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뇌 발달에 중요한 성상교세포

Scientists give star treatment to lesser-known cells crucial for brain development

수십 년 동안 상대적으로 등한시되어 왔던 별 모양의 뇌세포인 성상교세포(astrocytes)가 마침내 주목을 받게 되었다. 미국 국립보건원(NIH) 산하 국립신경질환뇌졸중연구소(NINDS)의 과학자들은 성상교세포가 성숙하는 것을 연구하여 뇌 발달의 중요한 측면을 이해하기 위해 뇌조직과 유사한 배양접시에서 3차원 구조로 성장시키는 연구를 수행했다.

연구실에서 성장한 세포가 인간의 뇌에서 발견되는 것과 동일한 속도로 발달한다는 것을 보여준 이번 연구는 저널 뉴런을 통해 발표되었다. 이 연구는 정상적인 발달과 신경질환에 있어 성상교세포의 역할을 파악할 수 있는 귀중한 정보를 제공함으로써 뇌연구의 상당한 격차를 해소한 것이다.

2015년 스탠포드 대학의 정신과 및 행동과학과 서지우 파스카 교수는 성인 피부 세포를 추출해서 유도 만능 줄기세포(induced pluripotent stem cells, iPSCs)로 전환시킨 다음 인간 피질 스페로이드(human cortical spheroids, hCS)라고 불리는 3차원 세포 클러스터로 성장시킨 바 있다. 뇌의 특정 영역을 소형으로 만든 것과 매우 흡사한 hCS를 수개월 동안 성장시키면 결국에는 뇌에서 발견할 수 있는 뉴런, 성상교세포와 같은 기타 세포로 발달한다.

뇌연구에서 어려운 것 중에 하나가 발달의 다른 상태를 확인하기 어렵다는 것으로 이번 연구는 단계별로 뇌의 발달을 시뮬레이션하고자 한 것이다. 이번 연구에서는 최초로 hCS를 20개월 동안 성장시키면서 이루어졌다. 그 결과, 실험실에서 성장한 세포가 생애 초기 발달 중인 뇌 조직에서 직접 채취한 세포와 비슷한 방식으로 시간에 따라 변화한다는 것을 확인할 수 있었다. 이 과정은 정상적인 뇌 발달에 중요하며 정상을 벗어나면 정신불열증, 자폐증과 같은 다양한 신경질환 및 정신장애를 유발하는 것으로 알려져 있다. 환자의 세포로 hCS 세포 클러스터를 성장시킬 경우 이런 질환의 핵심을 밝혀줄 발달 생물학을 이해할 수 있을 것이다.

현재 연구에서는 hCS로 성장한 성상교세포가 뇌에서 관찰할 수 있는 것과 동일한 속도로 유전 활동, 모양, 기능 등이 발달하는 것을 보여주고 있다. 예를 들면, 성장 기간이 6개월 미만인 경우 hCS는 자궁 속에서 자라는 아기의 성상교세포와 마찬가지로 빠르게 자라면서 신경 세포 간의 불필요한 연결을 제거하는데 크게 기여함을 보인다. 하지만 9개월 이상 성장한 경우 6~12개월 아기의 성상교세포처럼 재생산을 하지 못하고 연결도 크게 줄어든 것을 볼 수 있었다. 반면에 발달 중이거나 성인의 뇌에서와 마찬가지로 초기 및 말기의 hCS 성상교세포는 뉴런 간의 새로운 연결을 촉진시키는데 동일한 효과를 보였다.

성상교세포는 단순히 뇌에 존재하는 것이 아니라 신경학적 기능에 활발히 관여하고 있으며, 다른 동물과 달리 인간의 뇌에서 그 역할이 큰 것을 고려할 때, 정상적인 뇌기능에 더욱 중요하며 제대로 동작하지 않을 경우 문제를 유발할 수 있음을 보여준다.

하지만 hCS만 다루는 뇌 모델은 실제 뇌에 비해 많은 부분이 결여되어 있다. 또한 특정 유전자는 성숙한 성상교세포에서는 활발하지만 hCS로 성장한 성상교세포에서는 발현되지 않아 더 오랜 시간 발달이 필요할 수 있음을 보여주고 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는 더 빨리 성숙한 뇌세포를 만들어 동일한 조건으로 비교할 필요가 있다. 또한 hCS는 뇌질환을 치료할 수 있는 약물을 선별하는 것과 시간이 지남에 따라 정확히 어떤 조건이 성상교세포를 변화게 만드는지 이해할 수 있는 기회를 제공할 수 있다.

[KOSEN 동향] 뇌 발달에 중요한 성상교세포