국내 연구진, 빛만 비춰도 유전자 발현 조절하는 효소 개발

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 살아있는 생쥐의 머리에 빛만 비춰도 생쥐 뇌 유전자 발현을 제어할 수 있는 시스템을 개발했다. 매우 약한 빛에도 반응하도록 유전자 재조합 효소를 설계해 원하는 위치와 타이밍에 효소를 활성화시킬 수 있어 향후 다양한 뇌 영역 탐구에 널리 활용할 전망이다.

광활성 Flp 단백질(PA-Flp 단백질)의 활용. 그림 a처럼 광활성 Flp 단백질(PA-Flp 단백질)은 비활성 상태에서 분리돼 있다가 빛에 의해 결합되고 활성화되도록 설계됐다. 표지자 형광 단백질이(GFP reporter) 붙어 있어 발현 정도도 파악할 수 있다. 연구진은 PA-Flp 단백질을 전달체인 AAV 바이러스를 이용해 8주된 생쥐의 뇌 해마에 주입했다. 이후 그림 b처럼 청색광 LED를 직접 생쥐 머리에 비추자 해마에 발현된 PA-Flp 단백질이(그림c 붉은색) 활성화되고 빛으로 활성화된 PA-Flp 단백질에 의해 발현된 유전자를 현미경으로 관찰할 수 있었다. 연구진은 빛의 세기와 노출되는 시간에 따라 발현되는 유전자를 관찰하는데 성공했다.(그래픽=IBS)

기초과학연구원(IBS)은 인지 및 사회성 연구단의 허원도 교수 연구팀(KAIST 생명과학과)이 개발한 ‘Flp 유전자 재조합 효소’가 빛에 민감하게 반응해 활성화됐다고 18일 밝혔다. 수술이 아닌 발광다이오드(LED) 빛을 쏘는 비침습성(non-invasive) 방식만으로도 유전자의 발현을 유도할 수 있어 물리적·화학적 손상에 의한 부작용도 최소화할 수 있다.

Flp 유전자 재조합 효소는 말 그대로 유전자를 자르고 재조합하는 기능을 지녀 유전자 형질 전환 실험모델을 만드는 등 다방면으로 활용돼 왔다. 광유전학 기술에 응용하려는 시도가 있었으나 빛 없이도 스스로 조립(auto-assembly)돼버려 제어가 어려웠다. 뇌 속으로 빛을 직접 전달하려면 광섬유를 집어넣는 수술 과정도 필요했다.

IBS 연구진이 개발한 광활성 Flp 유전자 재조합 효소(이하 PA-Flp 단백질)는 비활성화 상태에서도 빛을 받으면 결합되면서 활성화된다. 연구진은 단백질 공학을 통해 기존에는 잘 알려져 있지 않던 Flp 재조합 효소를 활성화시키는 위치를 찾는 힌트를 얻어 PA-Flp 단백질을 설계했다. PA-Flp 단백질의 발현정도는 적색 형광단백질을 붙여 쉽게 알아볼 수 있도록 만들었다.

PA-Flp 단백질은 매우 적은 양으로도 반응하는 민감도를 지녔다. 연구진은 기억을 관장하는 쥐의 뇌 해마 부위에 PA-Flp 단백질을 넣은 뒤 약 30초 동안 LED를 머리 부분에 비추는 실험을 진행했다. 그 결과 생쥐 뇌의 깊은 조직 영역에 도달하는 매우 적은 양의 빛으로도 PA-Flp 단백질이 활성화된 것을 확인했다. 생쥐에게 쏜 빛은 실생활에서 사용하는 휴대폰의 손전등 혹은 발표 시 이용하는 레이저 포인터 정도의 세기다. 연구진은 물리적 손상을 전혀 일으키지 않는 비침습성 방식으로도 유전자 발현을 조절하는데 성공한 것이다.

또 연구진은 신희섭 단장이 이끄는 사회성 뇌과학 그룹과 공동 연구를 통해 행동을 재현하고 검증하는 실험에 나섰다. 해마보다 더 깊숙한 곳에 위치한 내측 중격(기억의 중추 역할을 담당하는 해마와 연결된 부위)에는 칼슘 채널이 존재하는데 이 칼슘 채널의 발현이 억제되면 물체를 탐색하는 능력이 증가한다는 기존의 연구에 착안해 실험을 설계했다. 연구진은 내측 중격에 PA-Flp 단백질을 도입하고 LED 빛을 쏘자 칼슘 채널의 발현이 억제됨을 확인했다. 실제 PA-Flp 단백질이 활성화된 실험군은 물체를 탐색하는 능력이 대조군에 비해 훨씬 커져 물체 주변으로 더 많은 움직임을 기록했다.

이번 연구는 빛으로 원하는 타이밍에 유전자를 자르고 재조합하는 효소를 개발해 향후 광유전학에 응용가치가 클 것으로 기대된다. 특정 유전자가 변형된 실험모델을 제작하는데 오랜 시일과 연구비가 투입되는데 비해 이 기술을 활용하면 빛만 쏘는 방식으로도 원하는 유전자를 쉽고 빠르게 조절할 수 있기 때문이다. 아울러 광섬유를 심는 별도의 수술 없이도 연구자가 사용하기 간편하고 비용도 저렴하다.

이번 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 이날 오후 7시에 게재됐다.