빛을 사용하여 세포 기능 회복
날짜:
2022년 8월 2일
원천:
신시내티 대학교
요약:
과학자들은 빛 활성화 단백질이 세포 내 기능 장애를 정상화하는 데 도움이 될 수 있다는 새로운 연구를 발표했습니다. 이 기술은 자연적으로 미토콘드리아의 균형을 유지하는 데 도움이 됩니다.
신시내티 대학(University of Cincinnati)의 새로운 연구는 빛이 암을 포함한 특정 질병의 치료제로 사용될 수 있다는 초기 징후를 보여줍니다.
UC, University of Illinois Urbana-Champaign, University at Buffalo의 연구원들은 7월 25일 Nature Communications 저널에 빛 활성화 단백질이 세포 내 기능 장애를 정상화하는 데 도움이 될 수 있다는 연구 결과를 발표했습니다 .
이 연구는 세포의 "발전소"이자 에너지원으로 작용하는 세포 내의 소기관인 미토콘드리아의 기능에 중점을 둡니다. 소기관은 세포 내에서 다양한 작업을 수행하는 작은 특수 구조입니다.
이 연구의 저자 중 한 명인 Jiajie Diao 박사는 수백 개의 미토콘드리아가 지속적으로 합쳐지고(융합이라고 하는 과정) 더 작은 부분으로 분열되어 건강한 세포에서 균형을 유지한다고 말했습니다. 그러나 미토콘드리아가 제대로 기능하지 않으면 이 분열과 융합 과정의 불균형이 발생합니다.
이러한 불균형은 치매 및 특정 암과 같은 퇴행성 신경 질환을 비롯한 여러 미토콘드리아 질환으로 이어질 수 있습니다.
Diao는 이전 연구에서 리소좀이라고 불리는 세포 내의 또 다른 소기관이 미토콘드리아 분열에서 역할을 할 수 있다는 것을 발견했다고 말했습니다. 미토콘드리아가 리소좀과 접촉하면 리소좀이 가위처럼 작용하여 미토콘드리아를 더 작은 조각으로 절단할 수 있습니다.
현재 연구는 세포 내에서 리소좀과 미토콘드리아를 함께 가져와 핵분열 과정을 시작하는 데 초점을 맞췄습니다. 이것은 빛을 사용하여 특정 세포 기능을 정확하게 제어할 수 있는 광유전학으로 알려진 기술을 사용하여 수행되었습니다.
"식물의 많은 단백질은 빛에 민감하여 식물에게 낮인지 밤인지 알립니다. 광유전학은 식물에서 이러한 빛에 민감한 단백질을 차용하여 동물 세포에 사용합니다."라고 일리노이 대학교 어바나 대학교 부교수인 Kai Zhang이 말했습니다. 샴페인과 연구 공동 저자는 청색광으로 미토콘드리아와 리소좀을 제어하기 위한 광유전학 도구를 개발했습니다. "이러한 단백질을 세포소기관에 부착함으로써, 이 연구에서 보여진 미토콘드리아와 리소좀과 같은 이들 사이의 상호작용을 제어하기 위해 빛을 사용할 수 있다"고 그는 말했다.
연구자들은 줄기 세포 내의 미토콘드리아와 리소좀에 두 개의 개별 단백질을 부착했습니다. 청색광에 의해 자극을 받으면 단백질은 자연적으로 서로 결합하여 하나의 새로운 단백질을 형성하고 미토콘드리아와 리소좀이 접촉하게 됩니다. 일단 그들이 모이면 리소좀은 미토콘드리아를 절단하여 핵분열을 달성할 수 있습니다.
"우리는 미토콘드리아 기능을 회복할 수 있다는 것을 발견했습니다."라고 UC 의과대학 암생물학과 부교수이자 신시내티 대학 암센터 회원인 Diao가 말했습니다. "일부 세포는 정상으로 돌아갈 수도 있습니다. 이것은 간단한 빛 자극을 사용하여 세포의 미토콘드리아 기능을 적어도 부분적으로 회복할 수 있음을 증명합니다."
Diao는 이 기술이 정상적인 세포 기능을 달성하기 위해 더 작은 조각으로 나누어야 하는 극적으로 큰 미토콘드리아를 가진 환자에게 특히 유용할 수 있다고 말했습니다. 이 기술은 또한 암세포를 겨냥하여 미토콘드리아가 더 이상 기능을 할 수 없을 때까지 계속해서 더 작은 조각으로 분리할 수 있습니다.
"미토콘드리아가 에너지이기 때문에 결국 암세포가 죽게 될 것입니다."라고 Diao는 말했습니다. "정상적인 기능의 미토콘드리아가 없으면 모든 암세포가 죽습니다."
단백질은 빛에 의해 활성화되기 때문에 특정 세포에 보다 표적화된 접근이 가능하다고 Diao는 말했다. 빛에 노출된 세포만 영향을 받습니다. 즉, 주변의 건강한 세포는 이 기술을 통해 균형을 잃은 미토콘드리아가 없습니다.
현재 미토콘드리아 분열을 유도하는 데 사용할 수 있는 다른 과정이 있지만 Diao는 광유전학적 방법이 화학 물질이나 독성 물질을 포함하지 않기 때문에 더 안전하다고 말했습니다.
"우리가 가진 것은 실제로 자연스러운 과정입니다. 우리는 그것을 더 빠르게 만들고 있습니다."라고 Diao가 말했습니다. "따라서 부작용을 줄여야 하는 화학 요법이나 요법이나 방사선 요법과 다릅니다."
다음 단계
Diao는 그의 팀이 이미 미토콘드리아가 너무 작고 세포 내에서 결합해야 하는 것처럼 결합되지 않기 때문에 불균형할 때 문제를 해결하기 위해 융합을 장려하기 위해 동일한 기술을 사용하는 작업을 하고 있다고 말했습니다.
Zhang의 연구실에서 추가 연구에는 녹색, 적색 및 적외선을 포함한 다양한 색상의 빛으로 작동하는 새로운 광유전학 시스템 개발도 포함될 것입니다. 왜냐하면 인간 조직을 관통하려면 더 긴 파장이 필요하기 때문입니다.
"우리는 소기관이 어떻게 행동하고 상호 작용하는지 제어하는 다양한 방법을 제공하기 위해 다색 광유전학 시스템을 도입하여 도구 상자를 더욱 확장하고 싶습니다."라고 Zhang이 말했습니다. "예를 들어, 한 색상은 세포 소기관을 한데 모으게 하고 다른 색상은 세포 소기관을 분리시킵니다. 이런 식으로 우리는 그들의 상호 작용을 정확하게 제어할 수 있습니다."
연구팀은 현재 인간줄기세포를 활용한 연구에서 동물모델을 통한 효능 검증을 진행해 궁극적으로 임상을 통해 인간을 대상으로 기술을 테스트할 수 있기를 희망하고 있다. 동시에 Diao는 다른 연구 그룹이 유사한 결과를 달성하기 위해 빛 대신 자기장과 음향 진동의 사용을 연구하고 있다고 말했습니다.