지도를 개발한 연구자들에 따르면 이 지도는 중추신경계(CNS)에서 언제 어디서 특정 유전자의 스윗치를 넣을지 알 수 있다고 한다.
또한 이러한 단서를 이용하여 신경발생을 조정하는 분자 기구를 연구하여 뇌 및 척수의 기능적 회로를 만들 수 있다.
유전자 발현 신경계 아틀라스(Gene Expression Nervous System Atlas；GENSAT) BAC 유전자 조작 프로젝트의 전체 데이터는 온라인상 http://www. gensat.org/에 공개돼 있다.
발현 유전자 형광 표식
프로젝트 리더인 하워드휴즈의학연구소(HHMI) 연구원이자 록펠러대학(뉴욕) Nathaniel Heintz 박사 및 Mary E. Hatten 박사에 의하면, 이 프로젝트의 데이터는 신경 질환을 해명하는데 큰 도움이 될 것이라고 한다.
박사팀은 이 프로젝트의 최초 결과를 Nature(2003; 425: 917-925)에 발표한 바 있다. 이 프로젝트는 HHMI 연구원인 뉴욕대학 Alexandra Joyner 박사 외에 테네시주립 이스트 테네시대학, 로즈웰파크암연구소, 미국립신경질환·뇌졸중연구소(NINDS) 과학자들과 공동연구로 진행 중이다.
Heintz 박사팀은 유전자 발현을 추적하기 위해 CNS에서 나타나는 단일 유전자에 해당하는 마우스 염색체 segment(스위치를 온·오프하는 시기 및 장소를 결정하는 조절 segment도 포함)를 가지는 세균 인공 염색체(BAC)를 개발했다.
박사팀은 BAC에 마우스 유전자를 삽입하고 동시에 녹색 형광 단백질을 발현하는 유전자도 삽입했다.
BAC를 CNS 세포에 도입하면, BAC에 포함되는 유전자의 스위치가 켜질 경우 세포가 녹색의 형광을 나타내게 된다. 또, 원래(내인성)의 유전자는 방해되지 않기 때문에 표식 세포는 정상적으로 생존할 수 있다.
GENSAT BAC 유전자 조작 프로젝트에서는 표식세포에서의 유전자 발현을 표현하는 마이크로그래픽 화상의 지도, BAC의 라이브러리, BAC를 포함한 유전자변환 마우스를 이용할 수 있다.
지금까지 박사팀은 이 기술을 이용하여 CNS에서 발현되는 약 400개의 유전자에 대한 데이터를 수집했으며 데이터베이스는 연간 수백개 유전자의 비율로 증가할 것으로 기대하고 있다.
박사는 “이 프로젝트는 세포 수준의 유전자발현 지도를 제공하는 것으로써, 연구자들은 소정의 유전자를 발현하는 새로운 세포의 집단 및 부분 집단을 가시화시켜 특징을 밝혀낼 수 있다. 이 정보로부터 몇천가지나 되는 세포로 구성되는 뇌 속에서 어떤 유전자가 발현하는 장소 및 시기에 근거하여 그 유전자의 기능에 대해서 매우 정확한 가설을 세울 수 있게 된다”고 말했다.
유전자변환 마우스도 제공
또 이 프로젝트는 신경과학자에 실험 재료를 제공한다는 점에서도 특징을 갖고 있다.
Heintz 박사는 “우리가 개발 중인 BAC 벡터의 라이브러리는 뇌속의 주된 세포종이면 어떠한 것이라도 특정·이용할 수 있다. 유전자변환 마우스 자체도 목적인 특정 생체세포가 형광표식돼 있기때문에 이것들을 화상화, 분리, 전기 생리학적으로 기록할 수 있다.
정확하게 표식된 세포 집단을 가지는 마우스의 이용을 통해 세포생리학이나 세포 접속을 연구하는 신경생물학의 분야 전체가 자극받을 것이다”고 보고 있다.
프로젝트용 유전자변환 마우스 생산 담당연구팀을 이끄는 Joyner 박사는 “뇌의 특정 영역을 연구하는 우리 연구자들은 이러한 마우스를 이용하여 어느 유전자가 그 영역에서 발현하고 있는지를 알 수 있다. 그리고 다른 세포 부분 집단에서 다른 유전자가 발현하는 등 새로운 발현 패턴이 발견되면, 이러한 영역이 생각처럼 균일하지 않을지도 모른다. 이것은 예측하지 않은 새로운 생물학적 현상이 진행하고 있음을 의미한다. 따라서 이러한 마우스는 향후 연구에서 귀중한 수단이 될 것이다”고 말했다.
신경 질환의 기전 해명에
Nature의 논문에서 연구자들은 이 지도의 편리성을 나타내기 위해 각종의 CNS 유전자에 관한 데이터를 발표했다.
이들 유전자에는 CNS 세포의 특정 부분 집단의 위치 및 발생을 밝히는 蹈瓦 마커辣 코드하는 유전자, 배(杯) 발생 중에 신경 회로의 접속을 규정하는 유도분자를 코드하는 유전자, 뇌·척수 발생 중의 신경세포 이동을 추적할 수 있는 분자를 코드하는 유전자 등이 포함돼 있다.
Heintz 박사팀은 지도 데이터를 통해 연구자가 뇌속의 각 회로를 조작할 수 있게 되거나 신경회로의 기능 분석이 향상될 것으로 기대하고 있다.
박사는 “매우 특이적인 회로를 형성·이용하여 신경계가 작용하고 있다는 사실은 잘 알려져 있다. 경우에 따라서는, 이러한 회로가 세포 수준에서 상세히 해명돼 있기때문에 연구자들은 뇌의 어떤 뉴런이 특정 행동을 조절하는 회로에 실제로 관여하는지를 알 수 있다. 먼 미래의 이야기처럼 들리겠지만, 유전적 방법을 이용하여 뉴런의 전기적 활동을 조절하려는 연구도 진행 중이다. GENSAT 프로젝트에 의해 이러한 전략이 회로내의 특정 세포로 타겟범위를 좁혀, 그 회로가 어떻게 작동하고 행동을 조절하는지를 이해할 수 있게 될 것이다”고 말했다.
박사는 “신경 질환을 연구하는 연구자는 이 지도를 통해 이러한 질환의 근저에 있는 분자 기전 및 신경 회로를 분석할 수 있게 될 것이다. 지금 헌팅턴병 등 여러 신경변성 질환의 모델 마우스가 있는데 이것들은 사람에서 관찰되는 증상을 상당히 정확하게 재현하고 있다. 그러나 대부분은 원래 병인이 어디에 있는지, 즉 어느 세포가 질환에 주로 관여하는지를 모른다. 이 지도에서 제공되는 데이터를 이용하면, 사람 질환의 원인이 되는 변이단백질을 질환과 관련하는 각 세포종에서 발현시켜, 그 변이 유전자 산물을 통해 주로 영향을 받는 세포를 찾아낼 수 있다. 이러한 연구를 통해 비침습적으로 뇌의 변성 기전이 해명될 것”이라고 기대를 걸고 있다.