대한내분비학회 지난 호 웹진 보기
Webzine No.45 | 제18권 3호 <통권69호>
2025년 가을호 대한내분비학회 웹진
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2025년 가을호 대한내분비학회 웹진
김기우 연세대학교 치과대학 구강생물학교실
본 연구실은 시상하부를 중심으로 한 뇌-말초 대사 조절 기전을 규명하고, 이를 기반으로 비만, 당뇨, 노화 관련 대사 질환의 예방과 치료 전략 개발을 목표로 하고 있다.
비만은 전 세계적으로 빠르게 증가하고 있는 주요 비전염성 질환으로, 대사질환과 조기 사망의 주요 원인일 뿐 아니라 단순한 개인의 체중 증가를 넘어, 공중보건, 경제, 사회전반에 걸쳐 심각한 위기로 확산되고 있다. 의학, 보건, 사회 및 생활환경 전반에서의 발전에 따른 평균수명 연장으로 건강 수명 연장에 대한 고려 또한 필수가 되어간다. 노화 과정에서 나타나는 대사 조절 능력 저하는 노인성 대사질환의 위험 증가로 이어진다. 따라서 뇌-말초 간 대사 조절 기전, 특히 시상하부를 중심으로 한 항상성 유지 메커니즘 연구는 전 연령대의 대사질환 예방과 치료뿐 아니라, 노인성 대사질환 예방과 건강한 노화 달성을 위해 필수적이라 할 수 있고, 더불어 대사질환 치료에 있어서 맞춤형 치료 전략을 제시할 수 있다.
시상하부는 다양한 핵과 신경세포군, 비신경세포군(신경교세포, 혈관관련세포, 줄기세포 및 면역세포 등)이 혼재되어 있고, 각 핵은 고유한 입•출력 회로와 말초-중추 신호 통합 기능을 가진다. 시상하부 뉴런 집단의 해부학적, 기능적 경계가 명확하지 않기 때문에 각 뉴런 집단의 기능을 규명하는데 있어서 정밀 표적화가 필요하고, 신경과학적, 내분비•대사학, 행동과학적 연구를 병행함이 필요하다. 이러한 복잡한 신경회로 및 기능을 밝히기 위하여 다양한 연구기법을 사용하여 연구를 진행하고 있다. 아래의 연구기법은 본 연구실에서 수행하고 있는 연구기법을 주 기반으로 작성하였다.
시상하부 특정 세포 집단에서만 표적 유전자를 변형하거나 발현을 조절하는 것은 각 뉴런과 교세포의 역할 연구에 필요하다. Cre-loxP 시스템은 특정 조직과 시기에 원하는 유전자를 선택적으로 제거하거나 조절할 수 있는 정밀한 유전자 조작 도구로, cre recombinase는 특정 유전자 양 쪽 loxP 서열을 인지하여 절단 및 재조합을 일으켜, loxP 사이 유전자의 삭제(deletion), 역위(inversion), 전좌(tanslocation)등의 다양한 변형을 만들 수 있다.
시상하부 뉴런군 특이적 cre 드라이버 라인들 (AgRP-cre, POMC-cre, SF-1-cre, LepR-cre 등)로 특정 뉴런에서 유전자 조작을 유도하고, 유도형 CreERT2시스템이 도입으로 유전자 발현의 시간적 제어가 가능하며, 이를 통해 발생기 발현에 따른 비특이적 효과를 최소화 한다. 또한, Cre-loxP 시스템은 AAV(아데노연관바이러스)기반 FLEX/FLEx 벡터와 결합하여, Cre-의존적으로 발현되는 DREADD(hM3Dq/hM4Di), 옵토제네틱스(ChR2, Arch), TeLC(toxin-mediated silencing) 등의 활용을 통해, 특정 신경세포군의 활성화를 유도하거나 억제한다. 최근에는 역행성 AAV(rAAV2-retro, AAV11)를 이용하여 프로젝션 특이적 조작으로, 시상하부-뇌간, 시상하부-변연계 등 기능적 연결망을 인과적으로 입증할 수 있다. 또한 cre-loxP기반 리포터 발현 마우스와의 교배로 타겟 뉴런에서 형광 단백질 발현으로 뉴런 집단을 선택적으로 추적, 분석하는데 이용한다.
개별 신경세포 및 신경회로의 활성과 시냅스 활동을 직접 측정하여 시상하부 각 뉴런이 대사 항상성, 행동•내분비 조절에서 수행하는 역할을 기능적으로 규명할 수 있다. 특히 급성 뇌 절편에서의 patch-clamp 기록은 Cre-reporter 마우스를 이용해 표적 뉴런을 시각적으로 확인한 뒤 발화 패턴, 막전위, 시냅스 입력(EPSC/IPSC 등)을 정밀하게 측정할 수 있어, 호르몬이나 대사 신호에 대한 뉴런의 반응을 기능적으로 해석하는 데 핵심적이다. 시상하부 전기생리 연구는 신경의 활성, 회로주절, 대사 및 행동변화의 연속성을 기능적으로 알아볼 수 있는 도구로, 대사질환 기전 규명과 신경회로 기반 치료 전략 개발의 근거를 제시할 수 있다.
광섬유 형광 측정법은 유전자 조작이나 바이러스 전달을 통해 신경세포에 calcium sensor(GCaMP 등)나 신경전달 물질 센서(예: dopamine sensor)를 발현시키고, 신경세포 활성화에 따라 형광 신호가 변하면, 뇌에 삽입한 광섬유(fiber)가 이를 감지하여 형광 강도의 변화를 기록하는 방식이다. 이는 생체 내(in vivo)에서 특정 세포 집단의 실시간 활동 변화를 정량적으로 기록하는 기법으로 시상하부 신경회로가 대사 항상성 조절에 어떻게 기여하는지를 기능적으로 규명한다.
빛으로 생체 조직의 세포들을 조절할 수 있는 생물학적 기법으로, 신경활동의 조절을 위해 채널로돕신, 할로로돕신, 아키로돕신과 같은 광유전학적 작동기를 사용하고, 신경 세포를 유전적으로 조작하여 빛을 쬔 부분에서만 광유전학적 작동기가 작용하게 된다. 이를 이용해 자유롭게 움직이는 동물에서 개별 신경 세포들의 활성을 조절 및 관찰하고, 신경활동의 조절이 어떠한 효과를 유발하는지 실시간으로 확인한다. 본 연구실에서는 Cre-loxP system을 이용해 채널로돕신을 발현하는 특정 시상하부를 가진 마우스를 제작하여 광유전학적 실험을 진행하고 있다.
신경회로 분석은 시상하부 내 개별 뉴런 집단과 이들을 연결하는 신경회로의 구조와 기능을 규명할 수 있는 실험 기법으로, 정상 상태뿐만 아니라 비만, 제2형 당뇨, 노화 등 병리적 상황에서 나타나는 회로 가소성 변화와 기능 이상을 이해하는 데 필수적이다. 나아가 특정 회로를 선택적으로 조절하는 접근은 대사질환 치유를 위한 새로운 표적 발굴에 도움을 줄 수 있다.
시상하부 연구에서는 복잡한 신경회로의 입력과 출력을 밝히기 위해 순행·역행·시냅스 간 추적 기법을 활용한다. 특정 시상하부 뉴런(예: AgRP, POMC, SF-1, Kisspeptin 등)의 출력(projection)을 규명하기 위해서는 Cre-의존성 AAV-GFP와 같은 순행 추적법이 많이 쓰이고, 반대로 ARC, PVH, VMH, LHA 등으로 들어오는 입력원을 확인할 때는 CTB, RetroBeads, retroAAV를 이용한 역행 추적법이 사용된다. 더 나아가, 특정 뉴런 집단이 받는 일차 시냅스 입력을 정밀하게 분석할 때는 EnvA-pseudotyped G-deleted rabies virus를 이용한 단일 시냅스 추적(monosynaptic tracing)이 널리 쓰이며, 이 방법은 Cre-driver 마우스와 결합해 세포형 특이적 연결 규명이 가능하다.
시상하부는 다양한 신경세포와 비신경세포(교세포, 혈관세포 등)가 공존해 있고, 핵 간 기능적 특이성이 뚜렷하므로 단일 핵 수준의 분석이 필요하다. Droplet-based single-cell (scRNA-Seq) or single nucleus RNA-seq (snRNA-Seq)을 수행해 시상하부 조직내의 뉴런을 포함한 세포 유형별 전사체의 특성을 분석하여, 세포 구성, 상태 변화, 경로 활성 차이를 규명한다. 최근에는 인간 시상하부를 대상으로 구축 된 “HYPOMAP”은 대규모 snRNA-Seq 및 공간전사체(spatial transcriptomics) 통합 데이터베이스로 대사질환, 노화, 신경내분비질환 등에서 시상하부의 병태생리학적 변화를 규명하는 데 중요한 기반을 제공하고 있다.
시상하부 연구는 전통적으로 해부학적·생리학적 접근에 의존해왔으나, 최근에는 유전학적 조작, 회로 수준의 조절, 실시간 활동 측정이 가능해지면서 그 패러다임이 크게 전환되고 있다. Cre-loxP 시스템과 바이러스 벡터를 통한 정밀한 타겟팅, 전기생리학적 측정, 광섬유 및 광유전학 기술의 결합은 개별 뉴런에서 전뇌 네트워크에 이르기까지 다층적 분석을 가능하게 하였다. 앞으로는 이러한 기법들을 통한 연구를 통합하여 시상하부 기능의 세포군별·회로별 정밀 지도를 구축하고, 비만·당뇨·우울증·노화 등 다양한 질환에서의 시상하부관련 병태생리를 이해하는 데 유용하게 사용될 것으로 기대한다.