학습과 감정, 운동 기능을 맡는 뇌 영역인 '기저핵'을 단일세포 수준에서 정밀하게 분석한 3차원 지도가 완성됐다. 파킨슨병, 헌팅턴병, 투렛증후군, 중독 같은 난치성 뇌질환의 원인을 규명하고 환자 맞춤형 유전자·세포 치료제를 개발하는 실마리가 될 전망이다.
조셉 에커 미국 솔크연구소 교수 연구팀이 참여한 대규모 컨소시엄은 인간 뇌 기저핵의 유전적 특성을 단일세포 수준으로 분석한 논문 28편을 국제학술지 '셀(Cell)'과 자매지에 12일 동시에 발표했다. 2014년 출범한 미국 국립보건원(NIH) 브레인 이니셔티브 산하 세포 지도 네트워크(BICAN)의 일환으로, 솔크연구소 연구팀은 이 중 8편을 주도했다.
기저핵은 대뇌 피질 아래 깊숙이 자리한 신경세포 집단으로, 기능에 이상이 생기면 심각한 신경정신질환이 나타날 수 있다. 연구팀은 같은 DNA 설계도를 가진 세포들이 어떻게 서로 다른 기능을 하는지 밝히기 위해, 염기서열은 바꾸지 않고 유전자 발현만 조절하는 후성유전체에 주목했다. 기증자 7명의 뇌 조직에서 추출한 기저핵 세포 19만7003개의 DNA 메틸화와 3차원 염색질 구조를 분석하고, 기존 데이터와 통합해 총 26만1331개 세포의 후성유전체 지도를 만들었다. DNA 메틸화는 유전자에 화학적 꼬리표를 붙여 스위치를 켜고 끄는 과정이고, 3차원 염색질 구조는 DNA가 세포핵 속에서 입체적으로 접히는 방식이다. 이 지도는 세포 유형과 뇌 영역별 고유한 메틸화 패턴, 신경세포와 비신경세포 간 구분되는 3차원 유전체 구조를 규명해, 질환의 유전적 위험 요인이 어떤 세포에서 문제를 일으키는지 정밀 추적할 수 있게 했다.
연구팀은 기저핵을 넘어 성인 뇌 18개 영역, 총 75만 개 세포를 아우르는 다중오믹스(multi-omics) 통합 지도도 만들었다. 히스톤 변형, DNA 메틸화, 염색질 구조, 전사체 등 여러 생체 데이터를 결합해 분석하는 기법으로, 유전체 데이터베이스와 대조해 신경정신질환에 취약한 세포 유형과 원인 유전자를 짚어냈다. 셀에는 인간·원숭이·생쥐 종간 비교로 표준 뇌세포 지도의 기틀을 마련한 논문, 기저핵 8개 영역의 히스톤 변형과 전사체를 분석한 연구, 성상교세포 다양성 연구, 성체 생쥐 뇌세포 250만 개 후성유전체 지도 등이 실렸고, '셀 리포츠 메소드'에는 데이터에 쉽게 접근할 수 있는 온라인 데이터베이스 논문이 게재됐다.
에커 교수는 "이번 뇌세포 지도는 암이나 알츠하이머병, 신경발달장애 등 다양한 분야의 연구자들이 세포를 어떻게 조절해야 질병을 예방하고 치료할 수 있는지 참고하는 기준이 될 것"이라며 "파킨슨병, 헌팅턴병 같은 난치성 뇌질환의 근본 원인을 규명하고 맞춤형 치료제를 개발하는 데 중요한 토대가 될 것"이라고 말했다. 다만 이번 성과는 기초연구 단계로, 실제 치료제 개발까지는 추가 연구가 필요하다.
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