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2024 Topics

telomere telomerase
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식물은 우주에서 어떻게 자신의 DNA를 지킬까?

어릴적 아폴로 11호의 달 착륙 장면을 보면서 당시 아무것도 모르던 내가 과학자가 되보면 어떨까 하고 꿈 꾸던 생각이 납니다; 나중에 생물학을 전공하면서 "NASA에 취직할 수는 없겠네."하고 잠시 실망(?)했던 기억과 함께 말이죠. 그런데 알고보니 꽤 많은 생물학자들이 NASA에서 일하거나 공동 연구를 하더군요. "과연 생물이 우주에서도 살 수 있을 까?" 하는 의문에 답을 얻는 것이 이들의 연구목표 중 하나인 것은 당연한 것 같습니다. 사람은 오랫동안 우주에 머물면 마치 오래동안 누워지낸 사람처럼 , 심장기능이 약해지고 뼈와 근육도 약해지며, 정신적으로도 감정 조절이 어려워지고, 인지능력 장애, 수면 장애 등이 나타날 수 있다고 합니다. (Clin Neuropsychiatry. 2021 Oct; 18(5): 237–246. doi: 10.36131/cnfioritieditore20210502). 여기에 더하여 사람은 먹고 살아야하기에 먹거리의 대부분을 차지하는 다른 생물들도 과연 우주공간에서 생존과 번식이 가능한지 알아야겠죠. 아래의 글은 생물의 수명과 관계 있다고 알려진 텔로미어가 우주선 비행을 할 경우 어떻게 되는지 알아본 실험을 소개한 것입니다. 생물은 지난 36억년 동안 지구에서 각종 환경 변화에 적응하며 진화해 왔지요. 하지만 산전수전 다 겪은 생물들도 무중력을 경험해 본적은 없는 것 같습니다. 그러니 생물들 특히 육상생물들이 중력이 급변하는 환경에서 어떻게 반응할지는 예측하기가 어렵죠. 생물의 번식과 발생, 그리고 건강이 유지될지, 또한 유전자가 어떻게 변할지를 알아두는 것은 중요합니다. 어쩌면 미래에 지구가 정말 살기 어려워지는 경우가 생긴다면, 인류가 갈 수 있는 곳은 우주 밖에는 없기 때문입니다. (사진은 wikipedia에서 내려받은 것입니다: By NASA - https://www.flickr.com/photos/nasa2explore/6950880086/http://svs.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/details.cgi?aid=11454, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39371985)

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Dorothy Shippen과 Borja Barbero는 국제 우주 정거장에서 애기장대풀(아라비돕시스, Arabidopsis thaliana)를 키우며 우주비행이 텔로미어에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. NASA는 쌍둥이 우주비행사 Scott과 Mark Kelly에 관한 연구를 통해 생물학적인 변화를 비교하여 2019년 발표하였다. Scott은 국제 우주 정거장(International Space Station, ISS)에서 일년간 보냈고 Mark는 지구에 머물렀다. 여러 차이 중에서, Scott의 텔로미어(telomere)가 우주 정거장에서는 길어졌다가 다시 지구로 돌아와서는 짧아진 것을 발견했다. Texas A&M University에서 식물의 telomere를 연구하던 생물학자인 Dorothy Shippen는 여기에 흥미를 느꼈다. Telomere는 환경에 따라 변하며 스트레스 환경에서 생물의 생존에 영향을 준다. 식물의 환경 스트레스에 대한 회복력은 미래에 우주에서나 현재 지구에서 농작물들이 겪는 어려움을 해결하는데 필수적인 요소라고 할 수 있다. 비록 여러 차례 식물들이 우주비행을 했지만 이들의 telomere에 대해서는 최근까지 알려진 것이 없었다. Shippen과 박사후 연구원인 Borja Barbero Barcenilla는 ISS에서 자란 애기장대풀(Arabidopsis thaliana)의 telomere를 연구하여 최근에 Nature Communications에 논문을 게재하였다. 이에 따르면 사람에서와 마찬가지로 우주선에서의 발아는 A. thaliana의 텔로미어를 합성하는 telomerase의 활성을 증가시켰다. 하지만 우주 비행사와는 달리 이 ISS 식물은 텔로미어의 길이가 늘어나지는 않았다. Q: 우주선에서의 식물 telomere에 대해서는 어떻게 연구를 시작하게 되었나요? Shippen: 쌍둥이 실험이 정말 개기가 되었어요, 하지만 우리에겐 우주로 식물을 보낼 방법이 없었죠. 호기심에서 NASA에 연락을 해서 혹시 우리가 telomere를 분석할 만한 식물 표본이 없는 지 물어봤죠. 마침 Ohio University에서 중력이 식물에 미치는 영향을 연구하던 Sara Wyatt와 그녀의 연구팀이 비행을 거친 샘플의 잉여분을 갖고 있었습니다. 우리는 Wyatt와 NASA에서 쌍둥이 연구를 주관했던 Colorado State University의 방사선 암 생물학자인 Susan Bailey와 함께 연구를 하게 되었죠. 우린 잉여 샘플을 분석하여 데이타를 얻었고 이후 귀환하는 샘플의 일부를 얻기도 했어요. Q: ISS 시료를 얻는데 특이 할만한 어려운 점이 있었나요? Barbero: 많은 문제가 있었죠. 추가로 샘플을 보내야 했는데, 접시마다 18개의 A. Thaliana개체가 심어진 배양접시가 60개나 되었어요. 이는 3, 4일 안에 준비하기엔 엄청 많은 거였죠. 저는 Wyatt의 실험실에 박사후 연구원이며 현재는 NASA에서 일하는 공동 저자인 Alexander Meyers를 도와 일했습니다. 일단 샘플이 지구에 도착하면, 우리는 잽싸게 줄기와 뿌리를 분리하고자 했어요. 왜냐하면 다른 조직은 다르게 반응했을 테니까요. 약한 중력 때문에 아무렇게나 막 자랐고; 뒤엉켜 있었어요. 이건 워낙 귀한 샘플이라 자르기가 겁났었죠. 냉동고에서 꺼내자마자 바로 잘랐습니다. 우린 Meyers를 Texas A&M으로 초대해서 우리의 해부를 도와달라고 했죠. 어려운 만큼 즐거웠던 시간입니다. 냉동고에서 샘플을 꺼내 실험을 준비하면서 생각했어요. “이것들은 우주에 있던 거네!”라며 싸한 느낌이 왔죠. 모든 실험은 놀라웠고 독특한 기회였어요. 이때는 이런 설레임과 망치지 말아야지 하는 다짐이 공존하던 때 입니다. 이 샘플 밖에는 없었기 때문이죠. Q: 결과 중에 놀라운 것이 있었나요? Barbero: 우린 telomere의 길이를 살펴봤고, 그 길이가 변하지 않았다는 것을 알곤 고민에 빠졌죠. 하지만 이건 예상보다 더 재미있는 결과였습니다. 왜냐하면 우주에서 날았던 모든 생물들의 telomere는 대부분 길어졌는데 식물은 아니었던 거죠. Shippen: 예전에 C. elegans를 우주에 보낸 적이 있었어요, 그리고 이들의 telomere가 사람처럼 길어졌죠. 사람의 telomere는 환경 변화나 생리적 변화에 따라 매우 유동적인 모습을 보여주곤 합니다. 식물을 여러 스트레스 상황에 두어도 대부분 telomere의 길이가 변치 않는 것을 볼 수 있었고 우주선에서 어떤 결과가 나올지는 사실 예측할 수가 없었죠. 길이가 변하지 않았다는 것은 아주 놀라운 일은 아니었지만 우리가 놀란 건 telomerase의 유도 정도 였습니다. Q: Telomere의 길이 변화 없이 telomerase의 활성 증가가 일어난 것이 왜 놀랄 일이죠? Shippen: 이는 telomere의 길이와 telomerase 활성이 서로 연결되어 있지 않다 것을 말합니다. 사람의 경우는 아주 상관관계가 높기 때문에 예상을 못한 거죠. 우린 스트레스 상황에서 telomerase의 활성 증가에 대해 좀더 넓게 생각하기 시작했습니다. 우리는 실험실에서 할 수 있는 여러 종류의 스트레스에 대해 A. Thaliana의 telomerase에 생기는 변화를 알아보는 보충 실험을 수행했고, 우린 역시 telomerase의 증가를 관찰했어요. 이 결과로 우리는 telomerase의 다른 역할에 대해 생각해보게 되었어요. 이는 이 분야에서 아직 논란이 되고 있는 가설입니다. 많은 과학자들이 telomerase의 telomere 합성 외의 기능에 대해 확신을 갖지 못하고 있는 상황이죠. 하지만 우리의 경우처럼 telomere의 길이 변화가 없이 급격한 효소 활성이 증가한다는 것은 이해하기가 어렵습니다. Donna MacNeil, PhD., How plants protect their DNA in space. The Scientist Jan 24, 2024. 1.Garrett-Bakelman FE, et al. The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a yearlong human spaceflight. Science. 2019;364(6436):eaau8650.. 2.Barcenilla BB, et al. Arabidopsis telomerase takes off by uncoupling enzyme activity from telomere length maintenance in space. Nat Commun. 2023;14(1):7854.
phytochemistry psychedelics
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자연 환각제: 장과 뇌 속의 내재성 환각제

자연계에서 만들어지는 화합물 중에는 이상한 물질들이 많죠. 그 중에서도 환각을 일으키는 환각제(psychedelic)는 궁금증을 유발하는 물질입니다. 아미노산의 유도체인 트립토아민(tryptamine)이나 페니틸아민(phenethylamine)이 환각물질들의 골격이라고 할 수 있는데 식물에서 발견되는 N,N-dimethyltryptamine(DMT)가 대표적인 예입니다. 본인은 아직 먹어보질 못해서 무어라 설명할 수는 없지만 몽롱하고 환각에 빠진 상태로 만드는 특징이 있다고 합니다. 자연계에서는 식물뿐 아니라 균류나 동물에게서도 발견되고 심지어 장내 미생물에서도 만들어지는 것으로 알려져 있습니다. 각 생물에게서 모두 환각작용을 일으키지는 않을 것이 분명한데 식물이나 균류에서 무슨 역할을 하는지 아직 분명치 않다고 합니다. 이런 물질의 구조는 인간의 기분을 결정하는 신경전달물질과 유사하거나 꼭 같은 것을 보면 이들도 신호전달물질의 역할을 한다는걸 짐작할 수 있습니다. ​최근에 이런 환각물질들을 우울증이나 다른 정신질환의 치료에 사용하려는 움직임들이 있습니다. 정말 조심해야할 부분인 것 같습니다. 마리화나가 일부 국가에서 치료 목적으로 합법화되어 있다는 건 잘 알려진 사실입니다. 이런 국가나 지역에서 그 부작용으로 마약 대한 경각심이 떨어지고 다른 심각한 마약사범이 함께 크게 늘어난 것을 볼 수 있기 때문입니다.

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환각물질(psychedelics)은 균류, 식물, 그리고 미생물들이 만들어내는 진화적으로 오래된 물질이다. 물론 사람도 환각물질을 만들어낸다. 연구자들은 어떻게 그리고 왜 만드는지 알고 싶어한다. 숲 속 어둡고 조용한 바닥에서 버섯들은 바쁜 생활을 이어가고 있다. 이들은 숲의 소화기관으로서 산과 효소를 분비해서 공생하는 박테리아들의 도움을 받아 유기물을 천천히 처리한다. 버섯-균류의 자실체(fruiting body)-은 사실 소위 wood wide web이라고 불릴 만큼 땅속 널리 퍼진 균사망(mycelial network)의 꼭지 부분에 불과하다. 균사들은 수천 에이커의 넓은 지역에 담요처럼 깔려 마치 신경이 자라는 것처럼 가지를 치며 자라고 있다. 사실 균류의 균사는 숲의 신경과도 같은 역할을 한다. 이들은 땅속으로 나무와 식물들 그리고 토양 미생물들과 상호작용하여 주위환경을 끊임없이 감시하는 환경 감지기의 역할을 한다. 그들은 가믐이나 곤충의 대발생과 같은 환경적 위협이 있을 때 양분이나 자원을 나눠 쓰게 하며, 쏟아지는 정보를 종합하여 문제를 해결하고 결론을 내리는 역할을 한다. 이들은 이 일을 수행하는데 있어 사람의 뇌나 장에서와 같이 전기적 신호와 신경전달물질을 사용하며, 학자에 따라서는 이를 지적 대화(intelligent communication)로 묘사하기도 한다. 수 백만종의 균류 중 약 200 종이 환각물질을 만든다. 마법 버섯(magic mushroom)이라 불리는 버섯에서 나오는 실로사이빈(psilocybin)은 대표적인 환각물질이다. 환각물질은 자연계에 널리 퍼져있다. 어떤 식물들은 N, N-dimethyltryptamine(DMT)을 생산한다. DMT는 psilocybin을 포함한 다른 환각물질의 기본 구조가 되기 때문에 환각제의 원형으로 여겨진다. 사람을 비롯한 다른 동물들도 내재성 환각물질을 만든다. 그 중 일부는 균류나 식물이 만든 것과 똑 같거나 매우 유사하다. 이는 환각제의 효과가 사람 세포에 있는 수용체 또는 대사경로에 물질이 결합하고 분해되는 지에 따른다는 점을 고려해 볼 때 그리 놀라운 것은 아니다. 연구자들은 뇌와 장에서 내재성 환각물질이 생산되며, 장의 경우는 장 속 미생물들의 도움을 받는 다는 것을 알아냈다. 이러한 외재성과 내재성 환각물질의 유사성과 왜 인간이 향정신성 물질을 만들어내는지에 대한 의문은 과학자들로 하여금 수 백만년의 진화를 관통하는 환각여행으로 빠져들게 한다. 몽롱한 기분 Psilocybin과 DMT는 indolamine이라는 특이한 신호전달 분자군에 속한다. – 이 신경전달물질은 생물학적, 생리학적 기능이 다양한 트립토판(tryptophane)의 유도체들이다. 예를 들어 여기에 속하는 세로토닌(serotonine = 5-hyhydroxytryptamine, 5-HT)은 장과 뇌 사이에서 신호 역할을 하여 소화기능, 소화관의 운동, 식욕, 기분, 학습, 기억, 인지, 혈관수축 그리고 수면 등을 조절하는 것으로 잘 알려진 indolamine이다. 사람의 장은 장내 미생물의 도움을 받아 전체 세로토닌의 90% 이상을 생산하는 것으로 알려져 있다. 균류, 식물, 곤충, 그리고 다른 동물들도 세로토닌을 합성한다. 내재성 환각물질의 생리학적 기능에 대해 거의 50년을 연구해온 Louisiana State University의 석좌교수인 Steven Barker는 “균류, 식물, 동물 그리고 인간에게서 발견되는 세라토닌, 멜라토닌과 같은 트립토판 유도물질들은 모두 같은겁니다. 이 분자들을 만드는 효소의 유전자도 거의 같죠. 구조와 기능이 쭉 보존되고 있고, 뇌나 장 그리고 다른 기관에서 꼭 같지는 않더라도 아주 유사한 기능을 발휘하고 있습니다.”라고 전했다. 내재성 환각물질이 신경전달물질로 뇌 속 신경세포의 성장과 유지, 회복, 그리고 보호에 중요한 역할을 한다는 증거들이 늘어나고 있다. Barker는 그의 주요 연구성과 중 하나로 쥐 뇌의 시각피질과 송과샘에 DMT가 있다는 것을 밝혔다. Barker와 그의 연구진은 이들이 사람에게도 존재한다는 간접적인 증거도 찾아냈다; DMT 합성, 저장, 그리고 분비에 필요한 효소와 다른 인자들이 사람의 뇌에도 존재한다. “증거는 많지만 환각제와 관련된 역사와 미신들을 고려해 볼 때, 이 분자들이 신경전달물질로 인정 받기 까지는 시간이 걸릴 겁니다.”라고 Barker는 말했다. Barker의 팀은 생리적 저산소증과 내재성 환각물질의 관계를 규명하는 중요한 연구를 수행했다. 이들은 죽음에 가까운 심각한 저산소 상태를 유발하기 위해 심장마비를 유도했다. 이들이 발견한 것은 뇌조직에 DMT의 확연한 증가였고, 아직 확실한 증거는 없지만 Barker의 추측에 따르면 임사체험 동안 이런 환각작용이 도움이 될 것이라고 한다. “내재성 환각물질의 원래 기능은 저산소상태에서 신경을 보호하는 것일 수 있습니다. 만약 누군가 물리적인 손상으로 출혈이 생기고 저산소 상태로 간다면, 당사자가 그런 손상에서 벗어나려고 할 때 내재성 환각물질들이 신경을 살아있도록 도와준다는 겁니다. 해리 상태(dissociation state; 현실과 격리된 분열상태)는 이런 상황에서는 신경의 생존과 그 사람의 생존에 도움이 될 것입니다.” Barker의 주장이다. 실제로 다른 연구자들도 저산소증에 대한 DMT의 보호작용에 힘을 실어주고 있다. 치료를 넘어서 현대인이 이 물질들을 발견하기 훨씬 전에, 토속 문화권에서 이미 indolamine계열의 환각물질들을 소비해 왔다. “제사의식이나 치료의 목적으로 사용 됬습니다. 우리는 이제야 이들이 어떻게 치료효과제로 작동했는지 과학적으로 이해하게 되었죠.” Barker의 말이다. Trinity College Dublin의 정신과 의사이자 원로 임상 강사인 John Kelly는 그의 동료들과 함께 난치성 우울증(treatment-resistant depression)에 대한 치료를 위해 실로사이빈을 심리치료와 함께 사용하는 임상실험을 실시했다. Kelly와 그의 동료들은 한번의 투약에도 실로사이빈은 우울증 증세를 완화하는 것을 발견하였다. “가장 놀라웠던 건 실로사이빈은 환자의 여러 치료단계에 걸쳐 사용가능하다는 점입니다.” Kelly의 말이다. 환각물질-보조 심리치료의 일부 효과는 미생물군-장-뇌 축(microbiota-gut-brain axis)을 통해 이루어진다; 이는 장 신경계(enteric nervous system)라고 불리는 소화계의 신경망과 뇌 사이의 양방향 소통을 말한다. 신경전달물질, 호르몬, 면역 제어 인자(immunomodulatory factor) 들을 포함한 다양한 분자들이 정보 교환의 기초를 구성하며, 이때 장내 미생물들이 세로토닌, 트립타민과 같은 화학 신호를 포함한 다양한 대사체와 신경전달물질, 그리고 신경조절물질(neuromodulator)을 만들어 정신 건강에 중요한 역할을 담당한다. 환각물질 치료는 미생물군-장-뇌 축의 일부 핵심 경로를 강화시켜 행동에 영향을 줄 수 있다. 사실 내재성 진통제(endogenous opipoid)는 통증에 대항해서, 내재성 환각물질(endogenous psychedelic)은 우울증에 대항하기 위해 우리 몸에서 만들어지고 있을 수 있다. 여기에도 장내 미생물이 음식물 속 트립토판으로부터 트립토아민을 만드는 중요한 역할을 맡고 있다. 인간의 몸 속에 있는 다양한 미생물 집단이 기본적으로 인간의 생리현상과 깊이 관계를 맺고 있다는 점을 고려하면 그리 놀라운 일은 아니다. 연구자들은 계속 장내 미생물과 중추신경계의 관계를 연구하여 그 기전을 밝히고, 내재성 환각물질이 미생물과 장과 뇌, 그리고 그 밑에 생리현상들과의 관계에서 어떤 역할을 하는지 밝히려고 한다. “모든 것들이 화학적 신호에 담긴 정보를 통해 함께 연결되어 있는 겁니다. 우리가 경험하는 모든 것이 신경화합물의 상호작용에 포함된다고 할 수 있죠. 이는 모든 동물들에서 그렇습니다. 우리는 화합물을 통해 정보를 주고 받죠.” Barker의 말이다. 균류와 인간 사이에도 진화적으로 보존된 기전이 - 특히, 그들이 만들어내는 신호분자가 – 인간의 건강과 질병에서 내재성 환각물질의 역할을 보다 다각도로 보여주는 화려한 그림을 제공해주는 것이다. 지하에 뻗은 균사들이 그들 만의 어떤 지능을 갖는지 그리고 이런 것들이 인간의 의식을 깊이 이해하는데 도움을 줄 수 있는지는 완전히 다른 문제다. Baker는 이 문제에 대한 독특한 접근법을 고민 중이다. “자, 이제 나는 밖에 나가 환각 버섯을 직접 채취해서 맛보려고 합니다. 그들이 나에게 직접 말하도록 하는 거죠. 당분간 직접 해보지는 않겠지만, 자신의 연구 대상을 잘 알지 못한다면 나쁜 과학자겠죠.” Iris Kulbatski, PhD. Natural High: Endogenous psychedelics in the gut and brain. The Scientist Sep 8, 2023. Kelly JR, et al. Seeking the Psilocybiome: Psychedelics meet the microbiota-gut-brain axis. Int J Clin Health Psychol. 2023;23(2):100349. Barker SA. N, N-Dimethyltryptamine (DMT), an endogenous hallucinogen: past, present, and future research to determine its role and function. Front Neurosci. 2018;12:536. Williams BB, et al. Discovery and characterization of gut microbiota decarboxylases that can produce the neurotransmitter tryptamine. Cell Host Microbe. 2014;16(4):495-503.
aerobic exercise liver disease
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유산소 운동이 지방간 치료에 도움을 준다.

유튜브를 비롯한 각종 매체를 통해 수 많은 '건강' 정보들이 난무하는 시기입니다. 단순히 건강 정보를 넘어 특정 질병에 특효가 있다는 내용들이 여과없이 일반인들에게 전해집니다. 명색이 과학자인지라 정보에 대해 비판적 시각을 갖고 판단해보면 어느것 하나 믿을 만한 정보가 없는 것 같아요. 진심어린 정보라 하더라도 개인적인 경험이거나 비과학적인 근거를 내세워 설명하는경우가 대부분이지요. 이런걸 듣다보면 그냥 신경끄고 사는게 정답이라는 생각이 듭니다. 하지만 대부분의 현대인들은 먹는 것, 입는 것, 질병관리 예방 등에 대해 상당히 공들여 판단하고 행동합니다. 후성유전학에서 주장하듯이 우리에게 주어진 유전자 만큼이나 주위 환경이 나의 건강과 삶에 절대적인 영향을 미치니 중요한 일이라고 생각합니다. 아래에 소개한 글은 운동이 지방간에 좋다는 어쩌면 뻔한(?) 사실에 관한 연구 결과를 소개한 것입니다. 지방간은 간염, 간경화, 간암으로 발전할 수 있는 첫 단계로 이때부터 관리하는게 필요합니다. 이 논문은 지방간 진행을 막는 데 유산소 운동이 좋다는 과학적 증거를 제시한 것입니다. 메커니즘을 밝히는 것은 일을 해결하는 첫 걸음이라고 할 수 있습니다. 기기를 고치려면 어떻게 작동되는지, 어디가 고장난 건지 구체적으로 알아야 하니까요. 여기에 더해 모든 치료효과의 30%가 위약 효과(placebo effect)라는 말이 있습니다. 스스로 치료된다고 믿어야 치유될 가능성이 높다는 거죠. 그래서 스스로 믿어야 하고, 스스로 믿기 위해 과학적인 근거가 필요한 것도 이런 연구의 한 기능이 아닐까 하는 생각이 듭니다.

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최근에 Metabolism지에 출판된 동물실험의 결과는 유산소운동이 비-알코올성 지방간을 이겨내는데 도움이 된다고 한다. 비-알코올성 지방간은 전 인구의 24% 정도가 영향을 받는 간질환 중 가장 흔한 병으로 이 환자들은 대부분 다른 질환을 수반하게되는 경우가 많다. 이 연구는 이 과정을 다양한 방향에서 연구하여 이런 진행을 막을 수 있는 새로운 전략을 마련하는데 목적이 있다. 이 연구는 the Faculty of Bullogy of the University of Balcelona, Institute of Biomedicine(IBUB)와 the Diabetes and Associated Metabolic Diseases Networking Biomedical Research Centre (CIBERDEM)에 소속된 María Isabel Heràndez-Alvarez 교수와 University of Chile, and Víctor Cortés from the Pontifical Catholic University ofChile의 Rodrigo Troncoso박사의 공동 연구로 이루어졌다. 간에 다량의 지방이 축적될 때 지방간 또는 non-alcoholic steatohepatitis(NAFLD)의 대표적인 증세는 간세포에 높은 농도의 지방과립(lipid droplets, LD)이 생기는 것이다. “우리가 발견한 것은 유산소 운동, 즉 장시간 하는 일반적인 운동이 지방을 대사를 촉진하고, 지방과립을 작게 만들어 병의 증세를 완화한다는 겁니다.” 라고 언급했다. “따라서 운동에 의해 촉발된 에너지 소비가 지방과립과 에너지를 공급하는 세포내 기관인 미토콘드리아 사이의 물리적이고 기능적인 관계에 변화를 일으킨 겁니다.” 이런 상호관계는 미토콘드리아 중에서도 과립곁 미토콘드리아(peridroplet mitochondria, PDM)로 알려진 특수한 집단에서만 일어난 듯하다. “그 결과로 이 특정 미토콘드리아 집단에서 지질의 산화가 잘 일어나고 그 결과 질환의 진행을 막게 되는 겁니다.” 알려지지 않았던 관계를 발견하다. “지방과립과 미토콘드리아의 상호관계는 지방대사의 항상성에 중요한 기능을 합니다. 운동이 지방간에 좋다는 것은 알려져 있었지만, 아직까지 운동이 지방과립과 미토콘드리아 사이의 관계에 직접적인 영향을 미치는 지는 알지 못했죠.”라고 이들은 설명했다. 이들의 연구는 mitofusin 2(Mfn-2)이라는 단백질이 이 과정에서 중요한 역할을 한다는 사실도 밝혔다. 이 단백질은 미토콘드리아의 표면에 위치하는 단백질로 지방과립과 과립곁 미토콘드리아 집단 사이의 연결을 조정한다. “우리는 동물이 운동한 후, 이들의 간세포 미토콘드리아 막의 포화지방산과 관련 성분들이 감소하는 것을 볼 수 있었습니다. 이는 미토콘드리아의 막 유동성이 증가했다는 것을 말합니다.” 연구자들의 설명이다. “Mfn-2단백질이 없는 생쥐의 경우 운동을 시켜도 지방산의 포화도나 대사 속도에 변화가 없었어요. 이 결과는 Mfn-2가 운동에 반응하여 미토콘드리아 막의 지질성분을 조절하는데 연결 역할을 한다는 것을 보여준 것입니다.” 저자들에 따르면 Mfn-2 단백질은 막 인지질과 결합하는 단백질 부위를 통해 미토콘드리아의 막성분을 조절하고, 이는 특정 미토콘드리아에서 지방산화가 잘 일어나게 만든 것이라고 한다. 이 연구는 NAFLD의 진행을 막는 새로운 전략을 개발하는데 중요한 매개체와 분자적 기전을 밝히는데 기여한 것이다. “Mfn-2의 기능을 생각해 볼 때 이 단백질의 활성을 조절하는 것이 NAFLD와 관련된 염증이나 섬유증에 대한 치료에 사용될 수 있을 것이다.”라고 연구자들은 결론을 맺었다. Aerobic exercise can help fight liver disease. EurekAlert! News release 22-Jan-2024 Mitofusin-2 induced by exercise modifies lipid droplet-mitochondria communication, promoting fatty acid oxidation in male mice with NAFLD. Metabolism 152, 155765. DOI 10.1016/j.metabol.2023.155765 
biotechnology microbiology
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암 면역치료를 돕는 미생물 치료법

제 3 세대 항암치료 기법인 Chimeric Antigen Receptor(CAR) T 세포 면역치료제는 생명공학적인 방법으로 암의 공동 항원에 반응하는 T 세포를 만들어 환자에게 주입하는 치료법입니다. 현재까지 혈액암을 치료하는데 획기적인 성과를 보여 준다고 평가되지만, 암의 종류에 따라 치료성공율이 50 - 85%로 다양하며 재발율도 상당히 높다는 단점이 있지요. 그리고 무엇보다 혈액암을 제외한 다양한 고형암(solid tumor: 간암, 신장암, 췌장암, 전립선암 등 다양한 조직 암이 포함된다)에는 그 효과가 떨어진다는 단점도 있어 개선이 요구되고 있습니다. 아래에 소개한 글은 이런 단점을 줄이기 위한 노력으로 박테리아를 이용한 참신한 방법을 소개하고 있습니다. 모든 첨단연구는 그 결과를 예측하기가 어렵죠. 이론적으론 완벽한데 결과는 실망스러울때가 있고 또 그 반대로 결과에 대한 예측이 대체로 비관적이었지만 뜻하지 않은 좋은 결과를 주는 경우가 있습니다. 대부분의 성공적인 연구는 실험자의 긍정적인 마인드와 그를 뒷받침 할 수 있는 문제 해결능력이 성공의 열쇠인 것 같은데요. 아마 암 치료를 위해 박테리아를 암환자 몸에 투입한다면 왠만한 사람들은 펄쩍 뛸 일이지만, 그 결과는 이글에서 표현하듯이 "아름답다."고 할 수 있을 정도입니다. 어떻게 이런 방법이 작동하는지 설명해보겠습니다.

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생명공학적으로 만들어진 박테리아(bioengineered bacteria)를 CAR T cell이 암을 공격할 수 있도록 종양에 침투시킨다. 1890년 의사였던 William Coley는 어떤 암환자가 비슷한 시기에 박테리아에 감염된 뒤 자연 치유되었다는 사실을 알고 암 환자에게 박테리아를 주사하는 시술을 했다. 그는 면역 활성화와 항암 작용을 처음 연관 지은 과학자였고 이로 인해 그에게 “면역치료의 아버지”라는 칭호가 주어진다. 임상에서의 몇 차례 성공이 있었으나 안전문제와 방사선치료의 발전으로 Coley’s toxin이라고 불리던 이 박테리아 묘약은 자취를 감추게 된다. 지난 수 십 년간 면역학, 미생물학, 그리고 합성생물학(synthetic biology)의 발전으로 암 치료에 생명공학적으로 변형된 박테리아(bioengineered bacteria)의 사용에 대한 관심 다시금 커지고 있다. 최근 Science지에 발표된 논문에 따르면 이 bioengineered bacteria는 종양에서 군집을 형성하여, 유전자조작이 된 T 세포를 종양으로 유도하도록 설계되었다. 이 참신한 치료법은 단순히 bioengineered bacteria가 치료가 어려운 고형 종양(solid tumor)에 접근을 용이하게 하여 기존의 면역 치료를 도왔을 뿐 아니라, 살아있는 약재의 다양한 가능성을 보여주었다. 종양의 미세 환경은 쉽지 않은 생태계라고 할 수 있다. 하지만 “박테리아들은 이런 것에 신경 쓰지 않고 오직 신체의 면역시스템을 피해 살아갈 수 있는 환경이 절실하죠.” Columbia University의 합성 생물학자인 Tal Danino의 말이다. 고형 종양의 내부는 저산소 지역으로 가장 면역 감시가 적게 이루어지는 곳으로 박테리아에겐 좋은 집이 될 수 있다. 하지만 박테리아들은 아직 건강한 기관에서도 자리를 잡기 때문에 박테리아의 유전자를 조작하여 병 독성 또는 독성을 낮추는 방법을 모색해야 한다. 이렇게 약화된 박테리아는 생쥐나 사람에서 더 안전하다는 것이 입증되었으나 종양내 군집형성 능력이나 종양치료에 효과가 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이에 종양 표적화와 선택성을 개선하기 위한 합성생물학적 해결책을 찾게 되었다. Jeff Hasty와 Omar Din과 함께 Postdoc으로 일하던 Danino는 박테리아가 일정한 밀도 이상으로 자라면 쿼럼(quorum)현상(2023-06-17, 박테리아의 군체밀도 감지 참고)에 의해 동시에 용해(lysis)되도록 만드는 작은 유전자 고리를 개발하고 있었다. 이렇게 용해가 일어나면 세포내 유전자 산물들이 모두 쏟아져 나오게 된다. 몇몇 박테리아가 용해되지 않지만 다음 번 번식기에는 용해가 일어난다. “일종의 불완전한 시스템인데 도리어 이게 이 시스템의 아름다운 점이라고 할 수 있습니다.” Danino 연구팀의 대학원생이며 논문의 공동저자인 Rosa Vincent의 말이다. “이는 주기적인 전달 방법이라고 할 수 있죠.” Danino는 이 진동성 유전자고리를 이용하여 의생물학적 문제를 해결하는데 흥미를 느껴 박테리아를 이용한 암 치료에 집중하게 된다. 박테리아는 이미 종양에 들어가려는 성향이 있기에 그는 박테리아가 진단 또는 치료물질을 만들도록 생명공학적인 조작만 하면 되었다. 이는 마치 트로이 목마와 같은 것이다. “박테리아를 이용해 특정 부위를 표지 한다는 것은 항원 이질성(antigen heterogeneity)에 따른 문제를 해결하는데 굉장히 좋은 해결책이 될 수 있어요.” Stanford University의 생명공학자인 Rogelio Hernández-López의 말이다. 고형 종양을 chimeric antigen receptor(CAR) T 세포와 같은 항원-표적치료로 치료하기 어려운 이유 중 하나가 종양의 표면에 노출된 암 특이적 항원이 아주 적다는 것이다. 더구나 종양-관련 항원은 환자나 암의 종류에 따라 다르며, 마치 의사들이 움직이는 과녁을 쏴야 하는 것처럼 돌연변이를 통해 표적치료를 피할 수도 있다. “만약 적절한 항원이 없다면 우리가 어떻게 좋은 CAR를 만들 수 있겠어요.” CAR T cell의 논리-지향적 접근법에 참여했던 Vincent가 말을 이었다. 이런 문제는 그녀가 Danino의 박테리아에 대한 생명공학적 변형 작업에 참여하도록 만들었다. 트로이 목마를 만들기 위해, 연구자들은 Danino의 쿼럼 감지 용해회로를 갖는 대장균 Nissle 1917 품종(strain)에 생명공학적 변형을 시도했다. 일단 일정 수준의 쿼럼에 도달하면 이들은 합성 항원을 분비하기 시작한다. 특수하게 초록형광단백질(green fluorescence protein, GFP)을 placental growth factor의 헤파린 결합영역(Heparin binding domain, HBD)과 결합시킨 것이다. 잘 결합하는 HBD가 종양의 독특한 콜라겐과 다당류에 부착하고 GFP 깃발이 종양에 심어지는 것이다. 비록 이 분자가 건강한 조직에서도 발견되지만 이들은 종양에 훨씬 많다. “이 종양에 선택적인 박테리아에 전적으로 의존하는 겁니다.” Vincent의 말이다. 대부분의 FDA 승인을 받은 CART cell 치료법은 cluster of differentiation19(CD19)이라는 종양 항원을 표적으로 삼는다. 하지만 Vincent는 GFP 항원을 표적으로 하는 CAR을 디자인한 것이다. “우리는 종양을 푸른 색으로 칠하고 T 세포로 하여금 푸른색을 감지하도록 만든 겁니다.” 라고 말했다. “CAR의 아름다운 점은 모듈로 되어 있다는 점입니다. 그래서 항원결합분위를 다른 것으로 완전히 대체할 수 있다는 거죠.” 라고 Vincent는 말했다. 이들이 이 미생물 기반 CAR 시스템(probiotic CAR system)을 실험실에서 인간 암세포에 처리하면, GFP가 없는 시스템에 비해 특이성이나 세포독성이 높게 나타난 것을 보았다. 이어진 실험실 연구에서 이들의 시스템은 이제 배양기 밖에서 시행에 옮길 준비가 되었음을 보여준다. Probiotic CAR 프랫폼을 시험하는 첫 생체 실험으로, 사람의 종양조직을 피부아래 심은 면역결핍 생쥐를 이용했다. Engineered Bacteria를 직접 종양에 주사한 후 quorum-related release가 일어나 GFP가 engineered CAR T cell을 주사하기 전에 발현되도록 48시간을 기다린다. 이렇게 시행된 engineered probiotic CAR system은 종양의 발달을 막았고 flow cytometry를 이용한 분석에서 T 세포의 활성이 증가한 것을 알 수 있었다. 연구자들은 부분적인 시스템은 부분적인 반응을 일으킨다는 것을 알아냈다. 즉, 빈(GFP가 없는) 박테리아를 주사해도, engineered CAR이 일부 작동하여 일부 T 세포가 종양부위에서 활성화된 것이다. “제가 이 시스템에서 좋아하는 점은 T 세포가 정말 강하게 박테리아에 반응한다는 것입니다.” Vincent의 말이다. “이런 사실이 이들 박테리아 사용을 선호하게 만드는 겁니다. 이들이 탑재물을 내놓을 수도 있지만 이들은 선천적으로 (면역을) 자극할 능력이 있어 차갑던 종양을 뜨겁게 만들 수 있죠.” CAR T 세포의 증식과 지속성을 증가시키기 위해 환자는 혈액내 T 세포를 죽이는 림프구 제거(lymphodepletion)를 거쳐야 한다. 하지만 면역치료의 장기적인 목적은 온전한 면역체계에 적용하는 것이다. “아마도 우리는 전체 종양을 제거하기 위해 어느 한 항원에 대한 면역력 보다는 전체 면역 시스템의 도움이 필요할 것입니다.” 라고 Vincent는 말했다. 이들의 시스템을 온전한 면역 체계 안에서 실험해 보기 위해, Vincent와 그녀의 동료들은 쥐의 뒤쪽 양측면에 생쥐-유래 종양세포를 주사하였고 그중 하나에 engineered bacteria를 주사하였다. 이후 몇일 뒤에 다시 두 차례 CAR T 세포를 처리하였다(이는 T 세포가 소모되는 것을 방지하기 위해 잉여의 CAR T 세포를 넣어주는 것이다). 이 연구자들이 바란 것은 이들의 시스템이 다른 반대편의 종양도 인식할 수 있을 정도로 충분한 염증반응을 유발하기를 기대한 것이다. 그리고 그 결과로 처리한 종양과 함께 처리하지 않은 종양도 감소하는 것을 발견했을 때 흥분하지 않을 수 없었다. 피하주사 실험은 다음 실험을 준비하게 된다: 정맥주사를 통해 probiotic CAR system을 넣는 것이다. 이를 위해 사람의 암세포를 면역을 약화시킨 생쥐의 젖선 지방질에 이식하고 이어 probiotic CAR 치료를 조금 변형하여 주입한 것이다. CAR T세포가 종양에 더 잘 가도록 만들기 위해 engineered bacteria가 면역세포를 유도하는(주화성, chemotaxis) 사람 chemokine ligand 16(CXCL16)을 같이 분비하도록 만든 것이다. 이렇게 CAR T 세포가 종양을 향해 이동하도록 농도 기울기를 형성시킨다. 이 주화성 chemokine의 첨가는 종양의 성장을 억제한다는 면에서 일반적인 probiotic CAR system의 효과를 훨씬 능가하도록 시스템을 보강하였다. 이에 더해 다른 기관들을 분석한 결과 박테리아와 GFP의 발현은 종양부위에 국한되어 나타났다. 이런 실험을 사람에게 시도하기 전에 연구자들은 우선적으로 engineered bacteria가 계속 자라지 못하게 유전적으로 종결시켜야 한다. 이 실험에서는 야생형 대장균을 사용했지만 사람의 경우는 생쥐에 비해 gram negative 균의 독성에 더 민감하다. “이제 실험실의 주 관심은 어떻게 적합한 박테리아 품종을 만드느냐에 있습니다.” 라고 Vincent가 말했다. “이는 두 가지 별개의 생명공학적 시스템들이 상호 보완하여 시너지효과를 보여준 예라고 할 수 있습니다.” Hernández-López의 말이다. “(Danino는) 오랜 기간 동안 박테리아 용해 회로를 발전 시켜왔고 이것이 다른 접근법과 합해지는 걸 본다는 건 기쁜 일입니다.” Danino는 박테리아를 보면, 종양에 치료약을 전달하는 다양한 플랫폼과 그 밖에 다른 가능성까지 보게 된다. CAR T 효율을 높이기 위한 종양 미세환경 재구성을 넘어서, 이 engineered bacteria가 PET나 MRI, 초음파, 그리고 약물전달을 위한 나노입자에 대해서도 도움을 줄 수 있을 것이라고 본다. “우리는 다른 연구자들이 그들이 개발한 특정물질이나 다른 암 관련 물질들을 전달해 줄 수 있는 플랫폼을 만든다는 게 정말 흥미롭습니다.” Danino의 말이다. “미생물에 대한 생명공학 기술들이 천천히 T 세포 분야의 기술들과 만나는 과정이고, 다음에 어떤 일들이 일어날지 기대되기도 합니다.” 라고 Hernández-López가 말했다. ​ Danielle Gerhard, PhD, Bugs as drugs to boost cancer therapy. The Scientist Jan. 18, 2024 Vincent RL, et al. Probiotic-guided CAR-T cells for solid tumor targeting. Science. 2023;382(6667):211-218.
AI biotechnology
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새로운 AI가 단일세포의 유전자발현을 예측한다.

인공지능의 개발로 모든 분야에 큰 변화가 예상됩니다. 특히 앞으로 사회로 진출하기 위해 많은 것을 준비해야할 젊은 세대들에겐 인공지능에 영향을 받지 않을 직업이 무엇인지가 초미의 관심사 라고 합니다. 하지만 사실 어떤 전문가도 앞으로 AI가 어떤 방향으로 발전할지 예측하기는 어려울 것 같습니다. 저도 과학자로서 생물학에서 활용할 수 있는 AI에 대해 많은 관심과 공부를 하고 있지만 아직 모르는 것이 너무 많거나 아니면 AI분야의 발전 속도가 너무 빠른 것 같습니다. 다만 한 가지 분명한 것은 지금 인류는 마치 인간이 원자폭탄을 처음 만들어낸 후 원자폭탄이 없던 시절로 돌아가지는 못하는 것처럼 AI가 없는 시절로 돌아가는 것은 불가능하다는 점입니다. 다양한 AI의 능력을 이용하는 것이 앞으로 우리 인류가 발전하는데 중요한 역할을 할 것이고, 그 동안 풀지 못했던 난제들을 풀 수 있는 가능성이 열린 셈입니다. 그런데 만약 영화 로보캅이나 터미네이터에서 본 것처럼 AI를 탑재한 경찰이나 비밀요원 로봇이 거리를 돌아다니며 사람들을 체포, 살상한다면 어떨까요? 더나가서는 AI가 경쟁하여 또 다른 종류의 생물로 진화한다면 인류문명 전체를 위협할 수도 있을 것입니다. 전혀 불가능한 일은 아니기에 국제적인 규약과 실천을 통해 사전에 예방하는 것이 지금 필요하다고 과학자들은 주장하고 있습니다. 여기 소개한 AI는 세포를 특정한 유전자들을 발현하는 시스템으로 이해하고, 이들이 유전자 발현에 변화를 주었을 때 어떻게 반응하는지 자료를 분석하여, 그 세포의 종류(유전자 발현 패턴)을 파악하고 특정한 유전자를 없엤을 때 세포의 행동(유전자 발현)이 어떻게 변할지를 예측하고자 시도한 것입니다. 관심있는 분은 원 논문의 link(https://github.com/bowang-lab/scGPT)를 따라가면 사용해 볼 수 있습니다.

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인공지능 도구(artificial intelligence tool)인 scGPT가 세포의 종류를 알아내고, 유전자들의 결손 시 나타날 결과를 예측하며 특정 유전자들 간에 상호작용을 잡아낼 수 있다. 과학자들은 질병을 연구하기 위해 전체 세포집단의 유전자 발현을 연구한다. 예를 들면, 암과 관련된 약 개발을 위한 단백질 표적을 찾고 알츠하이머병의 초기 진단을 위한 혈액내 바이오 마커를 찾기 위해 RNA 염기서열분석(시퀀싱, sequencing)을 실시한다. 최근에 과학자들은 단일 세포 RNA 시퀀싱(single cell RNA sequencing, scRNA-seq)을 통해 단일 세포들 간에 유전자 발현에 어떤 차이가 나는지도 알 수 있다. 과학자들은 특히 scRNA-seq의 데이타를 머신 러닝 프로그램을 이용해 시작부터 특정한 일들을 수행하는 데까지 활용하고 있다. Bo Wang은 University of Toronto의 생물학자이자 컴퓨터 생물학자로 single cell generative pretrained transformer(scGPT)라고 부르는 새로운 AI 도구를 만들었다. 이 모델은 scRNA-seq의 데이타를 미세하게 조정하여 다양한 일들을 수행할 수 있다. 여기에는 특정한 유전자를 조작했을 때 나타날 영향을 예측하거나 데이터들을 합해서 알기 어려운 세포의 종류를 감정해내는 것 등이 포함된다. scGPT는 기초가 되는 AI 도구이다. 이 핵심 모델을 이용하여 새로 구축하고 변형하여 하위 작업들을 수행할 수 있기 때문이다. 날로 인기 상승중인 대화형 AI, ChatGPT와 같은 방식으로 작동한다. ChatGPT는 답을 문장으로 내놓는 반면 scGPT는 세포수준에서의 유전자 발현을 예측한다. Wang에 따르면 하나의 기초 모델을 플렛폼으로 사용하는 것은 서로 다른 분석 결과를 비교할 때 여러 모델을 이용한 것에 비해 잘못될 위험이 적기 때문에 유리하다고 한다. 각 컴퓨터 분석에서는 같은 데이터라도 생성된 구조에 따라 다른 가설을 만들기 때문에 정확치 못한 결론에 다다를 수 있다. 최근의 출판전 논문에서, Wang의 연구진은 기존의 방법들에 비해 scGPT가 scRNA-seq을 잘 분석 한다는 것을 보여주었다. 그들은 최초 4일간 혈액과 골수 세포에서 얻은 일천삼십만개의 scRNA-seq 데이터를 입력하여 scGPT를 학습 시켰다. 여기에는 50개 이상의 세포 종류가 포함되어 있다. 이는 AI가 세포 안에서 또는 세포 간에 유전자 발현이 어떻게 근본적으로 연결되었는 지를 배울 수 있게 했다. 주어진 세포에서 모든 유전자가 발현되고 있는 것은 아니기 때문에 각 세포는 20,000개 유전자 중 수 천개에 대한 정보를 제공한다. 이들을 종합한 결과 유전체 내의 거의 모든 유전자에 대한 정보를 갖게 되었다. 이 연구진은 예전에 얻은 사람의 면역세포에서 얻은 10가지 서로 다른 scRNA-seq 데이터 덩어리를 통합해서 기초 모델을 세밀하게 조정할 수 있었다. 각 데이터의 일부를 이용하여 학습시켜 서로 다른 데이터에서 보다 일반화된 집단으로 같은 세포를 분류할 수 있도록 하였다. scGPT는 각 데이터군 간에 비생물학적인 요인에 의한 차이도 적용하도록 배웠다. 예를 들면 시행된 날자, 세포를 구획한 방법 등이다. 데이터군 통합(batch integration)으로 알려진 이 방식으로 데이터 베이스를 모아 거의 모든 세포 종류에 대해 다량의 데이터를 모을 수 있고, 이를 이용해 건강하거나 아플 때 관여하는 희귀한 세포들을 감지하고 밝힐 수 있게 해줄 것이다. 연구자들은 이렇게 미세조정된 scGPT와 가장 많이 사용되는 3 가지 방법이 합쳐져 감춰두었던 데이터를 얼마나 잘 다루는지 알아보았다. scGPT는 각기 다른 데이터 집단에서 표준 모델보다 약 5% 더 효율적으로 세포종류를 분류하였고 많이 이용되는 방법과 유사한 정도로 비생물학적인 영향을 고쳐낼 수 있었다. 연구진은 또 다른 잘 다듬어진 scGPT인, GEARS라고 부르는 표준 모델과 비교하여 80여개 유전자를 변동시켰을 때 단독 또는 쌍으로 다른 유전자에 미치는 영향을 얼마나 잘 예측하는지 비교하였다. 각 유전자 조작에 따라 가장 영향을 많이 받는 20개 유전자들에 집중하였고, Wang과 동료들은 scGPT가 가장 앞선다는 것을 발견하였다. “이런 진전이 정말 생물학적 지식을 더해주는 걸까요? 새로운 가설을 세우는데 유용할까요?” 이 연구에 직접 관여하지 않았던 네덜란드의 Leiden University Medical Center의 컴퓨터 생물학자인 Ahmed Mahfouz의 질문이다. 이런 발견은 분명해 보이지만 Mahfouz는 여기에는 수백만가지의 변수가 있고 훈련에는 엄청나게 많은 데이터가 필요하다고 조심스럽게 언급했다. 결과적으로 이들은 엄청난 양의 에너지를 소모해야하고 엄청난 양의 탄소 산물이 남기게 될 것이다. 이런 고에너지 요구량과 연구자들이 세밀한 조정을 위해 머신러닝과 친숙 해져야 한다는 점을 고려할 때, 세포생물학자 들에게 scGPT가 얼마나 사용될지는 의문이다. 그럼에도 불구하고 “미세조정은 아주 효울적입니다.” Wang의 말이다. “예를 들어 10,000 에서 20,000개의 세포에 대한 데이터를 처리하는 데는 약 5 내지 10분 정도 걸립니다.” 이들은 scGPT를 사용자들이 보다 쉽게 접근할 수 있게 만들기를 원한다. “우리는 모든 사람이 이용할 수 있는 code와 모델을 만들었고 교육용 web site를 만들기 위해 정말 열심히 일하고 있습니다. 이를 통해 수많은 사용법 교육과 이를 이용해 풀 수 있는 작업들에 대한 실질적인 예를 제공할 것입니다.”라고 말했다. Wang의 연구팀은 계속 scGPT에 대한 작업을 계속할 예정이다. 이 모델의 첫 시도는 골수와 면역세포를 분석하는데 유용한 반면, 이 팀이 최근에 발표한 scGPT 업그레이드 모델은 3천3백만 세포의 세포를 이용해 훈련이 이루어졌다. 여기에는 뇌, 혈액, 췌장, 폐, 심장, 신장, 암 그리고 장의 세포들이 포함된다. 최근에는 scGPT와 비슷한 기초가 될 모델들이 발표되었고 어떤 것이 연구에 많이 활용될지 곧 알게 될 것이다. Mahfouz는 멀지 않은 미래에 scGPT와 같은 모델들이 생물학의 중요한 질문들에 답을 줄 것이라고 예측하며, 이는 오직 시간이 입증해 줄 것이다. “지금은 흥미로운 시기입니다. 올해가 끝날 때쯤이면 지금과는 사뭇 다른 그림을 보게 될 것입니다.” ​ Carissa Wong, PhD., A new AI tool predicts gene expression in a single cell. The Scientist Aug 21, 2023.
microbiology superbacteria antibiotics

항생제로부터 박테리아가 살아남는 방법

언제부턴가 항생제는 의사의 처방없이는 복용하지 못하도록 법으로 금지하고 있지요. 항생제가 많은 환경에서는 일반 박테리아보다 항생제-내성 박테리아가 번창할 가능성이 높기 때문입니. 소위 슈퍼박테리아로 불리는 다제내성(multi-drug resistance)박테리아는 반코마이신(vancomycin)을 비롯한 의료계에서 사용중인 거의 모든 항생물질에대해 내성을 갖는 세균으로 일단 감염이 되면 치료가 아주 어렵습니다. 특히 면역력이 떨어진 환자에겐 치명적이죠. 그런데 사실 항생제 치료에도 살아남는 박테리아가 모두 항생제-내성 유전자를 갖는 것은 아닙니다. 이중 일부는 항생제 치료에도 근근히 연명하며 살아갈 수 있고 이들을 퍼시스터(persisters: 굳이 번역하자면 '끈질긴 균들'이라고 할 수 있겠네요)라고 부릅니다. 아래 소개한 글은 우리 몸에 설사 등 식중독을 일으키는 대표적인 박테리아인 Salmonella가 항생제와 대식세포를 만났을 때 어떻게 죽지않고 persister 상태가 되는지 그리고 이 상태에서 무슨 변화를 겪는지 등을 연구한 논문을 소개한 글입니다. 대부분의 항생제는 세균이 성장시 필요한 성분의 합성을 막아서 세균을 죽입니다. 그러니 성장을 하지 않고 휴면상태를 유지하면 항생제의 영향을 덜 받고 생존할 수 있는 것이죠. 이때 대부분의 균들은 이런 상태에서 살아남기 위해 항생제가 없어졌을 때 다시 번성하기 위한 유전자들이 소실되고 재발할 능력을 상실하게 되는데, persister들은 이런 상황에서 DNA 합성과 회복과정이 활성화된다는 것을 발견한 것입니다. 왜 생존에 위협을 주면서까지 이런 활성을 보일까요? 아마도 대부분의 항생제내성 유전자들이 기존의 유전자에 돌연변이가 생겨서 만들어졌다는 점을 생각해보면 그 답을 예측할 수 있을 것입니다. 진화는 도전과 적응이라고 할 수 있죠. 환경이 어려워지면 살아남아 적응할 수 있는 시간을 벌고 이때 적응이 빨리 일어나도록 유전자에 변형이 활성화되는 것은 아닐까요? 다양한 유전자풀을 갖추어 다음에 다시 번창할 수 있도록 준비하는 것이 진화에 도움이 되었을 것이라는 추측을 해봅니다.

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항생제 처리에서 비슷하게 살아 남은 두 종류의 살모넬라균(Salmonella)들은 전혀 다른 분자 기전에 의해 만들어진다. 항생제에 내성이 생긴 박테리아는 약을 처방해도 번창하여 치명적인 그리고 치료 불가능한 병을 일으킨다. 어떤 박테리아는 전-내성 상태로 존재할 수도 있다. 살아남기 위해 성장을 늦추고 약에 견디고, 약의 존재에도 살아갈 수 있는 형질로 바뀌는 돌연변이가 생기도록 하는 것이다. 어느 순간 항생제가 없어지면 이렇게 살아남은 박테리아들이 다시 자라기 시작하고 병을 일으킨다. 치료제가 없는 감염성 질환은 심각한 문제이다. 점점 증가하는 건강에 대한 위협과 싸우기 위해 Harvard Medical School의 Peter Hill과 그의 동료들은 어떻게 항생제 내성(tolerance or resistance)과 지속성(또는 생존능력: persistence)이 생기는지를 정리해보았다. 그리고 이들은 죽지 않고 남은 박테리아가 특정 DNA repair system(DNA 손상 회복 시스템)을 활성화시키고, 이때 만들어진 영양소 합성관련 유전자의 돌연변이를 통해 항생제 내성이 된다는 사실을 Cell Host & Microbe지에 발표했다. “항생제 내성은, 어떤 면에서는 문제의 마지막 단계입니다.” 이제는 Imperial College London의 연구원이된 이 연구의 공동저자 Peter Hill의 말이다. “만약 이 과정을 처음부터 막을 수 있다면, 이 마지막 단계를 막을 수 있을 겁니다.” 살아남기 위한 죽은 척하기 어느 돌연변이가 내성의 원인인지 알아보기 위해, Hill과 그의 동료들은 설사를 유발하는 Salmonella균을 대식세포에 감염시키고 여기에 항생제를 처리하여 내성을 유도하면서 살아남은 박테리아의 유전체를 분석했다. 이들은 박테리아가 살아가는데 필수적인 분자를 만들지 못하게 하는 돌연변이를 발견하였다. 이 분자를 만들지 못하는 박테리아는 천천히 자라게 되며, 이는 분열하는 세포를 죽이는 항생제로부터 살아남게 해준다. 내성이 있는 박테이아는 영양분이 풍부한 배지에서만 만들어지기 때문에, Hill은 Salmonella균이 좋은 환경에서 격리되면 항생제에 민감해지는 것을 볼 수 있었다. 다음으로 항생제 지속성 (antibiotics persistence: 항생제의 영향을 받지만 죽지는 않고 견디는 것을 말한다)을 연구했다. 이는 항생제에 반응하는 박테리아의 일부가 형질 변화로 일시적인 성장 지연이나 멈춤을 통해 죽지 않고 견디는 것이다. 마치 내성을 가진 벌레가 휴면상태로 있듯이 살아남은 박테리아(persister)들은 macrophage(대식세포) 안에서 자라지 않거나 아주 천천히 자란다. 하지만 항생제가 제거되면 이 대식세포 안의 Salmonella persister 들은 다시 살아난다. 이런 생존력(persistency)은 돌연변이보다는 형질변화를 통해 이루어지기 때문에, Hill과 동료들은 항생제 처리가 이 휴면기 군집의 유전자 발현에 어떤 영향을 주었는지 알아보고자, 이 persister들의 RNA-sequencing을 수행했다. 이들이 발견한 것은 이들이 마치 double-strand breaks in DNA(DSBs: 대식세포 안과 같은 혹독한 환경에서 흔히 발생할 수 있는 일이다.)에 반응한 것과 같은 스트레스 경로가 활성화된다는 것이다. “일반적으로 박테리아의 DNA 복제가 일어나면 세포분열이 뒤따르죠.” Hill의 설명이다. “그런데, 우리가 발견한 것은 이 분열을 멈춘 박테리아에서 DNA 복제가 적어도 일부 형태로라도 이루어진다는 겁니다.” 이에 더해 Hill의 팀은 persister Salmonella균이 약이나 대식세포로부터 살아남기 위해서는 스트레스반응을 활성화시키고 DSB를 고쳐줄 DNA회복 기전이 필요하다는 것을 발견했다. 손상을 복구한 후 persister들은 임상 감염의 재발과 유사하게 다른 숙주세포에서 감염을 다시 시작한다. 실험실에서 임상으로 실험실에서 대식세포를 이용한 실험은 많은 정보를 주지만 Hill과 그의 팀은 실제로 사람의 몸에서 일어나는 일을 알고 싶어했다. 이들은 환자로부터 유사한 종류의 Samonella균을 얻어 유전체를 분석했다. 놀랍게도, 이들에게 선 어떤 항생제 내성 유전자도 발견하지 못했다. 이는 세포배양 실험과는 다른 결과로(실험실에서는 내성 유전자의 돌연변이가 주요 생존 원인이다: https://www.youtube.com/watch?v=yybsSqcB7mE), 그 대신 이들은 항생제를 처리한 대식세포에서 persistent 박테리아와 유사한 성장을 보였다: 일부 세균 집단은 항생제에 비교적 강했고, DNA 회복반응이 강력하게 활성화되어 있었다. “임상에서 분리된 균들이 [DNA 회복]과 관련하여 persister 균과 비슷하다는 것은 아주 재미있는 발견입니다.” 이 연구에 직접 관여하지 않은 Hebrew University of Jarusalem의 교수인 Nathalie Balaban이 보낸 이메일 내용이다. “이렇게 임상에서 분리된 균들이 대식세포를 더 감염시키는지 보는 것도 좋을 것 같군요.”라고 하였다. DNA 회복이 persistency와 내성을 갖는데 어떤 기능을 갖는지 이해하는 것이 박테리아의 감염에 대비한 전략을 짜는데 도움이 될 것이다. 항생제 처리와 함께 Salmonella의 생존에 필요한 DNA 회복 기전을 억제하는 것이 감염의 재발을 막고, 항생제 내성의 출현을 늦출 수 있을지 기대해 본다. Niki Spahich, PhD., Bacteria go dormant to survive antibiotics and restart infections. The Scientist Mar 7, 2022 1. P.W.S. Hill, S. Helaine, “Antibiotic persisters and relapsing Salmonella enterica infections,” in Persister Cells and Infectious Disease, K. Lewis, ed., Springer International Publishing, 2019, pp. 19-38. 2. P.W.S. Hill et al., “The vulnerable versatility of Salmonella antibiotic persisters during infection,” Cell Host Microbe, 29:1757-73.e10, 2021. 3. C.K. Okoro et al., “High-resolution single nucleotide polymorphism analysis distinguishes recrudescence and reinfection in recurrent invasive nontyphoidal Salmonella typhimurium disease,” Clin Infect Dis, 54:955-63, 2012.
sleep disorder

스트레스에 따른 수면 장애를 일으키는 신경

우리나라 전체 성인 인구의 약 20%가, 미국으로 가면 전체 성인 인구의 약 1/3~1/2이 여러 종류의 불면증에 시달리고 있다고 합니다. 주위에 불면증에 시달려본 경험이 없는 사람을 찾기가 어렵죠. 불면증 중에도 우울감이나 불안으로 인한 수면 장애는 건강에 중대한 문제를 일으킬 수 있고 삶의 질을 떨어뜨리는 주요 원인입니다. 불면증을 치료하는 가장 좋은 방법은 수면 장애의 원인을 찾아 제거하는 것이겠지만 그 원인이 불분명한 경우가 많고 안다고 해도 제거할 수 없는 경우가 대부분입니다. 따라서 불면증이라는 증세 자체를 완화하는 방법을 사용할 수 밖에는 없는데, 잠을 유도하는 각종 수면제(sleeping pill)들이 개발되어 있습니다. 가장 많이 처방되는 약성분으로는 Benzodiazepine, barbiturate 등을 들 수 있습니다. 이들은 신경활동을 억제하는 gamma-aminobutylic acid(GABA)의 합성을 증진시키거나(bezodiazepine), GABA 수용체에 작용하는(barbiturate) 것으로 알려져 있지요. 기본적으로는 불면증 뿐 아니라 뇌전증, 조현병등의 증세를 완화할 수 있습니다. 따라서 부작용도 심하고 의사의 처방에 의해서만 사용이 가능합니다. 최근에 개발된 비중독성 수면제들도 있지만 아직은 범용되지 못하고 있습니다. 이들은 기본적으로 마취의 기능을 갖기 때문에 천식이나 기도폐색증이 있는 경우 위험할 수 있습니다. 아래에 소개한 글은 스트레스 후에 생기는 불면증이 어느 신경군에 의해 일어나는 현상인지를 밝힌 연구결과를 소개한 글입니다. 이번 연구 결과가 어떤 방식으로 응용될지는 알 수 없지만, 깊은 잠을 자지 못하는 많은 사람들을 위해 이런 연구들이 활용되었으면 합니다. 아직도 해결 못한 수면과 관련된 많은 문제들을 해결하기 위한 기초 연구라고 생각하면 될 것 같습니다.

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스트레스에 따른 수면 장애를 일으키는 신경 세포들 놀란 생쥐는 잠을 잘 자지 못한다. 연구자들이 이 현상을 일으키는 신경 일부를 발견했다. 누구든 힘든 하루를 보낸 후 밤새도록 뒤척여본 사람이라면 스트레스가 수면 리듬을 빼앗을 수 있음을 잘 알 것이다. 연구자들은 깜짝 깨어남(미세 각성: microarousal)을 조절하는 생쥐의 뇌 속에 일군의 신경들 찾아냈다. 이 발견은 어떻게 스트레스가 잠을 방해하는지 설명해줄 수도 있을 것이라고 University of California, LA의 신경과학자인 Ketema Paul이 말했다. “스트레스에 의한 수면장애를 대처하는데 올바른 표적을 찾는 바른 방향을 향한 큰 진전이라고 봅니다.” Microarousal을 정상적인 수면의 한 과정이다. 밤새 자는 동안 비렘수면{non-rapid eye movement (non-REM) sleep} 사이에 잠깐 깨는 시기이다. 그런데 이 microarousal이 너무 자주 발생하면 수면의 질이 떨어지고 심지어는 수면 장애, 나가서는 불면증(insomnia)으로 이어지게 된다고 이 연구의 공동 연구자인 University of Pennsylvania in Philadelphia의 신경과학자인 Shinjae Chung이 설명한다. Chung과 그녀의 동료들은 뇌의 어떤 회로가 microarousal을 조절하고 급성 스트레스에 의한 격발을 전달하는지 알아보고자 하였다. 급성 스트레스는 급작스러운, 큰 사건에 의해 유발된다. 반면 만성 스트레스는 시간을 두고 스트레스가 지속된다. 사람의 경우 급성 스트레스는 차 사고와 같은 사건에 의해 일어난다고 Chung은 말했다. 급성 스트레스를 일으키기위해 생쥐를 공격적인 생쥐의 공격에 반복적으로 노출시켰다. 그리곤 그 공격적인 생쥐를 제거하고, 표적이 되었던 생쥐들을 방의 반쪽에 나누어 놓는다. 공격적인 생쥐는 소위 사회적 패배 스트레스(social defeat stress)를 이끌어내기 위해 설계된 것이다. 그리고 그 스트레스는 표적이 되었던 생쥐들의 잠에 계속 영향을 미치게 된다. 시상하부로 돌아오다. 연구자들은 스트레스를 받은 생쥐가 잠이 들었을 또는 깨어 있을 때 뇌의 활동을 알아보기 위해 뇌파검사 (electroencephalogram, EEG)와 신경전도검사(electromyography, EMG)를 사용하였다. 이와 동시에 특정 신경집단이 어떻게 자극되는지를 보기 위해 섬유측광(fibre photometry)라고 불리우는 뇌 영상 기술을 이용했다. 과학자들은 이미 시상하부–뇌줄기 꼭대기에 있는 대략 아몬드 크기의 조직–가 잠을 조절하는데 중요하다는 것을 알고 있었다. 그래서 연구진은 시상하부의 시교차전핵(preoptic area)에 몇몇 세포군을 표적으로 삼았다. 스트레스를 받은 쥐들은 스트레스를 받기 이전에 비해 자주 microarousal을 겪고, 따라서 non-REM수면 시간이 짧다. 연구진들은 preoptic area의 일부 세포집단이 non-REM 수면시 정상적인 microarousal이 있을 때 활성화된 다는 것을 발견했다. 그리고 바로 그 세포들, 글루탐산성 뉴런(글루탐산을 분비하는 신경: glutamatergic neuron)가 급성 스트레스를 받은 뒤 더 활성화되는 것이었다. 연구자들은 이 glutamatergic neuron을 억제하면; 즉, 이 신경들을 끄면, 그 반대의 활동이 일어나 스트레스 받은 쥐들이 microarousal 사이에 간격이 넓어져 좀더 오랜 잠을 자게 된다는 것을 보여주었다. 이는 아마도 수면의 질을 조절하는 여러 경로 중 하나일 것이며 이를 Current Biology지에 발표했다. “이 신경들은 수면을 끊어지지 않도록 해주는 안정성과 지속성을 조절하는데 정말 중요하죠.” Chung의 말이다. 스트레스 받은 수면 이 발견은 스트레스를 받으면 수면시간이 늘어난다는 이전의 연구에 어긋난다고 Stanford university의 수면 연구자인 Brittany Bush가 말했다. 하지만 이런 결과의 차이에는 여러 요인이 작용했을 수 있고 이번 연구는 “깨임과 스트레스의 관계를 통해” 과학자들의 이해를 도왔다. 이전의 연구에서 중요한 차이는 생쥐들을 다시 그들의 원래 위치로 돌려보낸 것이다. 이번 연구의 경우는 스트레스를 받았던 바로 그 장소에서 잠을 자도록 했다. Chung의 설명이다. 다음 연구는 왜 이런 결과에 차이가 나는지 예를 들면 왜 개체에 따라 스트레스에 대한 회복력에 차이가 나는 지와 같은 문제들로 이어갈 수 있을 거라 생각합니다. 이 연구결과는 당장 사람의 수면을 치료하는데 사용되지는 않을 것 같다. 하지만 미래에는 사람의 스트레스와 수면 간의 관계 또는 수면과 스트레스가 건강에 미치는 다양한 효과에 관한 질문들에 대답을 줄 수 있을 것이라고 한다. Paul은 다음과 같이 말했다. “여러 잠재적 신경회로 중에 어느 한 회로가 밝혀지면, 우리는 다음 질문을 하기에 훨씬 쉬워집니다. 저에게는 이 논문의 가장 흥미로운 부분이죠.” Jude Coleman, 2023, Neurons responsible for poor sleep and stress found in mice. Nature News 13 Dec. 2023. doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-03936-0 References 1. Smith, J. et al. Curr. Biol. https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.11.035 (2023).
CRISPR RNA prime editing

유전자 편집: prime editing의 시대가 온다.

유전자 편집기술의 발달이 날로 급속히 빨라지고 있습니다. 여기 소개한 prime editing은 이미 임상에 사용되기 시작했고 (참고: 최초로 인간에게 시도된 염기편집 치료법, 2023-12-29) 다른 기술들도 여러 유전 질환에 금방이라도 투입될 태세입니다. 이런 새로운 의료기술의 발달과 치료법의 성공은 가히 놀라운 일이고 과학기술의 업적이라고 부를만 하죠. 그런데 새로운 의료기술이 사회에 적용될 때 항상 뒤따르는 것이 안전문제입니다. 새로운 의료기술의 도입은 언제나 희생이 따르기 마련인것 같습니다. 한예로 처음 신장이식 수술을 시도했던 의사들은 이식의 실패가 수술법의 미완성에 있다고 생각하고 수술시간 단축이나 혈관봉합술 등에 집중했지만 정작 주된 원인인 면역거부반응을 몰랐던 것입니다. 결국 수 많은 희생자가 발생한 뒤에, 면역반응을 제어하는 기술이 발달하고 나서야 신장이식 성공율이 높아진 것을 볼 수 있었습니다. 이렇게 까지했어야 하나? 라는 비판과 검찰의 기소까지 이루어졌지만 결국 의사들은 무죄로 석방되었죠. 그럼에도 불구하고 이런 시도가 현재 수많은 사람들의 목숨을 살리는 장기이식의 기초가 된 것이 사실입니다. 새로운 의료기술의 도입을 언제까지 미룰 것인가를 판단하기는 어렵습니다. 다만 강조하고 싶은 것은 mRNA백신에서 보았듯이 어려운 환경에서도 새로운 기술의 완성을 위해 노력한 과학자와 협력자들이 있기에 코로나19라는 전 지구적 위기 상황에서 인류를 구원할 수 있었다는 점입니다. 이런 의료기술이 활용되지 못했다면 얼마나 더 많은 희생을 낳았을 지는 상상하기도 어렵습니다. ​앞으로 유전자편집 기술이 새로운 치료법으로 대두될 가능성이 높습니다. 얼마나 희생을 줄이고 목표를 달성할 수 있을지는 두고볼 일이죠. 다만 돈과 명예를 위해 충분한 검증도 없이 위험한 시도를 서슴치 않는 일은 없어야 할 것입니다.

본문

Prime Editing 기술은 2019년에 발표된 이후 빛의 속도로 발전하고 있다. 과연 어떤 일들을 해 낼 수 있을까? CRISPR는 아마도 현존하는 가장 인기있는 유전자 편집 기술일 것이다. 하지만 분명해보이는 CRISPR의 성공에도 불구하고 이 과정에서 생기는 DNA의 double-stranded break가 원치 않는 위험한 편집으로 이어지지 않을까 걱정되는 부분이 있다. 이와 함께 방법에 따라서는 염기편집에 필요한 단일 염기의 치환에 비해 큰 변화를 필요로 하는 경우가 있다. 프라임 에디팅(Prime Editing)은 DNA분자의 두 가닥 모두를 자르지 않고도 단일 염기 수준의 정확도로 표적을 편집할 수 있어 새로운 해결책이 될 수 있다. 이 기술의 고안자인 Andrew Anzalone과 David Liu가 2019년에 처음 발표한 이후, 이들은 다음 세대의 기술로 발전시켰고 회사를 만들어 처음으로 임상전 결과들을 내기 시작했다. 이제 prime editing은 마지막 목표, 즉 치료의 길로 향해 가는 셈이다. Prime Editing은 어떻게 작동할까? Prime editing은 prime editing guide RNA(pegRNA)와 Cas9 효소와 역전사효소(reverse transcriptase)를 결합시킨 단백질로 구성되어 있다. Prime editing에 사용된 CAS9은 원래 가지고 있던 두개의 nuclease(DNA분해효소) 부위 중 하나를 불활성화 시켜 ‘nickase’, 즉 한 가닥 만을 잘라 nick(잘린 부위를 말함)을 만든다. 따라서 pegRNA가 한쪽 DNA에 결합하면 CAS9에 의해 잘린 가닥의 일부가 밖으로 삐져나온다(flap). pegRNA의 다른 한쪽 끝은 주형의 역할을 한다: 일부는 삐져나온 부분과 상보적이고 나머지 부위는 편집된 염기서열을 지니고 있다. 삐져나온 부위와 pegRNA일부가 결합한 후 역전사효소에 의해 pegRNA를 주형으로 원하는 DNA염기서열이 만들어진다. 이렇게 만들어진 조각은 다시 원래의 DNA분자에 끼어들어간다. 상보적인 가닥의 2번째 nick의 도움으로 원래의 가닥은 제거되고, DNA 손상회복 기전에 의해 다른 가닥도 원하는 염기서열로 바뀌게 된다. Broad Institute에서 Liu의 실험실에서 일하는 동안, Anzalone은 실험관에서의 유전자 편집에는 성공했다. 하지만 인간 세포에서의 첫 실험은 실패했다. 그는 아마도 flap(삐져나온 부위)와 결합하는 pegRNA의 길이에 문제가 있었다고 생각했다. 다음 실험에서 그는 시험관에서 사용한 것에 비해 단 한 개의 염기를 더 붙여 실험하게 되었다. “그 단 하나가 백그라운드 편집 확률보다 높게 나오게 한 것 같았죠.”라고 말했다. 마침내 2019년에 그는 유전자 편집에 있어 믿을 만한 기술을 확보하게 되었다. 그는 좀더 긴 결합서열을 이용해 실험을 반복했고, “그때 저는 실험실에 있었어요 – 아마 수요일이었던 것 같습니다. – 내가 있던 Broad Institute에는 몇 명의 사람들이 더 있었습니다. 그들은 내 어깨 너머로 데이터를 분석하는 과정과 마침내 유전자 편집 성공률(%)이 한자릿 수를 보이기 시작한 걸 보았죠. 아주 흥분된 하루였습니다.”라고 말했다. Nature에 게재된 이 논문을 심사했던 University of California, Berkeley의 생물공학자인 Fyodor Urnov는 “제가 무엇보다 놀란 것은 이것이 대표하는 주제의 놀라운 확장성입니다.”라고 말했다. 이어 “우리가 자연으로부터 무언가를 원한다면 자연과 싸울게 아니라, 협동해야 하는 겁니다.”라고 말했다. Twin prime: 차세대의 prime editor 최초의 prime editing은 단일 염기 치환에서 십여 개 염기의 삽입이나 제거에 이르는 비교적 작은 돌연변이에 집중되었고, 질병과 관련된 긴 서열을 고치기는 불가능했다. 결국 Anzalone, Liu 그리고 동료들은 twin prime editing을 들고나오게 된다. Twin prime editing이란 이름은 수학의 twin prime conjecture에서 따온 이름으로 소수(prime number)가 무한한 것처럼 소수의 쌍, 즉 17과 19처럼 p, p+2의 관계를 갖는 수도 무한하다는 추측이다. Anzalone의 동료 중 수학을 전공하는 친구가 있었고, “재미있는 생각인 것 같아요.”라고 말했다. Twin prime editing을 위해서 Anzalone과 Liu는 2개의 pegRNA를 이용했다. 가운데가 겹치는 2개의 삐져나오는 부위(flap)를 만들어 각각 다른 pegRNA에 의해 반반씩 만들어지도록 하여 보다 큰 DNA부위를 편집하는 것이다. 하지만 이 twin prime editing 방법을 써도 100 bp이상의 긴 DNA 조각을 넣는 것은 어렵다. 이를 해결하기 위해 이들은 중간에 또 다른 부위를 삽입했다: 특정부위 재조합효소(site-specific recombinase)이다. 자연계에서 이 효소는 DNA의 특정 부위를 인식하여 자르고 큰 조각을 붙인 뒤 다시 연결한다. Anzalone과 Liu의 연구팀에겐 이런 능력을 가진 효소를 twin prime editing의 삽입 능력을 향상시키는데 사용하는 것이 완벽해 보였다. 이들은 이 효소의 자리 인식에 twin prime editing을 사용하기로 하였다. Anzalone과 Liu가 함께 설립하고 현재 Anzalone이 일하고 있는 Prime Medicine사는 이 prime assisted site specific integrase gene editing을 bulked-up twin prime editing system PASSIGE라고 이름 붙였다. “이것으로 유전자 크기의 조합이 가능해졌습니다.” Anzalone의 말이다. Anzalone과 Liu는 PASSIGE를 이용해서 작거나, 중간 또는 큰 수준의 편집이 가능한 prime editing의 도구를 만들어낸 것이다. 다음 단계는 분명해 보인다. 어떻게 이를 이용해 새로운 유전자 치료법을 개발해 내는가 하는 것이다. Prime editing의 전망 여러 prime editing system이 있지만 치료를 위한 prime editing의 개발은 다른 유전체 편집에 비해 어려울 수 있다. “이는 원조 CRISPR-Cas9 system이나 RNA를 사용한 표적부위의 염기 편집처럼 간단하지는 않습니다.” Anzalone의 말이다. “Prime editing에서 guide sequence에 대한 다양한 조작과 변형을 주어 편집 효율에 있어 정말 큰 차이를 만들어냈습니다.” 편집 효율을 높이는 것에 어려움이 있긴 하지만 이걸 이유로 몇몇 질환들에 대한 Prime Medicine을 멈추게 할 수는 없었다. 그들은 ex vivo 프로그램에서 만성 육아종병(chronic granulomatous diseases, CGD; 식세포의 기능이 떨어져 지속적인 감염증이 나타나는 면역결핍질환으로 유전병으로 알려져 있다.)을 치료하는데 가장 앞서 나가고 있다. “우리는 굉장히 믿을 만한 전임상 결과들을 갖고 있습니다.” Anzalone이 말했다. Anzalone은 아직 시작에 불과하다고 생각한다. “점돌연변이를 교정하는 것을 넘어서, 반복부위 확장(repeated region expansion)으로 인한 질병, 예를 들면 허딩턴병(Huntington’s disease)이나 프리드리히형 실조증(Friedreich’s ataxia)에 대해 질병유발 반복부위를 제거하여 환자들에게 유효한 영향을 줄 수 있다고 생각합니다.” 그는 또한 암을 제거하는 CAR-T 세포를 만들 수도 있다고 한다. “아직 우리의 진행 계획에 올라와 있지도 않지만 말이죠.” Urnov는 이 과정이 매우 흥미롭고 Prime Medicine을 환자에게 빨리 적용해보는 것이 급선무라고 한다. “prime editing이 해야할 일은 그들이 제시한 계획에 따라 이 기술을 이용하여 본보기로 한 두가지 질환에 대한 발전을 강행해야 할 필요가 있습니다.”라고 말했다. 그는 Anzalone과 그의 연구팀이 환자를 도울 어떤 변환작업을 하는 대신 기술적 완성에 집중하는 것을 보고 싶지는 않다고 했다. “임상에 적용할 때까지 기술의 잠재력과 안전을 위해 최적화 할 수 있다는 생각은 이 분야에서는 옳은 태도가 아닙니다.”라고 말한다. 그의 의견에 따르면 만약 제한 기준에 맞고 환자들에 관해서도 투명하다면 그것으로 충분하다는 것이다. “prime editing의 적용을 기다릴 이유는 없다고 생각해요.” Anzalone은 Prime Medicine이 두 가지 목표를 모두 이루기를 바라고 있다. 그는 prime editing의 혜택을 최대한으로 끌어올리는 방법으로 소위 “marching up the chromosome (염색체 행진)”이라고 부르는 방법을 생각한다. 즉, 가장 보편적인 환자 집단에 하나의 돌연변이를 넣고 결과에 따라 각기 다른 pegRNA를 이용해 2번, 3번 시도를 계속하는 것이다. 다른 하나는 “long flap” system을 이용해 환자집단에서 볼 수 있는 특정한 엑손의 모든 돌연변이를 한번에 대치하는 것이다. “하나의 치료제가 한 환자가 아니라 많은 수의 환자를 치료하는 거죠.”라고 말한다. 이런 희망사항들이 결실을 맺기 까지는 많은 시간이 필요할 것이다. 그 동안 그는 그들이 개발한 기술을 더욱 발전시킬 것이다. 하지만 이런 과정에서 새로운 기술이 선호되고 전략화되기가 얼마나 어려운지 보여주기도 한다. 어느 질병을 택할 것인가? 누가 최초로 시도할 것인가? 이런 질문들은 쉽게 답할 수 없는 것들이다. “새로운 생명과학기술의 경우는 (목표에 도달하기 위해서) 얼마나 많은 것들을 해야하는지 파악하는 것입니다.” Anzalone은 말한다. “이곳의 모든 사람들은 (이 모든 것들이) 어떻게 될지 보고 싶죠. 만약 우리가 그런 위치에 갈 수 없다면 창피한 일이 될 겁니다.”라며 말을 맺었다. Ida Emilie Steinmark, PhD., Prime editing comes of age. The Scientist Sep 8, 2023 References 1. Kosicki M, et al. Repair of double-strand breaks induced by CRISPR-Cas9 leads to large deletions and complex rearrangements. Nat Biotechnol. 2018;36(8):765-771. 2. Anzalone AV, et al. Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature. 2019;576(7785):149-157. 3. Anzalone AV, et al. Programmable deletion, replacement, integration and inversion of large DNA sequences with twin prime editing. Nat Biotechnol. 2022;40(5):731-740. 4. Zhao Z, et al. Prime editing: advances and therapeutic applications. Trends Biotechnol. 2023.
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