할로로돕신

[ Halorhodopsin ]

할로로돕신은 염생세균(Halobacteria)에서 발견되는 빛-주도 이온펌프(light-driven ion pump)로써 580 nm 파장의 노란 빛을 받았을 때 기능하여 염화이온(Chloride ion)을 세포 내부로 들여온다. 빛-개폐형 이온채널(light-gated ion channel)인 채널로돕신(Channelrhodopsin)과 함께 광유전학(Optogenetics) 기법에 널리 활용되고 있으며, 할로로돕신을 발현시킨 신경세포에 노란 빛을 비춰주면 신경세포의 과분극(Hyperpolarization)을 유도하여 활동전위(Action potential)의 생성을 억제한다.

할로로돕신은 7개의 막횡단 도메인(7-transmembrane domain)으로 구성되어 있으며, 역시 빛-주도 이온펌프인 박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin) 및 망막에서 발현되는 로돕신(Rhodopsin)과 구조적으로 유사하다. 또한 할로로돕신은 Retinylidene 단백질에 속하며, 이들은 빛을 받아들이는 색소포(Chromophore)로써 레티날(Retinal)을 사용하는 단백질 그룹이다.

기능적으로, 할로로돕신은 580 nm 파장의 노란 빛을 받았을 때 기능하여 염화이온(Chloride ion)을 세포 내부로 들어오게하는 빛-주도 염화이온펌프(light-driven chloride pump)이다.

할로로돕신과 광유전학

광유전학이란 빛을 이용하여 세포(특히, 신경세포)의 기능을 조절하는 생물학적인 기법을 의미하며, 할로로돕신 및 채널로돕신의 발견과 활용이 광유전학의 비약적인 발전을 유도하였다.

채널로돕신이 할로로돕신보다 먼저 광유전학에 활용되기 시작하였다. 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. 2005년 미국의 연구자인 칼 다이서로스(Karl Deisseroth), 에드 보이든(Ed Boyden), 팽 장(Feng Zhang) 박사 등은 포유류의 신경세포에 채널로돕신-2 단백질을 발현시킨 뒤 460 nm 파장의 푸른 빛을 비춰주는 방법으로 신경세포의 활성이 증가됨을 최초로 구현하였다. 채널로돕신-2는 푸른 빛에 의해 채널이 열리며 양이온을 신경세포 안으로 들어오도록 하며, 이는 신경세포의 탈분극(Depolarization)을 유도하여 활동전위 생성을 촉진한다.

채널로돕신-2의 성공적인 결과는 그와 반대로 신경세포의 과분극을 유도하는 이온펌프의 활용을 유발하였다. 사실, Georg Nagel와 Ernst Bamberg 등의 연구자는 채널로돕신-2의 활용이전에 이미 과분극을 유도할 수 있는 박테리오로돕신과 할로로돕신의 존재는 알고 있었다. 그러나 채널로돕신-2의 성공적인 결과를 관찰한 후에 비로소 활용을 생각할 수 있게 되었다. 박테리오로돕신은 양성자(H⁺)를 세포 밖으로 내보냄으로써, 할로로돕신은 음이온인 염화이온을 세포 안으로 들여옴으로써 세포의 막전위(Membrane potential)를 더 낮춰는 과분극을 유도한다. Georg Nagel와 Ernst Bamberg은 Natronomonas pharaonis에서 발현되는 할로로돕신(세균의 이름을 따서 약어로 NpHR로 불림)을 광유전학에 사용해 볼것을 Karl Deisseroth와 알렉산더 고트샬크(Alexander Gottschalk) 박사에게 추천하였고, 이들은 2007년 신경세포 또는 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 근육세포에 NpHR 단밸질을 발현시킨 뒤 빛을 비춰주는 방법으로 세포의 활성이 조절됨을 구현하였다. 이후에 NpHR의 세포 표면 발현을 증가시키기 위한 새로운 버전의 할로로돕신(eNpHR2.0, eNpHR3.0 등)이 개발되어 현재까지 활용되고 있다.

그림 1. 할로로돕신의 신경세포 기능 억제 모식도. 할로로돕신을 발현하는 뇌 영역에 빛을 비춰주면 그 순간 매우 빠르게 신경세포의 활동전위 생성이 억제된다. 빛을 끄면 다시 활동전위 생성이 시작된다. (출처: Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Optogenetics#/media/File:Cooper_laboratory_recording_of_optogenetic_silencing_of_prefrontal_cortical_neuron.jpg).

참고문헌

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

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