줄기 세포와 뇌 오르가노이드로 인간 두뇌발달 매핑
과학자들이 만능 줄기 세포를 활용해 인간 두뇌의 발달을 일부 매핑하는 데 성공했다.
줄기 세포가 올바른 자극을 받는다면 연구자는 뉴런을 포함하여 신체에 존재하는 모든 종류의 세포가 되도록 프로그래밍할 수 있습니다. 줄기 세포가 작은 조직으로 응집된 다음 적절한 자극에 노출되면 복잡한 조직 구조를 가진 3차원 뇌 오르가노이드를 자체 조직하고 형성할 수도 있다.
Nature 저널에 발표된 새로운 연구에서 스위스 바젤의 ETH 생물 시스템 과학 및 공학부 Barbara Treutlein 교수 연구 그룹은 뇌 오르가노이드 내의 수천 개의 개별 세포를 연구했다. 그들의 목표는 분자-유전적 용어로 세포를 특성화하는 것이었다. 즉, 유전자 발현의 척도로서 모든 유전자 전사체(전사체)의 총체뿐만 아니라 조절 활동의 척도로서 게놈의 접근성도 의미한다. 그들은 이 데이터를 오르가노이드 내의 각 세포의 분자 지문을 보여주는 일종의 지도로 표현하는 데 성공했다.
그러나 이 절차는 엄청난 데이터 세트를 생성한다. 오르가노이드의 각 세포에는 2만개의 유전자가 있고 각 오르가노이드는 차례로 수천 개의 세포로 구성된다. Treutlein 그룹의 박사 과정 학생이자 이 연구의 공동 저자 중 한 명인 Jonas Fleck은 “이는 거대한 매트릭스를 생성하며 우리가 이를 해결할 수 있는 유일한 방법은 적절한 프로그램과 기계 학습의 도움을 받는 것”이라고 설명했다.
이 모든 데이터를 분석하고 유전자 조절 메커니즘을 예측하기 위해 연구자들은 자체 프로그램을 개발했다. Fleck은 “우리는 그것을 사용하여 각 개별 유전자에 대한 전체 상호작용 네트워크를 생성하고 해당 유전자가 실패할 때 실제 세포에서 어떤 일이 일어날지 예측할 수 있다”고 말했다.
이 연구의 목적은 뇌 오르가노이드의 다른 영역에서 뉴런의 발달에 중요한 영향을 미치는 유전적 스위치를 체계적으로 식별하는 것이었다.
CRISPR-Cas9 시스템의 도움으로 ETH 연구원들은 각 세포에서 하나의 유전자를 선택적으로 차단했으며 전체 오르가노이드에서 동시에 약 24개의 유전자를 차단했다. 이를 통해 각 유전자가 뇌 오르가노이드의 발달에 어떤 역할을 하는지 알아낼 수 있었다.
또다른 공동 연구자인 Sophie Jansen 박사과정 학생은 “이 기술은 질병과 관련된 유전자를 스크리닝하는 데 사용할 수 있다. 또한 우리는 이러한 유전자가 오르가노이드 내의 다양한 세포가 발달하는 방식에 미치는 영향을 볼 수 있다”고 설명했다.
전뇌의 패턴 형성 확인
그들의 이론을 테스트하기 위해 연구자들은 GLI3 유전자를 예로 선택했다. 이 유전자는 다른 유전자를 조절하기 위해 DNA의 특정 부위에 도킹하는 단백질인 같은 이름의 전사 인자에 대한 청사진이다. GLI3가 꺼지면 세포 기계가 이 유전자를 읽고 RNA 분자로 전사하는 것이 방지된다.
생쥐에서 GLI3 유전자의 돌연변이는 중추 신경계의 기형을 유발할 수 있다. 인간의 신경 발달에서 그것의 역할은 이전에 탐구되지 않았지만, 유전자의 돌연변이가 그리그 두부다합지증 및 팔리스터 홀 증후군과 같은 질병을 유발하는 것으로 알려져 있다.
이 GLI3 유전자를 억제함으로써 연구자들은 이론적인 예측을 검증하고 이 유전자의 손실이 뇌 오르가노이드의 추가 발달에 어떻게 영향을 미치는지 세포 배양에서 직접 결정할 수 있었다.
Treutlein은 “이 연구의 흥미로운 점은 개별 유전자가 수행하는 역할을 가정하기 위해 많은 개별 세포의 게놈 전체 데이터를 사용할 수 있다는 것이다. 페트리 접시로 만든 이러한 모델 시스템이 우리가 생쥐에서 알고 있는 발달 생물학을 실제로 반영한다”고 설명했다.
Treutlein은 또한 배양 배지가 유전자 조절 및 패턴 형성에서 어떻게 형태학적 수준에서뿐만 아니라 인간의 뇌와 유사한 구조를 가진 자가 조직 조직을 생성할 수 있는지에 대 흥미롭게 생각한다.
인간 세포 물질로 이루어진 오르가노이드에 대한 연구는 그 결과를 인간에게 전달할 수 있다는 장점이 있다. 그들은 기본적인 발달 생물학뿐만 아니라 질병이나 발달 뇌 장애에서 유전자의 역할을 연구하는 데 사용할 수 있다.