최근 해외 우수 논문 소개

Development
Nervous system regionalization entails axial allocation before neural differentiation.

Vicki Metzis, Sebastian Steinhauser, Edvinas Pakanavicius, Mina Gouti, Despina Stamataki, Kenzo Ivanovitch, Thomas Watson, Teresa Rayon, S. Neda Mousavy Gharavy, Robin Lovell-Badge, Nicholas M. Luscombe, and James Briscoe
Cell (NOV., 2018) DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.09.040

전신에 걸쳐 길게 뻗어 위치하여 뇌와 척수신경을 구성하는 중추신경계는 특유의 해부학적 특성으로 인하여 발생 과정에 대한 궁금증이 오랜 기간 제기되어 왔다. 현재 가장 가능성 있는 중추신경 발생에 대한 관점은 최초 뇌의 발생 이후 꼬리쪽으로의 연장 신호가 활성화되며, 이에 따라 척수신경이 뻗어 나온다는 가설이며, 이는 필연적으로 줄기세포가 신경계 세포로의 운명을 결정 한 이후 인체 내에서의 제 위치를 찾아간다는 생각과 맞닿아 있다. 그러나 이들 가설이 다양한 연구에 의해 검증 받고 있음에도 불구하고 아직까지 명확한 과정이 밝혀지지 않음으로써 다른 가능성에 대한 논란의 여지가 있는 것이 사실이다. 저자들은 본 연구에서 이러한 중추신경계의 발생과정을 검증하고자 하였으며, 면밀한 관찰을 위하여 줄기세포를 이용하여 중추신경계로 분화하면서 그 과정을 보고하였다. 그 결과, 특이하게도 줄기세포가 신경계의 세포로 운명을 결정하기 이전부터 신체 내 위치에 관련된 정보가 결정되는 것을 확인하였으며, 이는 두뇌 발생 및 이후의 척수신경 연장이라는 지금까지의 중추신경 발생 가설과는 달리 세포가 먼저 각기 다른 위치에 존재하며 이후 신경계로 분화함으로써 뇌와 척수신경은 서로 다른 경우의 발생 과정일 수도 있다는 추측을 가능하게 한다. 즉, 본 연구는 신경계 세포가 각 위치로 이동하여 위치에 맞는 신경세포가 된다는 가설이 아닌, 몸의 각 위치에 존재하게 된 세포가 그곳에서 필요한 신경세포를 구성하게 된다는 새로운 가설을 제시 및 증명하고 있으며, 이에 따라 향후 신경계 및 배아 발생 연구에 있어 매우 중요한 의미를 제시하였다 사료된다.

Organoid & Development
Thyroid hormone signaling specifies cone subtypes in human retinal organoids.

Kiara C. Eldred, Sarah E. Hadyniak, Katarzyna A. Hussey, Boris Brenerman, Ping-Wu Zhang, Xitiz Chamling, Valentin M. Sluch, Derek S. Welsbie, Samer Hattar, James Taylor, Karl Wahlin, Donald J. Zack, Robert J. Johnston Jr.
Science (OCT., 2018) DOI: DOI: 10.1126/science.aau6348

오가노이드의 수립은 개별 세포가 아닌 조직 및 기관에서의 시공간을 반영하는 생물학적 변화에 대한 연구를 가능하게 하는 중요한 도구이며, 이를 활용한 연구들은 과거의 단일 세포 종을 이용한 연구와는 다른 결과들을 보여줌으로써 이를 증명하고 있다. 본 연구에서 저자들은 배아 및 유도만능줄기세포를 이용한 인간 망막 오가노이드를 제작하였으며, 이를 통하여 시각의 가장 중요한 요소 중 하나인 색상 파장을 구별하는 세 가지 Retinal cone 세포의 구분 발생 과정과 이 과정에 Thyroid hormone이 관여하는 사실을 규명하였다. 배아줄기세포를 이용한 망막 오가노이드는 최초 단파장대 영역을 감지하는 cone 세포로 분화하였으며, 이후 중/장 파장 영역을 감지하는 세포의 발생이 이루어졌다. 저자들은 추가적으로 Thyroid hormone receptor가 결여된 망막 오가노이드 모델을 활용하여 Thyroid hormone의 양과 활성이 단파장 감지 세포와 중/장파장 감시 세포를 구분 발생하게 하는 요소임을 규명하였다. 본 연구는 향후 시신경의 발생 및 망막 질환을 이해하고, 시각 장애 환자의 재활을 위한 분야에 매우 중요한 정보를 제공하는 연구로 사료된다.

Stem cell approaches & animal models
Neural blastocyst complementation enables mouse forebrain organogenesis.

Amelia N. Chang, Zhuoyi Liang, Hai-Qiang Dai, Aimee M. Chapdelaine-Williams, Nick Andrews, Roderick T. Bronson, Bjoern Schwer, and Frederick W. Alt
Nature (OCT., 2018) DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0586-0

효율적인 연구 진행을 위한 기존의 chimera 제작 기법을 응용하여 다양한 특성을 지닌 동물 모델을 제작 할 수 있다. 일례로 본 연구진은 RAG2 유전자의 결손으로 인하여 면역세포를 발생하지 못하는 설치류의 배반포 단계에 정상 배아줄기세포를 주입합으로써 성체에서의 면역 세포가 특정 개체의 특징을 보유하는 연구용 설치류 모델을 제작하여 보고 한 바가 있다. 이러한 기술을 특정 장기 및 기관의 발생에 적용하면 해당 장기만 유일하게 연구자가 원하는 개체 특이성을 보이는 동물 모델을 수립 할 수 있다. 이러한 관점에 의거하여 본 연구진은 Diphtheria toxin subunit A에 의하여 신경계 결손이 발생하고 이에 따라 전뇌 발생이 불가능한 설치류 배반포에 줄기세포를 주입함으로써 정상적인 전뇌를 보유한 쥐를 태어나게 하였다. 이러한 쥐의 전뇌는 배반포 시기에 주입한 줄기세포로부터 발생한 것이며, 더불어 저자들은 본 연구에서 정상 줄기세포 대신 doublecortin-deficiency를 유도한 줄기세포를 주입하여 관련 질환 모델 쥐를 확보할 수 있음을 보여줌으로써 향후 연구자가 요구하는 전뇌의 특성을 보유한 동물 모델 제작 가능성을 보여주었다.

Future directions
A gut-brain neural circuit for nutrient sensory transduction.

Maya Kaelberer, Kelly L. Buchanan, Marguerita E. Klein, Bradley B. Barth, Marcia M. Montoya, Xiling Shen, Diego V.Bohórquez
Science (SEP., 2018) DOI: DOI: 10.1126/science.aat5236

뇌신경은 장내 환경의 영향을 받는다는 다양한 관점에서의 연구 결과가 다수 보고되고 있으며, 대표적으로 음식물의 섭취에 따른 호르몬 조절과 포만감 감지 등과 장내 미생물에 의한 독소등이 뇌 기능에 영향을 주는 연구 등이 있다. 그럼에도 불구하고 장내 환경 변화가 어떻게 뇌에까지 전달되는지는 명확하게 검증 된 바가 없어 학계의 관심 사항이었다. 지금까지는 장내 영양 상태가 변화하는 경우, 호르몬 분비 및 순환계를 통하여 뇌에 정보가 전달되는 것으로 알려져 있었으며, 이는 비교적 느린 전달에 적합함으로써 연구자들은 신속한 정보 전달을 위한 다른 연결 메커니즘의 존재에 대한 의구심을 가지고 있었다. 저자들은 본 연구에서 장 내 영양 공급 상태에 따라 변화하는 정보가 호르몬에 의하여 가능한 그것보다 훨씬 신속하게 전달된다는 점에 착안하여 신경망을 통한 직접적 장-뇌 연결 축이 있을 것이라 추측하였고, 광유전학 기술을 이용하여 이를 검증하였다. 광유전학 기술에 의하여 활성화된 특정 장신경세포는 이를 뇌에까지 직접 연결하여 전달함으로써 저자들이 예상한 신속한 신호 전달 기전으로 여겨지며, 이는 향후 소화계와 신경계의 상호관계를 연구하는데에 있어 매우 중요한 정보를 제공하는 연구라 사료된다.

Resource
Single-cell transcriptomics of the aged mouse brain reveals convergent, divergent and unique aging signatures.

Methodios Ximerakis, Scott L. Lipnick, Sean K. Simmon, Xian Adiconis3, Brendan T. Innes, Danielle Dionne, Lan Nguyen, Brittany A. Mayweather, Ceren Ozek, Zachary Niziolek, Vincent L. Butty, Ruth Isserlin, Sean M. Buchanan, Stuart R. Levine, Aviv Regev, Gary D Bader, Joshua Z. Levin, Lee L. Rubin
bioRxiv (SEP., 2018) DOI: http://dx.doi.org/10.1101/440032.

상당수의 줄기세포 연구분야 과학자는 줄기세포를 활용하여 생명의 발생과 질환의 이해를 목적으로 연구를 수행하고 있다. 그러나 부단한 노력에도 불구하고 많은 연구는 세포의 성숙과 노화의 기전을 이해하지 못함으로써 연구에 상당한 제한을 경험하고 있으며, 이에 따라 maturity and aging의 이해가 필수적이라 여겨진다. 저자들은 본 연구에서 어린 쥐와 늙은 쥐의 뇌를 채취하여 분석함으로써 노화와 성숙에 의한 세포의 변화가 어떻게 이루어지는지 확인하고자 하였다. 과거의 연구에서 이러한 시도는 조직 전체 혹은 세포 군집에서의 정보를 비교하였기 때문에 일정 변화를 감지하더라도 이와 같은 현상이 정확한 변화량을 대변하는 것인지, 혹은 어떠한 특정 세포 군집에서의 변화인지를 구별할 수 없는 기술적 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구진은 단일 세포 분석을 수행하였으며, 이는 최초의 대단위 단일 세포 분석을 통한 뇌 비교분석의 의미를 가진다. 본 연구에서는 특정 세포의 군집은 연령에 따라 변화하지 않음을 확인하였고, 연령에 따른 유전자 분석 결과를 resource로 공유함으로써 발생 혹은 뇌신경 연구자들에게 향후 중요한 연구정보를 제공하였다 사료된다.