Optogenetics: 빛으로 제어하는 유전자, 경로, 세포

옵토제네틱스 개요

옵토제네틱스: 빛을 이용한 유전자, 경로 및 세포 제어

옵토제네틱스(Optogenetics)는 빛을 이용하여 생물학적 과정을 조절하는 일련의 기술군을 말합니다. 지난 12년간 옵토제네틱스는 신경과학 분야에 혁신을 가져왔으며 현재는 다양한 생물학 분야로 영향력을 확장하고 있습니다. 현재 신호 전달, 유전자 발현, 세포 사멸, 히스톤 변형, 세포골격 동역학 등 더욱 다양한 과정을 빛으로 제어할 수 있는 유전자 도구들이 개발되고 있습니다.

옵토제네틱스의 핵심 특징

옵토제네틱스의 놀라운 장점은 화학적 또는 유전적 효과와 달리 빛을 이용하여 매우 높은 공간적·시간적 해상도를 구현할 수 있다는 점입니다. 또한 옵토제네틱스는 다른 유전적 또는 화학적 접근법과 결합하여 실험 제어 수준을 더욱 높일 수 있습니다. 예를 들어 옵토제네틱스 구축물을 특정 세포 유형이나 세포 내 소기관 위치에 표적화하거나, 특정 화학 보조인자를 필요로 하도록 설계하여 빛 유도 효과가 발생하는 시점과 위치를 더욱 제한할 수 있습니다.

주요 광감수성 단백질 및 광센서 도메인의 활용

옵토제네틱스 실험의 핵심 구성 요소는 광감수성 단백질 또는 단백질 도메인입니다. 막 결합 로돕신(rhodopsin) 패밀리 구성원은 신경과학 분야에서 옵토제네틱 작동체(actuator)로 처음 사용된 단백질입니다. 로돕신은 일반적으로 채널 또는 펌프로 작용하는 I형과, GPCR 패밀리 구성원으로 세포 신호 전달 경로에 광범위한 영향을 미치는 II형으로 나눌 수 있습니다^1-3. 새롭게 개발된 engineered 옵토제네틱 도구는 연구자가 지정한 생물학적 기능을 매개하는 단백질 도메인과 연결된 다양한 광센서 도메인으로 구성됩니다. 다음은 일부 광센서 도메인이 옵토제네틱 실험에서 어떻게 활용되었는지 보여주는 예시입니다.

빛-산소-전압 센서(LOV) 패밀리 도메인은 광여기가 이합체화와 형태 변화를 제어하는 키메라 단백질을 설계하는 데 사용됩니다. 주목할 만한 예시로는 AsLOV2 도메인을 사용하여 신경 유전자의 핵심 조절인자인 REST를 옵토제네틱 방식으로 억제한 연구⁴, 카스파제-9와 연결된 VVD 도메인을 사용하여 세포 사멸을 광학적으로 제어한 연구⁵, LOV2 도메인을 사용하여 다양한 운동성 신호 단백질에 알로스테릭 스위치를 도입한 연구⁶, AsLOV2를 사용하여 Tet 리프레서에 대한 테트라사이클린의 결합을 조절한 연구⁷ 등이 있습니다. 청색광 센서(BLUF) 도메인은 빛에 반응하여 더 제한된 구조적 변화를 유도하며, 전사 인자 활성 조절⁸ 및 뉴클레오티딜 사이클라제 제어⁹에 사용되었습니다. 크립토크롬(CRY) 도메인은 Raf/MEK/ERK 경로의 빛 의존적 제어¹⁰에 활용되었으며, 전사 활성인자 유사 효과자(TALE) DNA 결합 도메인과 결합하여 유전자 발현 및 후성 유전적 변형의 옵토제네틱 제어를 가능하게 했고¹¹, 타겟 유전자 편집 시스템과 결합하여 빛 제어 게놈 편집을 구현하는 데도 활용되었습니다¹².

옵토제네틱스 연구 지원 벡터 및 바이러스 시스템

귀하의 연구실에서 옵토제네틱스 연구를 지원하기 위한 벡터나 바이러스가 필요하시다면, VectorBuilder.com에서 완전한 아웃소싱 서비스를 제공받으실 수 있습니다. 당사의 직관적이고 사용자 친화적인 웹 인터페이스를 통해 벡터 설계 및 주문, 바이러스 패키징 서비스를 쉽게 이용하실 수 있어, 귀하의 연구실에서는 벡터 생성, 클로닝 또는 바이러스 패키징이 아닌 실제 실험에 집중하실 수 있습니다. 당사에서 제공하는 벡터 시스템은 다음과 같습니다:

• 플라스미드(Plasmids)
• AAV
• 렌티바이러스(Lentivirus)
• PiggyBac
• 아데노바이러스(Adenovirus)
• 기타 다양한 시스템

참고문헌

1. Fenno L, Yizhar O, Deisseroth K. The development and application of optogenetics. Annu Rev Neurosci. 2011;34:389-412.
2. Zhang F, Vierock J, Yizhar O, Fenno LE, Tsunoda S, Kianianmomeni A, Prigge M, Berndt A, Cushman J, Polle J, Magnuson J, Hegemann P, Deisseroth K. The microbial opsin family of optogenetic tools. Cell. 2011 Dec 23;147(7):1446-57.
3. Koyanagi M, Terakita A. Diversity of animal opsin-based pigments and their optogenetic potential. Biochim Biophys Acta. 2014 May;1837(5):710-6.
4. Paonessa F, Criscuolo S, Sacchetti S, Amoroso D, Scarongella H, Pecoraro Bisogni F, Carminati E, Pruzzo G, Maragliano L, Cesca F, Benfenati F. Regulation of neural gene transcription by optogenetic inhibition of the RE1-silencing transcription factor. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016 Jan 5;113(1):E91-100.
5. Nihongaki Y, Suzuki H, Kawano F, Sato M. Genetically engineered photoinducible homodimerization system with improved dimer-forming efficiency. ACS Chem Biol. 2014 Mar 21;9(3):617-21.
6. Dagliyan O, Tarnawski M, Chu PH, Shirvanyants D, Schlichting I, Dokholyan NV, Hahn KM. Engineering extrinsic disorder to control protein activity in living cells. Science. 2016 Dec 16;354(6318):1441-1444.
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8. Masuda S, Nakatani Y, Ren S, Tanaka M. Blue light-mediated manipulation of transcription factor activity in vivo. ACS Chem Biol. 2013 Dec 20;8(12):2649-53.
9. Ryu MH, Moskvin OV, Siltberg-Liberles J, Gomelsky M. Natural and engineered photoactivated nucleotidyl cyclases for optogenetic applications. J Biol Chem. 2010 Dec 31;285(53):41501-8.
10. Zhang K, Duan L, Ong Q, Lin Z, Varman PM, Sung K, Cui B. Light-mediated kinetic control reveals the temporal effect of the Raf/MEK/ERK pathway in PC12 cell neurite outgrowth. PLoS One. 2014 Mar 25;9(3):e92917.
11. Konermann S, Brigham MD, Trevino AE, Hsu PD, Heidenreich M, Cong L, Platt RJ, Scott DA, Church GM, Zhang F. Optical control of mammalian endogenous transcription and epigenetic states. Nature. 2013 Aug 22;500(7463):472-6.
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