고차원적인 사고와 기능을 수행하는 인간의 뇌에는 천억 개 이상의 신경세포가 존재한다. 각각의 신경 세포는 고유의 기능을 수행하기 위해 특화된 반면, 시냅스라는 신경간 연결회로를 통해 전체 신경계를 구성한다. 이러한 신경세포가 탄생하고 기능적 단위로 분화되는 과정은 출생 전 발생단계에 대부분 이루어진다.
신경발생 및 기능 연구실은 신경세포의 다양성 및 세분화, 기능적 분화 에 작용하는 전사인자 간 상호 작용 및 전사 메커니즘, 유전자의 발현조절을 분자생물학, 세포생물학, 생화학, 유전학적 분석기법을 적용하여 연구한다.
본 연구실은 신경전구체의 분화 기전을 분석하고, 신경세포의 형성 및 이동 메커니즘을 밝히기 위한 연구를 진행한다. 궁극적으로는 인간에서 뇌의 주름을 형성하는 메커니즘을 발견하고, 대뇌 피질을 구성하는 신경세포의 이동 기전을 밝히는 것이 목표이다.
뇌발생과정에서 신경전구세포는 신경세포와 같은 다양한 세포들로 분화되며, 본 연구실은 이러한 과정에서 신경 발생 관련 인자의 역할에 집중하여 연구를 수행한다. 구체적으로 닭, 마우스 배아에서 신경 발생 관련인자들을 억제 또는 과발현시켜 신경전구세포의 분화 기전을 연구한다. 종간비교분석을 통한 인간 뇌발달이해를 바탕으로 궁극적으로 인간 고유의 고차원적 사고와 근간을 규명하고자 한다.
대뇌피질은 수많은 신경세포들로 구성되어 있으며 이러한 신경세포들은 정확한 위치로 이동해야 한다. 본 연구실에서는 신경세포가 어떠한 기전을 통해 대뇌피질에서 정확한 위치로 이동되는지 연구하며, 특히 자궁내 전기청공법과 같은 특수한 실험 기법을 통해 신경세포의 이동에 미치는 분자기전을 밝히기 위해 다양한 분자들을 타겟하고 있다.
초기 신경 발생 과정 동안 척수 내에는 다양한 종류의 신경세포가 생성되고 회로를 형성한다. 척수 내에 존재하는 운동신경 전구세포는 부위별 다양한 조합의 전사인자를 발현하여 다양한 종류의 운동신경의 생성 및 분화가 촉진된다. 이들 운동신경은 각각의 표적 근육에 축삭 돌기를 타겟팅하여 신경근접합부를 형성하고, 근시냅스 말단에서 신경전달물질인 아세틸콜린을 분비하여 골격근의 수축을 촉진하여 우리 몸의 움직임을 조절한다.
본 연구진은 발생 과정 동안 운동신경의 생성 및 분화에 관여하는 전사인자의 유전자 발현 조절 기작을 규명하고 운동신경 분화 및 신경근접합부의 형성 과정을 연구한다. 근육의 움직임을 조절하는 다양한 종류의 운동신경의 생성 및 분화를 확인하고 다양한 시기에서 신경근접합부 형성을 확인한다. 또한, 여러 운동신경 관련 유전자를 조절하는 전사인자를 암호화하는 유전자 결핍 동물 모델에서 근육 운동의 결함을 행동학적으로 분석하여, 운동신경 특이적 전사인자의 기능 및 동작 제어 원리를 규명하고자 한다.
신경교세포는 중추신경계의 조직을 지지하는 세포로 뇌와 척수의 내부에서 신경세포에 필요한 물질을 공급하고 신경세포의 활동에 적합한 화학적 환경을 조성한다. 특히 성상교세포(astrocyte)는 시냅스의 기능 조절 및 항상성 유지에 작용할 뿐 아니라, 뇌 손상 및 감염 등 병적 상황에서 비정상적인 증식 현상(reactive gliosis)과 흉터 조직(Glial scar)을 형성하여 신경질환을 조절한다. 따라서 반응성 신경교증의 이해는 신경 질환의 완화 및 신경재생시도에 기여할 것이다.
본 실험실은 일차 배양된 microglia, astrocytes를 대상으로 reactive gliosis 유도환경에서의 형태적 변화, 유전자 및 단백질 발현 증감, 사이토카인 분비 양상 등을 각종 세포생물학, 생화학, 분자생물학, 생물정보학 기법으로 확인하여 병적환경에서 신경교세포의 역할 및 작용 기전에 대해 연구한다.
최근 인간 신경계의 복잡성과 차별성이 밝혀지면서 인간뇌발생 및 질환 연구를 위한 모델시스템이 필요하게 되었다. 예를 들어, 역분화 줄기세포를 이용한 환자 특이적 메커니즘 및 맞춤형 치료제 개발을 위해 많이 활용되는 추세이다. 본 연구실은 줄기세포 기술을 이용하여 인간 기반의 신경 발생 연구를 진행한다.
인간 줄기세포는 여러 발생 과정과 연관된 인자를 처리하여 척수 NSC (Neural stem cell)로 분화가 가능하다. 줄기세포부터 분화된 척수 NSC를 이용하여 운동신경으로 분화 시킬 수 있는데, 이러한 기술을 통해 정상 및 환자의 역분화 줄기세포를 운동신경으로 분화시켜 환자 특이적 운동신경 메커니즘 연구가 가능하다.
Neural Organoid는 줄기세포의 3차원 입체 배양 기술로 만든 인간 유사장기모델이다. In vitro 방식의 배양 기술로 3차원의 인간 뇌, 척수와 유사한 구조를 모사함으로써 인간 특이적 뇌, 척수 신경세포의 발생과정을 연구하는데 활용된다. 본 연구실은 뇌, 척수 오가노이드를 이용하여 정상 및 환자에서 인간 특이적 NSC (Neural stem cell)의 기능 및 발생과정을 연구한다.
