생명/의료

코로나19 백신 개발에서 단계적 성과 거둬

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2020년 3월 3일, 중국중앙텔레비전방송국 뉴스프로그램 "신원롄보(新聞聯播)"는 군사의학연구원 천웨이(陳薇) 연구팀이 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 백신 개발에서 단계적 성과를 거뒀다고 보도하였다. 천웨이는 사스(SARS·중증급성호흡기증후군), 에볼라 등과의 싸움에서 중요한 기여를 한 여성과학자이다. 그는 2015년 7월에 소장계급장을 달았고 2019년 11월에 중국공정원 원사로 선출되었다. 현재 군사과학원 군사의학연구원 연구원직을 맡고 있는 그는 이번 코로나19 백신 개발 레이스에서 우승을 다투는 "유력선수"로 주목받는다. 올해 54세인 천웨이 소장은 2020년 1월 26일 전문가팀을 이끌고 우한에 진입하였다. 이틀 후인 2020년 1월 28일 군사의학연구원이 지방의 관련 회사와 공동으로 개발한 코로나19 핵산검사 시약키트(RT-PCR 형광탐침법)가 국가약품감독관리국의 긴급승인을 받고 의료기기 등록증서를 발급받았다. 그리고 나흘 후인 2020년 1월 30일 긴급운영에 돌입한 군사과학원 텐트식 이동검사실험실에서 자체적으로 개발한 검사시약키트와 핵산 완전자동 추출기술을 결합하여 핵산검사 시간을 대폭 단축함으로써 확진 속도를 높였다. 2020년 1월 말 "중국과학보"와의 특별인터뷰에서 천웨이 소장은 최대 관심사인 코로나19 백신 개발과 관련해 전세계 과학자 모두 백신 개발에 박차를 가하고 있다고 밝혔다. 백신 개발은 고유의 주기와 규칙이 있는데 반해 현재 신종 바이러스에 대한 생물학적 특성, 발병 메커니즘, 전파 메커니즘, 민감계층(susceptible population) 등에 대한 이해는 아직도 매우 미흡하다. 천웨이 소장은 일부에서 전해지는 가장 빠르게는 "1개월" 내에 백신을 획득할 수 있다는 보도와 관련해 그런 날이 빨리 오기를 희망하였다. 2020년 1월 28일 미국 트럼프 대통령이 미국과학자가 12주 내에 코로나19 백신을 개발해낼 것이란 발표에 대해서는 중국 연구진이 미국에 뒤지지 않을 것이라며 신심을 드러냈다. 신종 코로나바이러스가 아무리 빨리 변이하더라도 코로나바이러스 대분류를 벗어나지 못한다. 현재 빠른 진전을 보이는 빅데이터 연구에 힘입어 바이러스가 일단 변이하기만 하면 생물정보학 또는 빅데이터 발굴을 통해 공동의 표적항원, 발병 메커니즘 또는 수용체를 발견할 수 있어 백신 개량에 신속한 가이드를 제공할 수 있다.

대뇌 작업기억 중 정보저장 관련 신경메커니즘 규명

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2020년 3월 5일, 중국과학원 뇌과학·지능기술탁월혁신센터(신경과학연구소)/상하이뇌과학·유사뇌연구센터/신경과학국가중점실험실 리청위(李澄宇) 연구팀의 논문이 "무과립 섬피질 즉시성 뉴런활동이 새 임무 학습시의 작업기억 저장을 조절"이란 제목으로 "Neuron"에 온라인으로 게재되었다. 작업기억이란 대뇌가 초 단위 규모 내에서 정보를 저장 및 조종하는 일종의 기본적 인지기능으로서 인간의 일상생활의 기본적인 수요일 뿐더러 인간 고유의 수많은 고급 인지기능의 기초이다. 그 예로 읽기, 사고, 언어학습 등을 들 수 있다. 약 반세기에 거친 연구를 통해 과학계는 대뇌가 작업기억 중 어떻게 정보를 저장하는지와 관련해 1)지속성 코딩과 2)즉시성 코딩 등 2가지 가능한 신경메커니즘이 존재한다고 제시하였다. 전자는 대뇌가 소량 뉴런의 지속성 방전만으로도 정보를 저장할 수 있다고 주장하는 반면 후자는 대뇌가 대량 뉴런의 즉시성 방전(단일 세포수준에서)을 통해 정보를 저장한다는데 무게를 두고 있다. 기존의 전기생리학적 기록에 기반한 상관성 연구에서 상기 2가지 정보 코딩 방식 모두 그 역할을 발휘하는 것으로 나타났지만 그동안 실험기술 조건의 제한으로 아직까지 해당 2가지 정보 코딩 방식과 작업기억 행동조절의 대응관계를 직접적으로 비교한 연구보고는 없다. 이를 감안해 연구팀은 행동학, 광유전학, 전기생리학 등 수단을 종합적으로 응용해 심층연구를 수행하였다. 연구팀은 머리부를 고정시킨 생쥐를 이용해 후각자극 기반의 작업기억 행동패러다임 및 고효율 안정적 행동훈련시스템을 성공적으로 개발하였다. 아울러 반증법을 통해 다음과 같은 타당성 있는 실험방안을 고안해냈다. 즉, 생쥐 행동수준에 대한 하향조절 또는 상향조절을 통해 즉시성 및 지속성 뉴런이 어떤 변화를 발생하는지를 모니터링한다. 연구팀은 광유전학적 수단을 통한 무과립 섬피질(agranular insular cortex, aAIC)의 유도기(lag phase) 전기활동 억제가 생쥐 학습기 작업기억 임무수행의 행동표현 수준을 뚜렷이 하향조절할 수 있음을 발견하였다. 3그룹 대조실험과 결합해 연구팀은 aAIC 뇌영역은 감각정보, 동기수준(motivation level), 운동제어 등을 코딩하는 것이 아닌 작업기억의 단기적 정보저장 과정에 주로 관여함을 입증하였다. 심층적 연구를 통해 내측 전전두피질(medial prefrontal cortex, mPFC)부터 aAIC까지 투사 억제도 생쥐의 행동표현 수준을 효과적으로 하향조절할 수 있고, 즉시성 뉴런 비율도 효과적으로 하향조절할 수 있음을 발견하였다. 하지만 지속성 뉴런 비율이 이와 일치한 변화를 발생하는 것은 발견하지 못했다. 반대로 mPFC부터 aAIC까지 투사 활성화는 행동 수준을 뚜렷하게 상향조절할 수 있고, 즉시성 뉴런 비율도 뚜렷하게 상향조절할 수 있었다. 상기 결과는 즉시성 뉴런(지속성 뉴런이 아님)이 생쥐 작업기억 수행의 행동표현 수준과 더 밀접하게 연관됨을 시사한다. 즉, 즉시성 코딩 신경메커니즘이 작업기억 중 정보저장을 관장할 가능성이 더 크다. 상기 결론을 더한층 검증하기 위해 연구팀은 두 번째 실험을 설계하였다. 해당 실험의 논리적 기반은, 작업기억 과정 중에 다양한 교란성 자극을 인위적으로 추가하는 한편 즉시성 및 지속성 뉴런과 생쥐 외부 교란성 자극 저항능력의 연관성을 모니터링함으로써 작업기억에서 어느 유형의 뉴런집단이 정보저장을 관장하는지를 추정하려는데 있다. 실험 결과, 생쥐가 비교적 약한 교란을 성공적으로 저항할 경우 즉시성 뉴런 비율은 뚜렷하게 증가하였다. 반대로 복잡한 교란성 자극을 효과적으로 저항하지 못할 경우 즉시성 뉴런 비율에도 상응한 상승이 발생하지 않았다. 2그룹 실험에서 지속성 뉴런 비율 모두 유의적 변화를 발생하지 않았다. 해당 결과는 즉시성 뉴런이 외부 교란성 자극 저항에 이용될 수 있어 대뇌의 임무 관련 정보 정확적 저장을 보장함으로써 임무를 성공적으로 수행함을 시사한다. 연구팀은 상기 2그룹 실험을 결합해 즉시성 뉴런(지속성 뉴런이 아님)이 작업기억 과정 중 정보저장을 관장하는 핵심 성분임을 유력하게 논증하였다. 다시 말해 기존의 실험 조건 하에서 대뇌는 즉시성 코딩 신경메커니즘을 통해 작업기억 과정에서 정보를 저장한다는데 무게를 두고 있다.

덴드로븀 새로운 종 "징화" 석곡 발견

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중국임업과학연구원 임업연구소 화훼육종재배 연구팀은 덴드로븀(Dendrobium, 일명 석곡란) 생식질 자원 수집 과정에서 기존 덴드로븀과 뚜렷이 구별되는 새로운 종을 발견하였다. 연구팀의 정바오챵(郑宝强), 왕옌(王雁)은 중국의 저명한 임업학자인 펑전화(彭镇华) 교수(1931—2014)를 기념하기 위해 해당 새로운 종을 "징화(景华)"(Dendrobium jinghuanum B.Q. Zheng & Y. Wang”)라고 명명했다. "징(景)"은 펑 교수의 교향인 "징더전(景德镇)"에서 따고, "화(华)"는 펑 교수의 이름에서 땄다. 펑전화 교수는 일생을 임업생태학, 도시 임업 및 대나무 유전 생물학 연구에 전념하고 많은 공헌을 하였다. 해당 발견은 "징화 석곡-형태와 분자를 증거로 새로운 종 입증"이라는 제목으로 "Phytotaxa"에 게재되었다. 징화 석곡을 형태가 비슷한 기존 여러 종의 석곡과 비교한 결과, 형태학적으로 징화 석곡은 새로운 종에 속하며 분자계통학적으로 징화 석곡은 Den. bensoniae와 혈연관계가 가깝고, 기존 여러 종의 석곡과는 혈연관계가 비교적 멀다. 석곡은 주로 아시아의 열대, 아열대 지역과 대양주에 분포하는데 원종이 1,500여 종에 달한다. 중국에 80여 종이 분포하고 있는데 주로 북위 30도 이남 지역에 분포하고 북위 30도부터 35도 사이에도 소량 분포하였으며 친링(秦岭) 산맥, 화이허(淮河)강 남쪽 지역에서 흔히 볼 수 있다. 석고는 정력을 보강하고 위를 튼튼하게 하며, 열을 내리고 체액 분비를 촉진하며, 폐를 윤활하게 하고 기침을 멎게 하며, 눈을 맑게 하고 몸을 튼튼하게 하는 효능이 있어 전통적인 진귀한 약재이다. 또한, 높은 관상 가치가 있으며 봄 석고(Dendrboium)와 가을 석곡(Nobile Dendrobium) 두 가지 관상류로 분류된다.

새로운 항노화 표적 유전자 발견

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중국과학원 뇌과학·지능기술탁월혁신센터/상하이뇌과학·뇌모방연구센터/신경과학국가중점실험실 차이스칭(蔡時青) 연구팀은 중국과학원 상하이파스퇴르연구소 장루빈(江陸斌) 연구팀과 공동으로 신경계 및 유전자적 관점에서 노화 원리를 규명함과 아울러 새로운 BAZ2B 표적 유전자를 발견함으로써 대뇌 노화 지연 연구에 새로운 이론적 근거를 제공했다. 해당 성과는 "2개 보수적 후성유전학적 조절인자의 건강 노화 방해"라는 제목으로 "Nature"에 게재됐다. 노화는 생물체가 시간이 흐름에 따라 각종 생리기능이 점차적으로 퇴화되어 최종적으로 사망을 유발하는 생리과정으로서 알츠하이머병, 암, 당뇨병 등 만성질환을 초래하는 최대 위험요인이다. 기존에 수명을 연장시킬 수 있는 유전자가 수백 개 발견됐다. 차이스칭 연구팀은 선행연구에서 장수 유전자가 노화 과정에서 동물의 행위 퇴화를 필연적으로 지연시키는 것은 아니며 신경전달물질을 증가시킬 경우 늙은 동물의 행위 능력을 개선시킬 수 있음을 발견했다. 이를 기반으로 차이스칭 연구팀은 장루빈 연구팀과 공동으로 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans), 생쥐 등 2종 모델동물 및 인간 대뇌 유전자 발현 데이터베이스를 결합해 항노화 표적 유전자를 찾으려고 시도했다. 결과, BAZ-2와 SET-6 등 2개의 후성유전학적 조절인자는 노화 조절 네트워크의 핵심 노드에 위치하며 또한 주로 신경계에서 발현됨을 발견했다. BAZ-2와 SET-6의 상동성 유전자는 각각 BAZ2B와 EHMT1이다. 연구팀은 인간 대뇌에서 BAZ2B와 EHMT1의 발현량은 노화에 따라 점차 증가되며 알츠하이머병 병세 악화와 정적 상관관계(Positive correlation)임을 발견했다. 이외, BAZ2B의 기능 감소는 늙은 생쥐의 인지기능을 향상시킬 수 있다. "세포의 에너지 공장"인 미토콘드리아의 기능 감소는 조직기능 퇴화의 주요 원인이다. 심층적인 연구 결과, BAZ-2/BAZ2B와 SET-6/EHMT1 기능 감소는 선충 또는 생쥐 대뇌의 미토콘드리아 기능을 향상시키며 더 나아가 늙은 선충/생쥐가 비교적 높은 행위 능력을 유지하게 한다. 알츠하이머병 환자의 대뇌 중 BAZ2B와 EHMT1의 발현량과 미토콘드리아 내의 핵심 단백질 발현량은 뚜렷한 부적 상관관계(Negative correlation)인데 이는 BAZ2B와 EHMT1가 대뇌에서 미토콘드리아 기능을 조절할 수 있음을 제시한다. 상기 연구는 선충, 생쥐 및 인간 대뇌 데이터베이스의 기존 결과를 참조했다. 인간과 생쥐 등 모델생물은 비교적 큰 종 차이가 있기에 해당 연구의 인체에서 응용은 매우 큰 불확정성이 존재한다.

뇌 내 "투쟁-도피" 뉴런 발견

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중국과학기술대학교 저우장닝(周江宁) 연구팀은 8년간 연구를 거쳐 뇌에서 스트레스 반응 행위를 담당하는 뉴런을 발견하여 유명한 과학적 문제인 "투쟁-도피 반응(Fight-or-flight response)"의 선택 비밀을 풀으므로써 부정적 스트레스 관련 장애와 질병 개선 및 치료에 새로운 방향을 제시했다. 해당 성과는 "Neuron"에 온라인으로 게재되었다. 스트레스 가득한 자연과 사회에서 모든 개체는 스트레스에 직면해 능동적으로 반응할지 아니면 수동적으로 회피할지를 선택해야 한다. 통상적으로 스트레스에 대한 동물의 행위를 통해 반응 전략을 판단한다. 연구팀은 유전자 조작 생쥐를 이용하여 행동학, 약물유전학 및 생체 내 마이크로 이미징 기술을 결합하여 연구를 수행했다. 결과, 다양한 행동 도전 장면에서 내측 전두엽의 코르티코스테로이드방출호르몬(CRF) 뉴런이 "투쟁-도피"의 선택을 결정하는 신경 생물학적 기반이다. 연구팀은 우선, 내측 전두엽의 CRF 뉴런이 일종의 억제성 중간 뉴런으로 척추뉴런과 신경회로를 구성한다는 것을 확인하였다. 다음, 생체 내 마이크로 이미징 기법으로 부정적 스트레스 하에서 생쥐가 능동적 반응행위를 선택할 경우, CRF 뉴런 활성이 증강하는 것을 관찰하였다. 꼬리매달기, 강제 수영 및 사회 경쟁 좌절 등 부정적 스트레스 조건에서 화학유전학적 방법으로 내측 전두엽 CRF 뉴런을 사멸 또는 억제하여 생쥐의 수동적 반응 행위를 증가시키고 CRF 뉴런의 활성화를 통해 능동적 반응 행위를 촉진시킬 수 있다. 개체는 장기간 부정적 스트레스에 노출되는 경우에도 정상적인 생리적 및 심리적 항상성을 유지할 수 있으며 이를 부정적 스트레스에 대한 "저항성"이라 한다. 장기간의 부정적 스트레스에서 정상적인 생리적 및 심리적 항상성을 유지하지 못하는 경우, 이를 부정적 스트레스에 대한 "민감성"이라 한다. 역학 및 임상 증거에 따르면, 수동적 반응 행위에 익숙한 개체는 "민감성" 군체로 스트레스 관련 심리적, 신체적 기능 장애 또는 정신 질환의 위험이 증가한다. 또한, 연구팀은 생쥐 "저항성" 행위에서의 전두엽 CRF 뉴런의 역할과 메커니즘을 심층 연구하였다. 장기간 사회 경쟁에서 실패한 경우, 80%의 생쥐가 "민감성"을 나타냈다. 화학유전학 방법으로 내측 전두엽 CRF 뉴런을 선택적 활성화시킬 경우, 생쥐의 능동적 반응 행위가 뚜렷하게 증가하고 "저항성" 생쥐 비율이 크게 증가하였으며 해당 효과는 비교적 긴 시간 지속되었다. 연구 결과, 내측 전두엽 CRF 뉴런은 뇌에서 스트레스 반응 행위를 조절하는 뇌 기관이다. 내측 전두엽 CRF 뉴런의 활성화를 촉진하여 능동적 반응 행위를 증강시키고 부정적 환경 스트레스에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다.

난소암 비침습적 진단 새방법 개발

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중국과학원 쑤저우생물의학공정기술연구소는 푸단대학 부속진산(金山)병원 등 8개 병원과 공동으로 난소암 비침습적 진단 새방법을 개발하였다. 해당 방법을 사용하면 환자의 핵자기공명영상만으로도 난소암 분류에 대한 정밀 판단이 가능하다. 해당 성과는 "Journal of Magnetic Resonance Imaging"에 게재되었다. 연구팀은 최초로 인공지능(AI) 기술을 난소암 환자의 영상학 진단에 응용하였다. 연구팀은 두 종류의 도합 501명 난소암 환자 핵자기공명 영상자료를 수집한 후 기계학습 방법을 통해 특징 선별 및 모델 구축을 완수하여 최종 지능적 난소암 비침습적 진단 새방법을 형성하였다. 새방법으로 얻은 기계진단 결론을 2년~13년 경력의 6명 영상의학과 의사의 진단과 비교한 결과 기계진단의 평균 진단정확도는 91.7%, 의사의 평균 진단정확도는 79.5%로 전자는 후자에 비해 뚜렷하게 높았다. 연구팀은 인공지능을 영상학적 진단과 결합시킴으로써 기존 인공 영상판독의 관념을 개변시켰다. 새방법은 임상에서 의사를 보조해 난소암 진단의 정확성을 높이는 외에 어떤 요소가 진단을 형성하는데 가장 가치가 있는지를 제시하는 등 의사를 도와 영상검사 효율을 향상시킬 수 있다.

간헐적 단식의 당뇨병 인지 장애 완화의 새로운 메커니즘 발견

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중국 시베이(西北)농림과학기술대학교 식품대학 류쉐보(刘学波) 연구팀은 선전화다(深圳华大)농업응용연구원, 스웨덴 찰머스공과대학교, 미국 서던캘리포니아대학교 연구팀과 공동으로 3년간 연구를 거쳐 최초로 간헐적 단식 모드가 2형 당뇨병 및 관련 뇌인지 장애를 개선하는 작용의 새로운 메커니즘을 밝혔다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 온라인으로 게재되었다. 연구팀은 뇌-장축 이론 시스템을 기반으로 "식이 조절 모드로서의 간헐적 단식이 만성 대사 질환과 신경 인지 개선에 보호 효과가 있다"는 관점에 입각하여 단식 모드가 당뇨병으로 인한 인지 장애에 미치는 영향을 연구했다. 연구 결과, 간헐적 단식 모드는 2형 당뇨병 생쥐의 인지 기능을 크게 향상시키고 당뇨병 증상도 현저히 개선시켰으며 생쥐 장내 유익균과 다양한 균군의 대사산물의 생성을 촉진시켰다. 아울러, 장내 메타게놈 그룹, 혈장대사 그룹, 뇌전사 그룹 등 다양한 그룹 기법과 동물 행위 테스트를 결합하여 단식 모드가 장내 균군 대사산물을 변화시키고 대뇌 해마체의 미토콘드리아 생성과 에너지 대사를 직접적으로 강화함으로써 당뇨병 생쥐의 인지장애를 완화함을 입증했다. 해당 연구 성과는 최초로 간헐적 단식 모드가 당뇨병 및 인지 장애를 개선함에 있어서 장내 균군과 대사산물의 중요한 참여 메커니즘을 밝힘으로써 인체 건강을 위한 영양 조정과 신진대사 개선에 새로운 이론적 근거를 제시했다.

포유동물의 일주기리듬 신경 메커니즘 연구 성과

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중국과학원 뇌과학지능기술탁월혁신센터/상하이뇌과학뇌모방연구센터/신경과학국가중점실험실 옌쥔(嚴軍) 연구팀은 단일세포 시퀀싱 등 기술로 생쥐 일주기리듬 중추-시교차 상핵(Suprachiasmatic Nucleus, SCN)에 대한 체계적인 세포 분류 수행을 통해 새로운 뉴런 아형을 발견했다. 아울러 일주기리듬 과정 및 광조사 자극 조건에서 해당 세포 아형의 유전자 발현의 차이를 규명함과 동시에 단일세포 수준에서 각 아형 세포의 3차원 공간분포를 완벽하게 재구성했다. 해당 성과는 "Nature Neuroscience"에 온라인으로 게재됐다. 일주기리듬은 생물체에 광범위하게 존재하며 인간의 하루 동안 운동, 수면, 대사 등 많은 생리 과정에서 주요 역할을 일으킨다. 해당 생체시계 교란은 수면장애를 포함한 다양한 질환을 유발한다. 따라서 신경계에서 일주기리듬의 생성, 유지 및 역할 발휘에 대한 연구가 필요하다. 포유동물의 일주기리듬은 대뇌의 시교차 상핵의 제어를 받는다. SCN은 망막에서 전달되는 외계의 빛/어둠 신호를 접수하여 자발적으로 일주기리듬 변화를 생성함과 아울러 리듬 신호를 온몸에 전달한다. 분자 수준에서 일주기리듬은 일련의 핵심 리듬 유전자로 구성된 전사/번역 피드백 경로에서 생성된다. 기존의 연구에 의하면 핵심리듬 유전자는 SCN의 뉴런에서 동기화 변화를 나타냄과 아울러 다양한 공간에 위치해 있는 세포는 다양한 변화 위상을 보유한다. 하지만 SCN에 대한 전면적인 세포 분류, 다양한 세포 유형이 SCN에서 공간분포 및 해당 세포 유형이 일주기리듬에서 발휘하는 역할은 밝혀지지 않았다. SCN은 생체리듬의 핵심 페이스메이커(Pacemaker)로서 광신호를 리듬 신호로 전환시키며 또한 다양한 뉴런은 다양한 위상 변화를 생성한다. 연구팀은 액적 단일세포 시퀀싱(Drop-seq), 단일분자 제자리형광잡종화(smFISH) 및 레이저 미세절제 시퀀싱(LCM-seq) 등 기술을 이용해 다양한 주야(Day and night) 시점에서 샘플링한 생쥐 SCN에 대한 분석을 수행했으며 전사체를 통해 SCN에 대한 체계적인 세포 분류를 수행한 동시에 다양한 세포 유형에서 유전자의 리듬적 발현 상황을 획득했고 또한 해당 세포 유형이 SCN에서의 3차원 공간 위치 정보를 재구성했다. 연구팀은 SCN의 상의세포(Ependymal cells), 교세포 등을 포함한 다양한 비뉴런 세포는 뉴런과 마찬가지로 광범위한 리듬 유전자 발현이 존재함을 발견했다. 이는 SCN의 다양한 세포에는 세포 특이적 리듬 기능이 있음을 제시한다. 또한 모든 비뉴런 세포의 핵심 리듬 유전자 변화 위상은 뉴런의 변화 위상에 비하여 뚜렷하게 늦어지는 현상이 존재했다. 뉴런에서 SCN의 뉴런은 SCN에 속하지 않는 뉴런에 비하여 핵심 유전자 발현이 뚜렷하게 높다. 연구팀은 SCN의 뉴런을 5종 아형으로 분류함과 아울러 광자극 실험을 통해 SCN의 다양한 뉴런 아형은 광조사 반응에 대하여 뚜렷한 차이가 있음을 발견했다. 이는 SCN 뉴런 아형이 리듬 변화 생성 및 광민감성에서 기능 구분이 존재함을 의미한다. 연구팀은 조직 투명화 이미징을 통해 SCN 뉴런 아형의 SCN에서 3차원 공간분포를 완벽하게 재구성함과 아울러 레이저 미세절제와 RNA 시퀀싱 기술을 결합해 SCN 내부에 3차원 공간의 유전자 발현 기울기(Gradient)가 존재함을 규명함으로써 SCN 세포 아형 구분 및 기능의 공간 비등방성에 대한 심층적 인식에 증거를 제공했다. 동 연구는 선진적인 단일세포 기술을 이용해 최초로 일주기리듬 중추 SCN에 대한 전면적인 세포 분류, 재구성 및 분석을 수행해 SCN의 다양한 세포 유형 및 뉴런 아형의 시공간 유전자 발현 그리고 세포 구조 등 정보를 획득함으로써 포유동물의 일주기리듬 신경 메커니즘 연구에 중요한 실마리를 제공했다.

항종양 약물 연구를 위한 새로운 은촉매 합성방법 개발

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윈난(云南)대학교 화학과학공학대학 린쥔(林军) 연구팀, 진이(金毅) 연구팀, 사오즈후이(邵志会) 연구팀은 시안(西安)교통대학교 마오솨이(毛帅) 연구팀과 공동으로 새로운 은촉매 합성방법을 개발하여 일련의 구조가 다양한 다치환 피롤 화합물을 고효율적으로 정밀 합성하였다. 해당 연구 성과는 "ACS Catalysis"에 온라인으로 게재되었다. 대표적인 N-헤테로 5원 고리골격을 보유하고 있는 다치환 피롤은 의약, 재료 및 농약분야에서 광범위하게 사용된다. 고전적 방법을 포함한 전통적인 피롤 합성 방법은 통상적으로 커플링 고리화 반응이다. 최근, 전통적 방법에 기반한 금속촉매 다성분 커플링 고리화 반응으로 다치환 피롤 화합물을 합성하는 방법에 관한 문헌 보고가 있지만 이러한 방법은 특정 한계가 있다. 예를 들어, 대부분의 피롤 고리 구축은 반응 기질의 사전 기능 활성화를 필요로 하므로 합성 완료를 위해 다단계 반응이 필요하다. 따라서 새로운 반응 방법을 개발하고 간편하고 효과적이며 다치환 선택성을 보유한 피롤 화합물 제조 방법 설계는 유기합성 방법론 분야의 도전적인 연구 과제이다. 연구팀은 쉽게 구할 수 있는 에나모네와 카빈전구체를 원료로 하여 금속은 촉매 조건에서의 삽입 반응 방법을 교묘하게 설계함으로써 고효율성, 구역 선택성, 화학 선택성을 보유한 피롤 고리 구축 방법을 달성했다. 메커니즘 제어 실험 결과, 해방 방법은 금속은 이온의 촉매조건에서 "C-C 결합 삽입"—"사이클릭 축합"—"선택성 원자단 이동"의 3중 캐스캐이드 반응 과정을 겪었다. 해당 과정은 높은 화학 선택성과 구역 선택성을 보유하며 그중, 금속은 이온의 배위 성능이 특별한 영향을 미쳤다. 연구팀은 해당 반응 전략을 이용하여 해양 천연합성 항종양 알칼로이드 Lamellarin L을 합성했다. 기존에 보고된 문헌 데이터와 비교한 결과, 새로운 합성 방법은 해당 항종양 알칼로이드 제조 과정을 단축시켰을 뿐만 아니라 총 반응 수율을 향상시켰다. 해당 성과는 항종양 알칼로이드 Lamellarin L의 효과적 합성에 중요한 의미가 있다.

활성 상태 포르밀화 폴리펩티드 리간드 FPR2의 신호 전달 메커니즘 분석

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중국과학원 상하이약물연구소 쉬화창(徐华强) 연구팀은 미국 피츠버그대학교(University of Pittsburgh) Cheng Zhang 연구팀과 공동으로 미국 밴 앤델 연구소(Van Andel Institute)의 냉동전자현미경 플랫폼을 기반으로 염증 유발성 폴리펩티드 리간드 WKYMVm 활성화 조건에서 FPR2-Gi 신호 복합체의 냉동전자현미경 구조(3.17A)를 분석했다. 아울러 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 결합하여 FPR2의 활성화 메커니즘을 해석하였으며 FPRs 수용체 패밀리가 포르밀화 폴리펩티드 리간드를 식별하는 잠재적인 보수 식별 모드를 제안함으로써 FPRs의 리간드 식별 메커니즘, 다운스트림 신호 단백질 Gi와의 결합 모드 파악 및 FPR2를 표적으로 하는 관련 약물 설계 개발에 견고한 구조적 및 이론적 기반을 마련했다. 해당 성과는 "Nature Communication"에 온라인으로 게재되었다. 세균과 숙주의 미토콘드리아 단백질에는 대량의 포르밀화된 폴리펩티드가 존재하며 이들의 공통된 특징은 단백질 서열의 N 말단 메티오닌이 포르밀화에 의해 수정되어 인체에서 포르밀화 폴리펩티드 수용체(Formyl-peptide receptors, FPRs)라 불리는 G단백질 연결 수용체 (GPCRs)에 의해 식별됨과 아울러 관련 면역 세포의 행위 변화를 유발함으로써 인체의 외인성 병원체 미생물에 대한 고유의 면역 방어를 달성하고 체내의 노화 또는 손상된 세포를 제거한다. 구조적으로 Class A류 GPCR에 속하는 FPR은 FPR1, FPR2 및 FPR3으로 구성되며 주로 호중구, 대식세포 및 백혈구 등에 존재한다. 그 중, FPR2는 모든 GPCR에서 전형적인 복잡한 리간드 종류이다. 광범위한 유래의 포르밀화 펩타이드 리간드를 모식화 식별할 뿐만아니라 HIV바이러스 유래의 폴리펩티드, 베타아밀로이드, 케모카인 등과 같은 일련의 구조와 기능이 다양한 비포르밀화 단백질 리간드도 식별할 수 있다. 포르밀화 폴리펩티드 리간드를 포함한 대부분의 리간드는 FPR2를 활성화시킨 후, 면역세포의 화학주성과 이동 및 후속적인 염증 반응 발생을 매개하지만, FPR2는 내인성 단백질 리간드(Annexin A1) 및 지질 리간드(LXA4, Resolving D1 등)에 의해 활성화되어 염증 반응의 제거를 매개하고 신체를 보호하는 역할을 한다. FPR2는 기능의 복잡성으로 인해 염증, 알츠하이머병, 에이즈, 신종 인플루엔자A 등을 포함한 관련 약물 개발의 중요한 약물 표적으로 되고 있다. FPR2 유전자가 발견되고 복제된 이후 30년 동안 FPR2에 대한 많은 생화학적 연구가 진행되었지만 관련 구조 결핍 때문에 FPR2의 활성화 메커니즘 및 다운스트림 신호 단백질과의 결합 방식은 계속 미지의 상태에 머물러 FPR2 표적 약물 개발을 크게 제한하고 있다. 연구팀은 FPR2가 방대한 양친성 리간드 결합 포켓을 보유함을 발견했다. 또한 기존에 알려진 폴리펩티드 결합의 케모카인 GPCR과는 달리, WKYMVm이 C-말단이 안쪽으로 향하는 모드로 FPR2에 완전히 삽입되어 FPR2로 하여금 보수적인 아미노산잔기 W2546.48과 직접 상호작용하고 양친성 포켓에 내장되도록 한다. 컴퓨터 시뮬레이션 분석 결과, FPR2의 세포외 영역은 아주 활성화되었다. 해당 특성은 FPR2가 다양한 화학 구조의 리간드와 결합하는 능력을 보유함을 말해준다. 연구팀은 또한, FPR2-WKYMVm의 구조 및 FPR2와 FPR1 간 69%의 높은 서열 유사성에 기반하여 FPR1의 3차원 모델을 구축하고 FPR1/FPR2 결합 포르밀화 리간드 모드에 대한 시뮬레이션 분석과 기능 테스트를 진행했다. 그 결과, 포르밀화 리간드는 N 말단이 안쪽을 향하는 형식으로 수용체에 결합되고 N 말단 포르밀 시뮬레이션 WKYMVm의 C 말단 D-Met는 FPR1/FPR2 리간드 결합 포켓 내부의 D1063.33, R2015.38 및 R2055.42 등 3개 아미노산잔기가 형성한 극성 포켓과 상호작용한다. 상기 3개의 보수적 아미노산은 FPRs모드를 구성하여 포르밀화 폴리펩티드 리간드의 중요 구조 모티브를 식별하고 포르밀화 폴리펩티드 리간드가 정확한 형태로 FPR와 결합하고 FPR을 심층 활성화하도록 한다. FPR2와 Gi는 Gαi의 α5 나선과 FPR2가 형성한 홈, Gαi의 αN-β1과 β2-β3 왜곡과 수용체의 ICL2, 및 Gβ와 FPR2의 Helix 8등 3가지 상이한 결합 계면이 존재한다. 해당 결과는 GPCR이 다운스트림 G 단백질과 결합하는 패턴의 보수성과 다양성을 나타낸다.