 활성과 행동 변화와의 인과적 관계를 규명하는 것이 가능하다.

광유전학(Optogenetics), 탈분극(Depolarization), 활동전위(Action potential), 할로로돕신(Halorhodopsin)

1. Neuroscience : exploring the brain (Bear, Connors, Paradiso저, 4판, Wolters Kluwer).