바이오인

 
발달 단계에서의 뇌의 조립을 조사
美 국립보건원 3차원 소프트웨어로 꼬마선충 배아의 뇌 발달을 추적

【그림 설명】세포 간의 연결을 추적하는 소프트웨어

그림 A는 형광으로 표지된 세포들을 지닌 알 내에 꼬여진 꼬마선충 배아. 두 번째 그림은 어떻게 컴퓨터 프로그램이 각각의 표지된 세포를 확인하는지를 묘사. 그림 C는 꼬임이 풀린 꼬마선충을 도식화

□ 배아의 발달과 꼬마선충 체내에서 신경세포들의 이동을 추적할 수 있는 새로운 공개 소프트웨어의 개발이 완료

  ㅇ 국립 바이오메디컬 이미징 및 바이오엔지니어링(NIBIB) 및 정보기술 센터(CIT), Memorial Sloan-Kettering 연구소, 예일 대학교, Zhejiang 대학, 코네티컷 대학 의료 센터의 연구자들이 개발

  ㅇ 이 소프트웨어는 12월 3일자 공개 잡지인 eLife에 게재된 논문을 통해 발표

□ 지금까지 생물학자들은 뇌의 이해를 위해 노력해왔지만 아직까지 많은 것이 미지의 영역으로 규명이 필요

  ㅇ 하나의 중요한 도전은 사람 뇌의 수십억 개의 세포로 이루어진 복잡한 신경 구조 형성의 결정

  ㅇ 많은 생물학적인 도전과 함께, 연구자들은 이 문제를 꼬마선충과 같은 보다 단순한 생명체에서 최초로 조사

□ 과학자들이 뇌 형성 과정에서 신경세포들이 길을 어떻게 찾는지를 결정하는 중요한 단백질들을 다수 규명했음에도 불구하고, 이들 단백질들이 생명체 내에서 어떻게 상호작용을 하고 있는지는 거의 알려진 바가 전무

  ㅇ 사람들과의 차별성에도 불구하고 훨씬 단순하고 이해하기 쉽기 때문에 인간의 생리현상 연구에 모델동물들을 많이 활용

  ㅇ 이번 연구에서 연구자들은 겨우 약 302개의 신경세포를 가지고 있고 이 중에서 222개는 배아 상태에서 형성되기 때문에 꼬마선충(C. elegans)를 모델동물로 선택

  ㅇ 이들 신경세포 중에 일부는 꼬마선충의 뇌 역할을 하는 신경세포 고리를 이루고 일부는 사람의 척추와 상당히 유사한 복부 신경 끈을 따라 분포

  ㅇ 꼬마선충은 게다가 파리, 생쥐 또는 사람과 같이 보다 복잡한 생물체에서 뇌 형성을 지시하는데 이용되는 것과 동일한 많은 단백질들의 자기만의 형태들을 보유

좌측 그림) 배아의 모양을 표시하는 표피세포(녹색 점들)와 신경세포(적색 세포)
우측 그림) 어떻게 배아가 접히고 꼬이는 지에 대한 컴퓨터 모델을 만들기 위해서 소프트웨어에 의해 연결된 표피세포들을 표시

□ NIBIB 연구팀 책임자인 Hari Shroff 박사는 왜 그리고 어떻게 신경세포가 형성되는지와 그들의 최종 목적지를 향해 나아가는 경로에 대한 이해는 언젠가  신경발달 과정 중에 어떻게 단백질들과 다른 요소들이 상호작용하는지에 대해 중요한 정보를 제공할 것이라고 언급

  ㅇ 아직까지 단순한 꼬마선충에서조차도 신경발달을 이해하지 못하고 있지만 뇌와 신경 구조의 발달을 유도하는 이들 요소들이 어떻게 작동하는지에 대해 꼬마선충을 단순한 모델로 활용할 예정

  ㅇ 이렇게 해서 얻어지는 지식 중 일부가 사람에게도 적용될 수 있기를 희망한다고 강조

□ 그럼에도 불구하고 꼬마선충의 배아 발달 과정 동안 이동하는 신경세포를 쫒아가는 것은 난해한 과정

  ㅇ 첫 번째 과제는 개별 세포들을 명확하게 보기 위해 필요한 분해능을 가지면서도 너무 강한 광 노출을 통한 꼬마 선충의 손상 없이 이들의 배아발달 과정을 녹화할 수 있는 새로운 현미경의 개발

  ㅇ Shroff 팀은 예일대 Daniel Colon-Ramos와 Sloan-Kettering의 Zhirong Bao와 협력을 통해 꼬마선충의 배아 발달을 관찰할 수 있도록 속도와 해상도를 개선한 새로운 현미경을 개발하여 이 문제를 해결(자세한 내용은 http://www.nibib.nih.gov/news-events/newsroom/new-microscopes-nih-reveal-live-developing-cells-unprecedented-3-d-clarity을 참조)

【그림 설명】 소프트웨어를 이용한 세포 연결들의 추적

컴퓨터 프로그램을 통한 꼬마선충 영상의 꼬임 풀기 과정을 단계별로 설명. 먼저 컴퓨터가 추적할 세포를 확인(그림 D). 이후 컴퓨터는 꼬마선충의 모양을 추적할 격자 형성을 개시(그림 E). 일단 컴퓨터가 격자를 추적하고 나면 꼬마선충 배아의 3차원 모델을 생성 가능(그림 F). 최종적으로 컴퓨터는 모델을 풀어냄(그림 G).

□ 두 번째 문제는 발달 중 시작되는 꼬마선충의 알 내부에서 움직이는 씰룩거림

  ㅇ 접힘과 꼬임은 세포를 추적하고 움직임을 분석하는 것을 방해

    - 예를 들어, 만약 하나의 신경세포가 몇 분 동안의 기간에 걸쳐 움직인다면 이것은 배아가 꼬였기 때문인가 아니면 신경세포가 배아 내에서 위치를 실제로 바꾸었기 때문일까?

  ㅇ 신경세포가 그들의 최종 목적지로 움직이는 기작에 대한 이해는 뇌가 어떻게 형성되는지를 이해하는데 있어서 중요한 요소

    - 하나의 신경세포가 어디로 그리고 어떻게 움직이는지를 모르고서는 결정 불가능

  ㅇ 마지막으로 특히 접혀있는 꼬마선충의 2차원 영상을 보면서 3차원 공간에서 신경세포가 어디에 있는지 결정하는 것도 매우 도전적

□ 이 프로젝트를 이끈 박사후연구원인 Ryan Christensen 박사는 연구내용을 붐비는 강당에 비유

  ㅇ 매우 붐비는 강당에서 모든 사람을 계속해서 추적하려고 하는데 한 번에 한명밖에 볼 수가 없고 강당 자체는 보이지 않는 상황이 꼬마선충의 신경세포들이 서로 어떻게 연결되었는지를 추적하고자 하는 것과 유사하다고 언급

  ㅇ 한 번에 모두를 볼 수 있는 능력이나 적절한 시점에서 개인의 위치를 파악하고 모든 사람의 움직임을 알 수 있도록 강당이 보이도록 만들어야 하는데,

  ㅇ 꼬마선충의 꼬임을 푸는 소프트웨어는 강당을 보이게 만들어 주고 개인(신경세포들)의 위치 확인을 가능하도록 도움

□ 평소에 투명한 꼬마선충의 배아에서 형광 단백질들을 마커로 하여 배아에서 여러 세포들을 빛나게 만든 후 현미경 영상을 프로그램에 입력하면 컴퓨터는 개별 세포들을 확인하고 이 정보들을 활용하여 꼬마선충의 모델을 형성

  ㅇ 꼬마선충 모델과 계산을 통해 꼬임을 풀고 직선화된 영상을 생성

  ㅇ 이 프로그램은 또한 사용자로 하여금 컴퓨터 모델의 정확성을 점검하고 실수 발견 시 수정을 허용

□ 또한, 사용자들은 프로그램으로 추적하고자 하는 꼬마선충 배아 내 세포들이나 구조들을 표지할 수 있어 발달하는 배아에서 움직이고 자람에 따라 변하는 세포의 위치를 추적 가능

  ㅇ 이 기능은 어떻게 특정 세포들이 다른 세포가 아닌 신경세포로 발달하고 어떤 요소들이 뇌와 신경구조의 발달에 영향을 미치는지 이해하는데 도움

□ Shroff와 그의 동료들은 이 기술이 꼬마선충 신경 시스템의 형성과정을 목록화하기 위해 시도하는 꼬마선충 4차원 신경발달 지도를 만드는 프로젝트에서 중심적인 역할을 하게 될 것이라고 언급(www.wormguides.org 참조).

  ㅇ 이 목록은 전체 신경 시스템이 어떻게 발달하는지에 대한 최초의 포괄적인 관점이 될 것이며 Shroff 박사와 그의 동료들은 인간을 포함해서 모든 신경시스템들이 결합하는 핵심적인 기작을 이해하는데 도움이 될 것으로 확신

  ㅇ 그들은 또한 여러 배아들로부터 신경세포 데이터를 결합하기 위해 이용한 접근법과 같은 개발된 개념들이 꼬마선충이외의 추가적인 모델생물에도 적용될 수 있을 것이라 기대

★ 국립 바이오메디컬 이미징 및 바이오엔지니어링 연구소(NIBIB)
 - 의과학 기술들의 개발을 선도하고 응용을 촉진함으로써 건강을 향상시키는 미션을 수행
 - 기초 연구 및 의료를 진전시키기 위해 물리 및 생명과학을 공학과 통합하고자 노력
 - 신생기술 연구 및 개발을 위해 내부 연구, 외부 연구비 지원, 협력연구 및 훈련지원 등을 수행
 - 보다 자세한 정보는 NIBIB 웹싸이트(http://www.nibib.nih.gov)를 참조

★ 미 국립보건원에 대하여 : 미 국립보건원은 국가에서 설립한 의료 연구기관으로 27개 연구소와 센터로 구성. 기초, 임상 및 중개 의료 연구를 지원하는 주요 연방기관이며 질환들의 원인, 대처 및 치료를 연구하고 있음. 보다 많은 정보가 필요한 경우 www.nih.gov를 방문하기 바람

* 출처 : 보도자료(2015년 12월 7일)
        (http://www.nih.gov/news-events/news-releases/researchers-investigate-how-developing-brain-assembled)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.