본 연구팀은 신경생물학을 바탕으로 하여, 세포 내 소기관의 구조와 그 네트워크를 다양한 현미경법을 활용하여 연구하고 있습니다. 특히 전자현미경의 장점을 극대화하여 타 현미경 기술을 통해서는 알 수 없었던 세포 내‧외 구조적 변화를 깊게 연구하고 있는데, 광학현미경과 전자현미경을 병렬로 이용하는 Correlative Light and Electron Microscope를 주요 기법으로 활용하고 있습니다. 연구팀의 연구 목표는 세포소기관의 네트워킹으로부터 뇌질환의 원인과 치료법을 찾아내고자 하는 것입니다.

연구팀이 주로 활용하는 현미경 기법에 대해 좀 더 자세히 소개하겠습니다.

1. Correlative Light and Electron Microscope (CLEM)

광학현미경과 전자현미경의 장점을 동시에 활용하기 위한 현미경 기법인 연계형 현미경법 (CLEM)은, 광학현미경법으로 관심 단백질의 위치를 파악한 후, 미세구조는 전자현미경법으로 파악하는 최신 연구기법입니다 (그림 1). 이 기법을 이용하여 연구팀에서는 세포 간 이동하는 세포소기관 특히 미토콘드리아의 이동경로와, 뇌질환의 원인 단백질 중 한 종류인 알파 시누클레인의 이동경로에 대해서 연구하고 있습니다.

그림 1. 광학현미경을 통해서 관심 단백질의 위치를 파악하고 전자현미경을 이용하여 미세구조를 동시에 관찰할 수 있는 광학 전자 연계형 현미경법 (CLEM)
- 해당 기법으로 관심단백질의 위치와 세포의 미세구조 변화를 같은 세포에서 연구할 수 있음.

2. 대영역 전자현미경 연속이미징 기법

일반적인 투과전자현미경 (TEM)의 경우 미토콘드리아, 시냅스 등의 미세구조 연구에 적합한 해상도로 이미지를 얻기 위해서는 세포 하나를 이미징하기 위해 10장이 넘는 이미지를 접합하여야 세포 전체의 단면을 분석할 수 있습니다. 반면 본 연구팀에서 활용하고 있는 대영역 전자현미경법 (Array Tomography)의 기법을 활용하면 넓은 조직 샘플에서 고해상도로 수십 개의 세포의 네트워킹을 한 이미지 안에서 관찰할 수 있습니다. 본 연구팀에서는 이 기법을 활용하여 미토콘드리아, 리소좀의 기능 저하가 질환의 원인인 환자 세포 유래 역분화 줄기세포를 활용하여 제작한 뇌 오가노이드 내 신경세포와 교세포의 연결성을 연구하고 있습니다.

그림 2. 일반적인 투과전자현미경 이미징 (Conventional TEM) 영역과 광영역 전자현미경 이미징 (Array Tomography 등) 영역의 비교
- 일반적으로 한 세포를 모두 이미징하기 위해서는 16장의 모자이크 이미지가 필요하나 대영역 이미징 기법의 경우 수십 개의 세포 영역을 한 장에 이미징할 수 있음.

그림 3. 대영역 전자현미경 연속이미징 기법을 활용하여 뇌 오가노이드의 미세구조를 이미징하는 과정
- 오가노이드 전체를 절편하여 모자이크 방식으로 이미징하는 방법으로, 전체적인 오가노이드의 세포 연결성을 파악하고 특정 세포 내 미세구조를 분석할 수 있음.

3. Cryo-tomography 기법

의료기기인 CT (Computerized Tomography)에 응용되고 있는 단층촬영 (토모그램) 기법은 시료를 여러 각도에서 촬영한 영상을 이용하여 해상도를 높이고 3차원 영상으로 재구성하기 위한 기법입니다, 본 연구실에서는 초저온 전자현미경을 활용한 토모그램법으로 세포의 단면을 초해상도로 분석하여 미토콘드리아, 리소좀 구조연구에 활용하고 있습니다. 현재 구조생물학 분야에서 초저온 전자현미경은 단백질 구조의 3차원 구조 해석에 널리 활용되고 있지만, 본 연구실에서는 정제된 단백질의 구조 대신, 세포 속에 있는 단백질의 구조 또는 소기관의 구조를 연구하기 위해 Cryo-Tomography 기법을 활용하는 것이 특징적입니다.

그림 4. 초저온 전자현미경 (Cryo-TEM)을 활용한 토모그램법 (Cryo-Tomography)
- 이를 위해서는 Cryo-FIB (초저온 집적이온빔) SEM을 활용하여 동결된 세포를 얇은 층으로 절편하여 Cryo-TEM에 넣어 여러 각도에서 이미징을 시행. 여러 각도의 이미지들을 정렬하여 토모그램을 제작한 후 3차원 구조를 얻어낼 수 있음.

위 세 가지 기법들을 활용하여 연구팀이 중점적으로 연구하고 있는 뇌질환은 미토콘드리아, 리소좀 기능 저하를 원인으로 하는 희귀질환입니다.

최근 치매 등 퇴행성 뇌질환에서 미토콘드리아와 리소좀의 기능저하는 퇴행성 뇌질환의 치료제 개발의 새로운 접근법으로 주목받고 있습니다. 우리 연구실에서는 퇴행성 뇌질환 이외에도 환자의 역분화 줄기세포를 기반으로 뇌의 발달과정에서 각 소기관의 기능을 조절하는 것이 각 질환의 병증 향상에 도움이 되는지 연구하고 있습니다. 특히 미토콘드리아와 리소좀 두 소기관 사이의 컨택에 관심을 두고 있는데, 두 소기관은 세포 내 칼슘의 양을 조절하고 ROS를 조절할 수 있는 세포 소기관으로서 서로의 커뮤니케이션이 세포의 항상성에 중요한 기능을 담당합니다. 연구팀에서는 이 커뮤니케이션을 조절하는 단백질을 동정하고, 이를 조절하여 질환 세포에서 비정상적으로 관찰된 소기관 네트워크 구조 변화가 회복되는지를 연구하고 있습니다.

다른 한편으로는 세포소기관의 품질관리 (Quality Control, QC)를 위한 기작을 연구합니다. 신경세포는 일반적으로 비증식 세포로써, 손상된 미토콘드리아를 분열로 딸세포를 만들어 희석할 수 없기 때문에, 손상된 미토콘드리아를 분해하는 기작이나 타 세포로의 이동 여부는 다양한 뇌질환과 밀접한 연관이 있습니다. 현재 미토콘드리아의 품질관리 (QC) 기작에 대해서는 미토콘드리아 다이나믹스, 미토파지, 미토콘드리아 유래 소체 (mitochondria derived vesicle), 그리고 세포 간 이동 여부 등으로 의견이 다양합니다. 특히 세포 간 이동에 대해서는 세포 사이의 터널링 나노튜브 (Tunneling Nanotube, TNT), 세포외 소포체 (Extracellular Vesicle), 세포 접합 부분을 통한 이동에 대한 각각의 주장들이 있습니다. 본 연구팀에서는 미토콘드리아와 리소좀의 결함이 있는 뇌세포를 대상으로 각 소기관의 위치와 이동, 품질관리 과정을 위에서 설명한 초해상도 전자현미경 기법으로 연구하고 있습니다. 이를 위해서 현재 미토콘드리아 세포 간 이동 모니터링 시스템 개발; 미토콘드리아 세포 간 이동 조절 신규 인자들의 기능 연구; 미토콘드리아 유래 소포 (mitochondria derived vesicles), 미토파지, 그리고 트랜스미토파지 핵심 단백질 조절 인자 선별 연구들을 수행하고 있습니다. 특히 본 연구실의 해당 연구들은 신경세포 분화, 발달과정을 타깃으로 미토콘드리아 기능 항상성 유지 규명에 집중하여, 발달 뇌질환 치료 타깃이 될 가능성을 연구하고 있습니다. 이는 미토콘드리아의 기능과 대사가 프로그램된 신경 발달을 조절하는데 밀접한 관계가 있기 때문입니다.

연구팀에서는 이러한 연구를 통해 각각의 세포소기관 기능 조절에서 나아가 세포소기관 간의 상호작용을 통한 신경세포의 항상성 조절을 기대할 수 있을 것으로 생각하고 있습니다. 신경세포의 항상성 조절은 퇴행성 뇌질환 뿐만 아니라 발달성 뇌질환의 극복에도 도움을 줄 수 있을 것입니다.

주요 연구주제

• 신경세포 소기관에 특이적으로 작용하는 광학 및 전자 현미경 프로브를 개발하여 CLEM 기법의 고도화, Cryo-Tomography와 CLEM의 연계 등
• 생리학적/병리학적 조건에서 비신경세포에서 신경세포로 세포소기관의 이동과 질환 단백질 이동 과정 연구
• 뇌 발달과정 중 미토콘드리아와 리소좀 기능의 역할 규명
• CRISPR/Cas9 시스템을 이용한 유전자 돌연변이 또는 환자 iPSC 세포를 활용한 병리학적 뇌 오가노이드 모델에서 세포소기관 조작을 통한 뇌질환 치료법 및 약품 개발

본 연구팀의 연구주제에 관심을 가지고 열정적으로 함께 연구하실 분을 모십니다. (Lab Head: 문지영 박사 jymun@kbri.re.kr)

*연구팀 홈페이지: http://munlab.kr/

현재 랩(Lab)맴버들을 소개합니다.

강현우 박사, 박유림 박사과정, 강임경 박사과정, 김여진 석사연구원, 정민교 박사,
노슬기 박사과정, 문지영 박사, 이혜은 박사과정, 권선영 박사