“ 신경세포의 다양성, 기능적 분화 작용하는 분자신호 및 유전자 발현조절기전을
분자세포생물/유전모델/생명정보학적 분석기법 으로 연구”
인간의 뇌는 약 천억 개 이상의 신경세포로 구성되어 있으며, 각각의 세포는 특화된 기능을 수행하는 동시에 시냅스 기반의 고차원적 연결망을 통해 통합된 신경회로를 형성한다. 이러한 정교한 신경계는 대부분 임신기간 동안 발생단계에서 구축되며, 신경관 형성(neurulation)을 시작으로 신경세포 생성(neurogenesis), 위치 특이적 이동(migration), 축삭 및 수상돌기 발달(axon/dendrite development), 시냅스 형성(synaptogenesis), 세포 사멸(apoptosis), 시냅스 정제(synaptic pruning), 신경교세포 생성 및 수초화(gliogenesis and myelination) 등의 연속적이고 시공간적으로 정렬된 생물학적 과정을 거쳐 완성된다. 이 시기, 신경전구세포는 위치 특이적인 형태발생 신호(Hox, Shh, Wnt 등)에 반응하여 고유의 세포운명을 획득하며, 이는 대뇌(cortex) 내 기능적 영역 특이성을 결정짓는 결정적 기반이 된다.
신경네트워크 및 전사체 연구실(Neural Network and Transcriptomics Laboratory)은 이러한 발생 과정에서 신경세포의 유형 특이적 분화와 기능적 정체성을 결정짓는 유전자 조절 네트워크를 이해하고자, 전사인자 간 상호작용, 후성유전적 조절기전, 전사 프로그램의 변화를 중심으로 분자생물학, 세포생물학, 생화학, 유전학 등의 방법론을 통합하여 연구를 수행한다. 특히, 단세포 전사체 분석(scRNA-seq), 후성유전체 분석(ATAC-seq, ChIP-seq 등), 단백체 및 대사체 분석 등 첨단 오믹스 기술과 데이터 사이언스 분석을 기반으로, 발달 중 신경세포의 계통추적(lineage tracing), 세포군 특이적 유전자 발현 조절, 그리고 세포 간 신경회로 작동원리를 파악하고, 궁극적으로 소아 난치성 희귀질환, 자폐 스펙트럼 장애와 같은 발달 이상 및 기능 변화를 다층적 수준에서 규명하고자 한다.
초기 신경 발생 과정 동안 척수 내에는 다양한 종류의 신경세포가 생성되고 회로를 형성한다.척수 내에 존재하는 운동신경 전구세포는 부위별 다양한 조합의 전사인자를 발현하여 다양한 종류의 운동신경의 생성 및 분화가 촉진된다. 이들 운동신경은 각각의 표적 근육에 축삭 돌기를 타겟팅하여 신경근접합부를 형성하고, 근시냅스 말단에서 신경전달물질인 아세틸콜린을분비하여 골격근의 수축을 촉진하여 우리 몸의 움직임을 조절한다.
본 실험실은 운동신경의 생성과 분화 과정에서 유전자 발현 및 조절 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 다양한 운동신경의 아이덴티티와 동작 제어 원리를 연구한다.특히, 세포수준의 전사체(transcriptomics) 및 유전체(genomics) 분석을 통해 운동신경 분화에 관여하는 핵심 전사인자와 유전자 조절 네트워크를 체계적으로 규명한다. 또한, 다양한 시기의 운동신경 생성 및 분화 과정, 신경근접합부(NMJ)의 형성과정과 더불어, 여러 유전자 결핍 동물 모델을 활용하여 운동 기능의 이상을 행동학적으로 평가함으로써, 운동신경 특이적 전사인자의 기능과 그에 따른 동작 제어 메커니즘을 심도 있게 연구한다.
감각신경은 온도, 통증, 촉각, 자기수용감각 등의 다양한 외부의 변화를 받아들여 신경계에 전달하는 역할을 수행한다. 감각신경이 우리 몸에서 제대로 기능을 하지 못하는 경우, 통각과민증과 같은 감각과잉이나 통증 무감각증과 같은 감각저하 등의 감각 이상이 발생한다. 본 실험실에서는 이러한 다양한 감각을 담당하는 감각신경의 생성 및 분화에 관여하는 기작을 유전적인 레벨에서 연구하고, 감각신경이 적절한 타겟으로 연결되어 기능을 수행할 수 있는 연결성 연구, 이러한 기작들에 문제가 생겼을 때 유발되는 감각 이상 증상 등을 연구한다.
본 실험실에서는 많은 감각신경의 마커들을 사용하여, 자기수용 감각신경, 촉각 감각신경, 통각 감각 신경 등의 발생 및 분화가 정상적으로 이루어지는지 조직 레벨에서 확인한다. 또한, 양방향으로 축삭을 뻗어가는 감각신경의 특성을 중심으로, 감각신경이 척수와 타겟 조직으로 정확히 연결되는지 확인한다. 그리고, 감각신경의 다양성과 기능 수행에 관여하는 중요한 유전자들을 찾기 위해 단일세포에서의 RNA-seq을 수행하고 분석하여 유전적인 조절 기작을 확인한다. 더 나아가, 다양한 감각 기능을 확인할 수 있는 행동실험을 수행하여, 실제로 감각 이상이 유발되는지 확인하는 실험을 수행할 수 있다. .
미진단 희귀질환환자의 80%가 유전되며, 소아 신경계 환자 비중이 높습니다. 본 연구진은 임상 공동연구를 통해 환자 유전자 변이 데이터 분석을 통한 후보질환 유전자를 특정하고, 관련된 유전자 기능분석을 세포주와 동물모델을 대상으로 수행한다.
본 실험실은 Gene X 유전자의 돌연변이가 신경 세포의 골격 구조와 filopodia 형성에 미치는 영향을 분석한다. phalloidin 염색을 통해 특정 돌연변이와 도메인 삭제가 세포 골격 이상 및 filopodia구조의 변화를 유발하는 것을 확인하며, 이를 통해 Gene X 돌연변이의 병리적 메커니즘을 심층적으로 이해한다. 닭 배아 모델을 활용하여 in ovo electroporation 실험을 통해 Gene X 유전자의 기능을 생체 수준에서 평가한다. Sox2 및 Pax7 발현을 통해 전구 세포의 변화를 분석하며, Isl1 및 Foxp1 발현을 통해 운동 뉴런의 분화 과정을 관찰한다. 이 연구는 Gene X 유전자가 신경 전구 세포와 운동 뉴런 분화에 미치는 영향과 기능적 중요성을 입증한다.
신경계는 수많은 세포 유형들이 정교하게 분화되고 상호작용하며 형성되는 복잡한 조직이다. 특히, 이 과정에서 세포의 계보, 유전자 발현, 그리고 전사 조절 메커니즘은 시공간적으로 정밀하게 조절된다. 최근 단일세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq) 기술의 발전은 이러한 복잡한 신경세포들의 이질성과 발달 경로를 세포 수준에서 해석할 수 있는 가능성을 열었다. 또한, 유전체 빅데이터와 in silico 분석 기술을 통해 신경계 발달과 기능을 조절하는 cis- 및 trans-조절 요소의 기능을 규명하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.
본 연구실은 신경계를 대상으로 in silico 기반의 유전체 빅데이터 생성 및 분석을 수행하며, 이를 통해 단일세포 수준에서 신경세포 계보를 구성하고, 전사인자와 enhancer 등 조절 요소의 기능을 규명하고자 한다. scRNA-seq 분석을 통해 신경세포의 다양한 하위 집단을 정의하고, UMAP 기반 클러스터링을 통해 이질성과 발달 단계별 유전자 발현 패턴을 시각화하여 분석한다. 나아가 닭 배아 모델을 활용한 유전자 발현 실험을 통해 특정 유전자의 전사 조절 메커니즘을 규명한다. 플라스미드 DNA 주입 및 전기자극 후, cryosection 및 면역염색(immunostaining)을 통해 발현 위치를 확인함으로써 조절 요소가 신경 발생에 미치는 영향을 시공간적으로 분석하고 있다. 이러한 다각적 접근을 통해 신경계 발달과 관련 질환의 유전적 기전을 통합적으로 이해하는 것이 본 연구실의 핵심 목표이다.
