고차원적인 사고와 기능을 수행하는 인간의 뇌에는 천억 개 이상의 신경세포가 존재한다. 각각의 신경 세포는 고유의 기능을 수행하기 위해 특화된 반면, 시냅스라는 신경간 연결회로를 통해 전체 신경계를 구성한다. 이러한 신경세포가 탄생하고 기능적 단위로 분화되는 과정은 출생 전 발생단계에 대부분 이루어진다.
신경발생 및 기능 연구실은 신경세포의 다양성 및 세분화, 기능적 분화 에 작용하는 전사인자 간 상호 작용 및 전사 메커니즘, 유전자의 발현조절을 분자생물학, 세포생물학, 생화학, 유전학적 분석기법을 적용하여 연구한다.
Wholemount GFP-labeling
Immunohisto-chemistry
Primary neuronal culture
Neuronal explant culture
Sensory N.terminal
MN synapse in diaphragm
In ovo electroporation
In utero electroporation
배아신경줄기세포는 성체신경계를 구성하는 모든 신경세포를 제공하는 무한한 잠재력을 지닌 세포 군으로 시기 및 부위에 따라 다른 종류의 신경세포를 생성한다. 대뇌피질 각 층을 구성하는 신경세포들이 순차적으로 형성되며, 이후 글리아세포가 생성된다. 배아신경줄기세포는 신경계 발생이 진행됨에 따라 다양한 포텐셜을 지닌 신경전구체들로 대치되며, 이들은 주변신호와 유전자발현 등을 통해 특화된 신규 뉴런을 생성한다. 예를 들어 방사성 신경교세포 (radial glia)는 길다란 방사성 돌기를 지닌 신경줄기세포로 세포분열을 통해 뉴런을 생성하고 방사성돌기를 따라 이동시키는 역할을 수행한다.
STAT3 활성 증가시 배양된 브레인 슬라이스에서 생성된 신경교세포의 모습
신경세포는 신경줄기세포로 부터 분화되어 자신의 고유한 위치로 이동(neuronal migration)하여 축삭(axon)과 수상돌기(dendrite)를 뻗음으로(axon guidance) 신경연접(synapse)를 형성하고 고유의 신호전달 체계를 구축한다. 세포의 이동과 축삭의 성장에는 많은 guidance molecules이 존재하며, 각각의 신호는 이동과 정지, 방향성을 조절함으로 neural network을 형성을 유도한다. 축삭의 이동과 신경연접의 형성의 연구는 신경망 형성과정의 원리를 이해하고 신경 재생 유도 연구에 중요한 토대가 될 것이다.
발생과정 중 대뇌의 신경세포는 생성된 순서에 따라 아래에서 위로 layer를 형성하며 이동한다. 자궁 내 전기천공법을 통한 쥐의 배아 대뇌에 GFP 유전자를 발현하게 되면 발현시기에 따른 신경세포의 위치를 추적할 수 있다.
발생과정 중 운동신경 및 감각신경은 목표 조직을 향해 축삭을 발달시킨다. 운동신경 특이적 형광마우스를 활용하여 운동신경을 표지하고 (녹색) neurofilament 항체염색 (빨간색)을 통해 감각신경을 추적할 수 있다.
신경교세포는 중추신경계의 조직을 지지하는 세포로 뇌와 척수의 내부에서 신경세포에 필요한 물질을 공급하고 신경세포의 활동에 적합한 화학적 환경을 조성한다. 특히 성상교세포(astrocyte)는 시냅스의 기능 조절 및 항상성 유지에 작용할 뿐 아니라, 뇌손상 및 감염 등 병적 상황에서 비정상적인 증식현상(reactive gliosis)과 흉터조직(Glial scar)을 형성하여 신경질환을 조절한다. 따라서 gliar scar의 형성과정에 대한 이해는 신경질환의 완화 및 신경재생시도에 기여할 것이다.
FGF signaling에 의한 성상교세포 상처회복 모습
GFP 바이러스로 표지된 마우스 대뇌 성상세포의 모습. FGF 수용체 활성을 중가한 결과 비정상적 증식 양상을 보인다.
신경 전구체(neural progenitor)는 다양한 조합의 전사인자로부터 서로 다른 종류의 신경세포를 생성함으로 신경세포의 특화(specification) 및 분화(differentiation)를 조절한다. 특히, 전사 촉진 DNA (Enhancer)는 인접한 유전자의 전사를 촉진하는 DNA의 조절 영역으로, 유전자의 발현시기나 조직 특이성을 결정하거나 자극에 의한 유도 등에 관여하며, 이러한 전사 촉진 DNA와 다양한 조합의 전사인자를 통해서 신경 전구세포는 더욱 세밀하고 정확한 신경세포 형성을 유도할 수 있다.
광유전학은 빛에 민감한 단백질 유전자를 실험동물의 신경세포에 삽입해 빛의 파장에 따라 신경 세포의 활성을 조절하여 생리학을 적용한 전기 자극보다 좀 더 정교한 방법으로 신경 세포들을 조절 하는 방법으로 2005년 미국 스탠포드대 칼 다이서로스(Karl Deisseroth) 연구팀에 의해 개발되었다. 특히 light-ON system은 Neurospora crassa에서 유래된 photoreceptor인 Vivid protein을 사용하여 빛으로 유전자의 발현을 조절이 가능하다 (Xue Wang, Xianjun Chen & Yi Yang, nature methods, 2012). 본 연구실은 광유전학적 기법으로 신경세포의 유전자 발현을 정교하게 조절하고 이를 통한 신경세포의 분화와 기능을 연구한다.
