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신경줄기세포 실험실 (Laboratory of Neural Stem Cell Biology, http://www.yoonlab.info) 은 KAIST 생명과학과에 지난 2018년 10월에 문을 연 새로운 실험실 입니다. 저희 실험실은 신경줄기세포의 분화 과정과 뇌 발생 과정을 조절하는 새로운 분자 기전을 연구하고 있으며, 이를 통해 이러한 조절 과정의 이상으로 인해 발생하는 신경발달질환의 원인과 치료법을 찾고자 합니다. 현재 신경줄기세포 실험실은 박사 후 연구원 1명, 대학원생과 연구원 4명, 그리고 학부 연구생들로 구성되어 있습니다. 저희 실험실에서 같이 공부를 해 보고 싶은 분들을 찾고 있습니다. 특히, 석사 학위를 하시고 박사 과정에 진학 하시고자 하는 학생을 찾고 있으니 많은 관심 부탁드립니다.
그럼 실험실의 관심사에 대한 간략한 소개를 먼저 드리겠습니다.
뇌 발생 과정 중에 신경줄기세포는 다양한 신호 전달과 유전자 발현 과정을 거쳐 여러 종류의 뇌 세포들로 분화하게 됩니다. 이러한 과정 중, 후성 유전체 조절을 통해 유전자의 전사를 통제하는 기전들에 대해 지금까지 많은 연구가 이루어 졌습니다. 그런데 많은 종류의 세포들에서 mRNA의 전사량과 protein이 양이 일치하지 않는 현상이 관찰되고, 이는 전사 후 조절 과정의 중요성을 시사해 주고 있습니다. 최근 몇 년 간 전사가 일어난 후 mRNA에도 여러가지 화학적 변이가 일어나 mRNA의 다양한 운명을 조절한다는 사실이 알려지고 있고, 이를 후성 전사체 (Epi-transcriptome) 변이라고 부릅니다 (그림 1) [1]. 현재까지 Adenosine에 생기는 methylation 변이인 m6A, m6Am, m1A, Cytosine에 생기는 m5C, Uridine의 Pseudouridine 으로의 전환 등, 다양한 종류의 후성 전사체 변이들이 알려져 왔습니다. 하지만 후성 전사체 변이가 뇌 발달과 기능을 어떻게 조절하고 있는지는 아직 많은 부분을 알지 못해요. 특히 다양한 종류의 후성 전사체 변이들이 뇌 세포의 운명 결정과 분화 과정을 어떻게 조절하고 있는지 관심이 많습니다.
저희 실험실은 전통적인 유전자 조작 생쥐 모델과, 뒤에 자세히 설명할 인간 만능줄기세포로부터 만들어낸 뇌 오가노이드 모델을 둘 다 사용하여 연구하고 있습니다 (그림 2). 특히 기존의 연구에서 인간 뇌에서는 생쥐와는 다른 인간 특이적 epi-transcriptome이 관찰되는데 [2], 인간 뇌 오가노이드 모델을 이용한 후성 전사체 분석을 통해 인간 특이적 후성 전사체 조절의 기전을 밝혀내고, 인간의 뇌 발달의 기초 원리를 좀 더 심도 있게 이해할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
신경발달질환 (Neurodevelopmental disorder)은 발생 과정에서의 문제로 인해 감정 조절, 학습, 사회성, 자제력 등의 뇌기능에 이상이 생기는 것을 말합니다. 대표적인 신경발달질환으로는 자폐증 (autism spectrum disorder), 소뇌증 (microcephaly), 뇌전증 (epilepsy), 정신지체(intellectual disability) 등이 있으며, 최근의 연구들은 조현병 (schizophrenia)이나 조울증 (bipolar disorder) 등의 정신질환도 신경 발달 과정에서의 이상으로 일어난다는 사실을 보여줍니다. 통계에 의하면 전 세계 인구의 약 5%에 달하는 사람들이 다양한 종류의 신경발달질환으로 인해 고통받고 있으며, 이로 인해 소요되는 사회적 비용이 미국에서만 대략 2,000억 달러로 추정되고 있습니다. 따라서 신경발달질환이 일어나는 원인들을 규명하고, 새로운 치료법을 개발하기 위한 preclinical model system을 구축하는 것은 매우 중요합니다.
지금까지의 신경발달질환 연구는 쥐의 신경 세포 배양 모델과 설치류 동물 모델을 통해 주로 이루어져 왔습니다. 하지만 인간의 뇌 발달 과정은 쥐의 뇌 발달 과정과 여러 가지 면에서 큰 차이가 있습니다. 예를 들어, 인간 배아의 대뇌 피질 (cerebral cortex)에는 쥐에는 존재하지 않는 종류의 neural progenitor cell (NPC)들이 대량 존재하여 인간 특유의 주름진 대뇌 (gyrencephalic brain)를 형성하는데 중요한 역할을 합니다 [3]. 또한 인간과 쥐의 protein-coding 유전자 수는 크게 차이가 나지 않지만, 인간의 신경 발달에는 인간 특이적인 non-coding element와 epigenetic regulation이 중요하게 작용하는 것으로 알려졌지요 [4]. 즉, 기존의 쥐 모델은 이러한 이유로 인간의 신경발달질환을 연구하는데 많은 한계점을 가지고 있으며, 따라서 인간 뇌 발달의 세포 생물학적 특성들과 유전학적 특성들을 잘 반영할 수 있는 새로운 모델 시스템이 필요합니다.
유도만능줄기세포(Induced pluripotent stem cell; iPSC)의 개발은 인간 질병 연구에 전례 없는 진전의 계기를 가져왔습니다. 인간의 신경계 발달은 주로 태아 시기에 일어나기 때문에, 낙태된 태아를 이용하지 않는 한, 발달 이상을 다각도로 연구할 수 있는 실험 모델 시스템을 확보하기 매우 어려웠습니다. 하지만 환자로부터 유래한 iPSC, 그리고 iPSC에서 분화시킨 신경계 세포들을 이용 한다면, non-invasive하고, 환자의 유전 정보를 온전히 유지하며, 윤리적인 문제가 없는 실험 모델 시스템을 구축하는 것이 가능합니다. 또한, 최근에 비약적으로 발전한 3-dimentional (3D) 오가노이드 배양 기술을 통해, 전뇌 (forebrain), 중뇌 (midbrain), 해마(hippocampus), 시상하부 (hypothalamus)와 같은 인간 태아의 다양한 신경 조직을 in vitro 에서 재현할 수 있게 되었습니다 [5]. 즉, 신경발달질환을 앓는 환자의 iPSC에서 유래한 뇌 오가노이드를 이용하여, 특정 신경발달질환의 유전적 원인과 세포 수준의 기작을 규명하고 치료 방법을 개발할 수 있는 계기가 열렸다고 할 수 있습니다. 마지막으로, 최근 몇 년간 CRISPR/Cas9을 이용한 유전자 편집/교정 (gene editing/correction) 기술이 비약적으로 발전하였는데, iPSC를 이용한 뇌 오가노이드 기술에 이를 접목한다면 신경발달질환의 유전인자들에 대한 심층적인 연구와 유전자 치료의 전기를 마련할 수 있을 것입니다.
따라서 저희 실험실에서는 신경발달질환을 앓는 환자로부터 유래한 iPSC, 또는 환자가 가지고 있는 돌연변이들을 유전자 편집 기술을 활용하여 인간 만능줄기세포에 도입하여, 신경발달질환을 일으키는 세포/분자 수준의 병리를 연구하고자 합니다. 그리고 이렇게 확립된 인간 만능줄기세포주들 로부터 뇌 오가노이드를 분화시켜 3차원 구조상의 뇌 발달 상의 이상을 찾아볼 계획입니다 (그림 3).
Methylated RNA의 존재는 40여년 전부터 알려져 있었지만, mRNA에 일어나는 공유 변이들이 mRNA의 기능과 운명에 영향을 준다는 사실은 최근에 와서야 밝혀지고, 후성전사체학이라는 학문으로 연구가 시작되게 되었습니다. m6A RNA 메틸공유변이는 RNA에 일어나는 공유변이들 중 가장 흔한 것이지만 신경계에서의 기능은 분명하지 않았습니다. 따라서 m6A 공유 변이를 mRNA에 붙여주는 enzyme인 Mettl14의 신경줄기세포 특이적 조건부 유전자 결손 생쥐를 이용하여 신경발달에 관여하는 m6A 공유변이의 역할을 연구 하였습니다. 흥미롭게도 m6A 공유변이를 제거한 생쥐의 대뇌에서는 신경줄기세포의 발달 단계가 느려지고 신경줄기세포가 만들어내는 자손세포들의 운명 전환이 제대로 일어나지 않는다는 사실을 밝혀 내었습니다. 또한 신경줄기세포의 세포주기의 지연과 세포운동의 속도도 느려진다는 사실을 알게 되었습니다. 정상 생쥐와 Mettl14 유전자 결손 생쥐의 대뇌의 전사체를 RNA-seq으로 분석해 본 결과 m6A 공유변이를 가지고 있는 mRNA들의 lifespan이 크게 늘어나 있는 것을 알 수 있었습니다. 이러한 결과는 신경줄기세포의 전사체에서 특정 mRNA들이 m6A 공유변이에 의해 선택적으로 빨리 분해되어 신경줄기세포의 발달 과정에서의 적절한 분화 단계 조절이 가능하게 되었다는 것을 의미합니다. 이러한 발견은 그 동안 간과 되어왔던 발생 과정에서 일어나는 후성 전사체 변화에 의한 RNA 조절 과정의 중요성을 처음으로 밝혀낸 것입니다. 또한 이 연구에서는 인간 태아의 대뇌와 인간 대뇌 오가노이드를 이용하여, 처음으로 m6A 공유변이의 landscape을 mapping 하였습니다. 그 결과 인간 특이적 m6A 공유변이가 인간 정신질환에 관련한 유전자에 집중되어 있다는 것을 알아 내었으며, 후성전자체의 조절이 인간 정신질환의 발달에 관련이 있을 것을 시사합니다. 이 연구는 그 중요성을 인정받아 Nature와 Neuron 지에 그 내용과 의의가 소개되었습니다.
Zika virus는 신경줄기세포를 선택적으로 감염시켜 세포 증식을 방해함으로써 소두증 (microcephaly)를 일으킵니다. 하지만 Zika virus가 만들어내는 단백질들이 host 신경줄기세포에 어떤 방식으로 영향을 미쳐 신경발달에 문제를 일으키는지에 대해서는 잘 알려지지 않았습니다. 이를 알아내기 위해서, Zika virus가 만들어내는 모든 종류의 단백질들을 생쥐의 배아의 대뇌에 in vivo 발현시켜서 신경줄기세포의 성질에 가져오는 변화를 스크리닝 하였습니다. 그 결과, Zika virus가 만드는 NS2A라고 하는 특정 단백질이 신경줄기세포의 세포 증식과 분화에 이상을 가져오는 것을 찾아내었고, 단백질 array를 이용한 대규모 단백질 상호작용 스크리닝을 통해, 이러한 현상이 신경줄기세포가 발현하는 adherens junction을 구성하는 단백질들과의 상호작용에서 일어난다는 분자적 기전을 밝혀 내었습니다. 또한 인간 유도만능줄기세포를 이용한 대뇌 오가노이드에 NS2A 단백질을 발현시켜, Zika virus가 인간의 신경줄기세포의 세포 증식을 방해하고 조기 분화를 유도하는 필수적인 방식을 찾아내었습니다. 이 연구는 Zika virus가 소두증을 일으키는데 있어서 중요한 기존에 알려지지 않았던 새로운 분자 기작을 규명하였을 뿐만 아니라, 소두증 유발에 중요한 인자를 찾아냄으로써 향후 Zika virus에 의한 소두증 치료에 중요한 단서를 제시합니다.
이와 같이 저희 실험실에서는, 유전자 조작 생쥐 모델과 인간 만능줄기세포로부터 만들어낸 뇌 오가노이드 모델을 사용하여, 뇌 발달에 작용하는 새로운 유전자 발현 조절 기전을 규명하고, 인간 신경발달질환을 일으키는 분자적 병리 기전에 대한 이해를 도모하고자 합니다.
Roundtree, I. A., Evans, M. E., Pan, T. & He, C. Dynamic RNA Modifications in Gene Expression Regulation. Cell 169, 1187-1200 (2017).
Yoon, K.-J. et al. Temporal Control of Mammalian Cortical Neurogenesis by m 6 A Methylation. Cell 1-31 (2017). doi:10.1016/j.cell.2017.09.003
Lui, J. H., Hansen, D. V., & Kriegstein, A. R. (2011). Development and evolution of the human neocortex. Cell, 146(1), 18-36. https://doi.org/10.1016/j.cell.2011.06.030
Houston, I., Peter, C. J., Mitchell, A., Straubhaar, J., Rogaev, E., & Akbarian, S. (2012). Epigenetics in the Human Brain. Neuropsychopharmacology : Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology, 38(1), 183-197. https://doi.org/10.1038/npp.2012.78
Qian, X. et al. Brain-Region-Specific Organoids Using Mini-bioreactors for Modeling ZIKV Exposure. Cell 1-39 (2016). doi:10.1016/j.cell.2016.04.032
Yoon, K.-J. et al. Temporal Control of Mammalian Cortical Neurogenesis by m 6 A Methylation. Cell 1-31 (2017). doi:10.1016/j.cell.2017.09.003
Yoon, K.-J. et al. Zika-Virus-Encoded NS2A Disrupts Mammalian Cortical Neurogenesis by Degrading Adherens Junction Proteins. Cell Stem Cell 1-26 (2017). doi:10.1016/j.stem.2017.07.014
POSTECH, 이학사
POSTECH, 이학박사
서울대학교, 박사후 연구원
Johns Hopkins University, 박사후 연구원
University of Pennsylvania, 박사후 연구원
KAIST 생명과학과, 조교수
