소뇌 패턴 형성에 대한 이해

저는 캐시 밀란입니다. 저는 시카고 대학의 인간 유전학과와 신경학과의 조교수입니다. 저는 뇌 발달에 대해 연구하고 있으며, 특히 세레 버틀러(Cere Butler)의 발달에 대해 연구하고 있는데, 소뇌는 두개골 뒤쪽에 있는 뇌의 일부입니다.

그리고 그것은 운동 발달에 대한 역할로 가장 유명하지만, 많은 것들에 관여하는 것으로 밝혀졌습니다. 그리고 그것은 뇌에서 정말 흥미로운 부분입니다: 패턴 형성은 생물학적 시스템에서 패턴의 발달입니다. 그리고 이 단어는 발달 생물학자들이 거의 모든 것을 의미하기 위해 말랑말랑한 방식으로 사용하는 단어 중 하나입니다.

그리고 그것이 무엇을 의미하는지는 명확하지 않습니다. 모든 발달 생물학자들은 그것이 저에게 의미하는 바에 대해 다른 버전을 제공할 것이라고 생각합니다. 이것이 의미하는 바는 뇌, 특히 소뇌가 어떻게 위와 아래에서 왼쪽과 오른쪽을 어떻게 알 수

구조의 어느 부분이 어느 부분이 될 것인지 어떻게 결정합니까? 그리고 일단 중요하고 근본적인 초기 배아 결정을 내렸다면, 어떻게 모든 세포 구조를 한데 모아 우리가 소뇌라고 부르는 정교하게 패턴화된 뇌 부분을 형성할 수 있을까요? 그래서 우리는 소뇌의 발달과 발달 중인 소뇌의 패턴 정보에 정말 관심이 있습니다.

소뇌는 정교하게 무늬가 있는 조직이기 때문입니다. 세포층이 많지 않고 세포 유형도 많지 않습니다. 그래서 뇌의 다른 부분과 비교했을 때, 특히 상대적으로 단순한 구조입니다.

또한 소뇌는 매우 특정한 기능을 가지고 있거나 많은 기능 중 하나가 운동 협응이기 때문입니다. 생쥐나 인간이 소뇌 이상이 있을 때, 그로 인한 표현형 중 하나는 운동 부조화입니다. 그래서 100여 년 동안 생쥐 유전학이 밝혀지는 동안, 여러 개의 자발적인 생쥐 돌연변이가 발견되고 어느 정도 특징이 밝혀졌지만, 그것들 역시 고립되어 잭슨 연구소의 선반에 놓여 있었는데, 그것들은 운동 이상을 가진 생쥐였습니다.

그리고 그 쥐들 중 상당수는, 제 생각에는 약 60개 이상의 자발적 균주가 소뇌 발달 이상을 가지고 있는 것 같습니다. 그리고 그 자원은 소뇌 패턴 형성을 주도하는 발달 메커니즘이 무엇인지 살펴볼 수 있는 정말 가치 있고 풍부한 자원입니다. 그래서 제 연구실에서 집중하고 있는 한 가지는 인간 게놈 프로젝트(Human Genome Project)와 마우스 게놈 프로젝트(Mouse Genome Project)에서 우리가 가지고 있는 모든 도구를 가져와서 이 분자 시약을 사용하여 모든 자연 돌연변이에서 돌연변

그리고 이러한 돌연변이를 발견함으로써 우리는 유전자를 찾기 위해 표현형 중심의 접근 방식을 취합니다. 따라서 우리는 무작위로 유전자를 채취하여 제거하는 것이 아닙니다. 우리는 표현형을 찾고 유전자를 찾고 있는데, 그 접근법을 사용함으로써 관심 시스템과 특별히 관련이 있는 유전자를 구체적으로 찾고 있기 때문입니다.

그래서 우리 실험실과 다른 많은 실험실은 이러한 자발적인 쥐 돌연변이를 많이 복제했습니다. 그리고 그 자발적인 쥐 돌연변이는 정말 흥미로운 새로운 생물학을 이끌어 냈습니다. 우리는 이 표현형 기반 접근 방식을 취하고 있기 때문입니다.

우리는 어떤 종류의 유전자를 발견하게 될 것인지에 대해 어떤 선입견도 가지고 있지 않습니다. 우리는 특별히 dal ho analogs 또는 channel mutations를 찾고 있지 않습니다. 우리는 표현형이 지시하는 유전자에 도달하고 있습니다.

그 때문에 우리는 새로운 생물학을 많이 배우고 있습니다. 예를 들어, 제 연구실에서 연구했던 유전자 중 하나 또는 표현형 중 하나는, 제가 다른 동료인 짐 리닉(Jim Linig)과 함께 박사 후 연구원이었을 때, 우리는 dre라고 불리는 쥐 돌연변이에 대해 연구했습니다. 그리고 이 쥐 돌연변이는 1929년 독일에서 처음 등장하여 잭슨 연구소에 축적되어 왔습니다.

이 특정 유전자 자리에는 여러 개의 대립유전자가 있으며, 소뇌가 잘못 형성된 것으로 알려져 있습니다. 그래서 모든 소뇌 세포 유형이 거기에 있었지만 소뇌의 패턴은 비정상적이었습니다. 중간 부분은 verus라고 불리는 중간 부분이 누락되었습니다.

그리고 우리는 이 쥐들에서 성체 표현형으로 이어진 초기 배아 표현형이 있다는 것을 발견했습니다. 그리고 그 표현형은 LMX one A라고 불리는 유전자의 돌연변이의 결과였는데, 이것은 box one을 포함하는 사지 호메오 도메인(limb homeo domain)을 의미합니다. 그래서 L LMX one A 유전자는 실제로 발달 생물학에서 매우 흥미롭고 중요한 유전자로 바뀌었는데, 그 이유는 중추 신경계에 무엇이 있는지, 또는 무엇이 등쪽에 있는지를 정의하는 데 가장 중요한 유전자 중 하나이기 때문입니다.

그리고 이 희귀한 돌연변이가 없었기 때문에, 아무도 이 유전자가 무엇을 하는지 실제로 알지 못했다. 사실, 그것은 췌장에서 인슐린을 생산하는 세포에서 다른 이유로 발견되었습니다. 그리고 다른 사람들은 당뇨병에 대한 잠재적인 역할을 위해 그것을 연구하고 있었습니다.

그러나 사실, LMX 1 노화 그 자체는 췌장 발달이나 아일렛 세포 발달에 아무런 역할도 하지 않는다는 것이 밝혀졌습니다. 그리고 사실, 발달에서 주요 역할은 중추 신경계에서 등쪽 패턴을 유도하는 것입니다. 우리가 DR 유전자, LMX one A 유전자를 처음 복제했을 때, 우리는 그것이 중추 신경계의 등쪽 부분에서만 발현된다는 것을 깨달았습니다.

그리고 사실, 그것은 중추 신경계의 등쪽 부분이나 소뇌 주위에서만 발현되는 것이 아니라 지붕 판이라고 불립니다. 그것은 실제로 쥐 배아의 전체 축 길이를 따라 중추 신경의 등쪽 부분에서 발현됩니다. 그리고 사실, 그것은 우리가 지금까지 살펴본 모든 척추동물의 전체 축 길이를 따라 표현됩니다.

그리고 그것은 모든 곳에서 등쪽으로 표현되기 때문에 우리는 그것이 중추 신경계의 다른 부분에서 등쪽으로 역할을 해야 한다고 추론했습니다. 그래서 우리는 실제로 척수에 있는 DR 마우스의 표현형을 특성화하는 데 많은 시간을 할애했는데, 왜냐하면 척수는 3차원적으로 훨씬 덜 복잡하기 때문에 소뇌보다 CNS 발달을 이해하는 데 훨씬 더 나은 모델 시스템이기 때문입니다. 3차원 구조가 훨씬 적습니다.

병아리 얘기로 넘어가서, 우리는 실제로 많은 수의 시약을 활용하여 척수에서 LMX one A의 역할이 무엇인지 알아낼 수 있었습니다. 그리고 척수에서 소뇌로 다시 전환했습니다. 솔직히 말씀드리자면, 병아리 기술이 없었다면 유전자인 LMX가 어떤 역할을 하는지 잘 이해할 수 없었을 거라고 생각하는데, 제 연구실의 박사후 연구원인 빅터 치코(Victor Chiko)가 이 실험을 실제로 진행한 사람이었습니다.

그리고 그는 병아리 전기천공법(Chick electroporation) 시스템을 사용하여 LMX 유전자가 하는 일과 중추 신경계에서 LMX가 하는 주요 역할을 실제로 알아낸 사람입니다. 그리고 솔직히 말해서 병아리 전기천공법이 없었다면 지금처럼 많은 발전을 이룰 수 없었을 것이라고 생각합니다. 병아리 전기천공법은 발달 중인 병아리 신경계에서 유전자를 빠르게 과도하게 발현할 수 있고, 2-3일 배양 후 결과를 얻을 수 있으며, 분석 가능한 표현형을 얻을 수 있기 때문에 정말 가치 있는 기술입니다.

형질전환 동물을 위해 생쥐에서 유전자 조작을 실제로 시도한다면 몇 달이 걸리고 녹아웃 등을 위해 최소 1년 반이 걸릴 것입니다. 병아리 시스템은 유전자 발현을 조작할 수 있고 표현형을 빠르게 찾아낼 수 있기 때문에 정말 가치 있는 시스템입니다. 그러니까 LMX 하나가 발달 중인 병아리 신경계, 특히 발달 중인 척수에서 과도하게 발현되면 중추 신경계나 척수의 등쪽 부분 전체가 중추 신경계의 등쪽 부분이나 지붕판으로 변하게 됩니다.

그래서 Victor가 했던 다른 많은 실험들과 함께 우리에게 말해 준 것은 LMX one A 자체가 지붕 플레이트의 전체 차별화 프로그램을 주도하는 책임이 있다는 것입니다. 그리고 이것이 중요한 이유는 지붕 플레이트가 발달 중인 신경계에서 중요한 신호 중추이기 때문입니다. 지붕 플레이트가 없으면 모르포겐을 분비하여 인접한 신경관 세포가 배쪽 감각 뉴런으로 변하도록 지시하지 않습니다.

그리고 이러한 신호가 없으면 해당 세포는 중간 세포 유형의 기본 상태로 전환됩니다. 그리고 척수에 있는 대부분의 등쪽 뉴런을 잃게 되지만, 실제로 발달 중인 소뇌에서도 잃게 됩니다. 그리고 저는 닭 신경관이 아닌 다른 시스템을 사용했다면 쉽게 그러한 결론에 도달할 수 없었을 것이라고 생각합니다.

우리는 소뇌 발달에 정말 관심이 많은데, 그 이유는 생쥐와 병아리의 기본적인 생물학 때문만이 아니라 인간도 소뇌 기형을 가지고 있기 때문입니다. 그리고 이러한 인간 소뇌 기형은 실제로 잘 이해되지 않고 있습니다. 그래서 우리는 인간 뇌 기형에 대한 세계적인 전문가 중 한 명인 동료 윌리엄 도빈스 박사와 협력하여 인간 소뇌 기형 유전자를 찾는 프로젝트를 시작했습니다.

그리고 우리는 몇 가지 접근 방식을 취하고 있습니다. 우리가 한 가장 큰 일 중 하나는 DNA 데이터베이스와 임상 데이터베이스를 구축하여 인간 소뇌 기형을 앓고 있는 500명 이상의 환자를 모집하고 MRI 이미지를 수집하고 DNA 샘플과 상관 관계를 파악하여 인간 소뇌 기형이 전혀 잘 분류되지 않은 것으로 밝혀졌기 때문에 유전자 사냥을 위한 자원으로 사용할 수 있도록 한 것입니다. 그리고 솔직히 말씀드리자면, 우리가 연구를 통해 받는 10번의 스캔 중 적어도 하나는 한 번도 설명되지 않았고 이전에 실제로 인식되지 않은 기형입니다.

가장 흔한 인간 소뇌 기형은 댄디 워커 기형이라고 하며, 임상의들이 가장 잘 알고 있는 기형입니다. 그러나 그것은 인간의 소뇌 세계에 대한 일종의 쓰레기 진단임이 밝혀졌습니다. 모든 의사 또는 많은 의사가 댄디 워커로 분류되는 비정상적인 소뇌를 볼 때.

그래서 우리는 댄디 워커(Dandy Walker) 기형 연구에 환자를 모집하고 모든 종류의 흥미로운 소뇌 기형을 발견했습니다. 그래서 우리는 이 자원을 사용하여 새로운 소뇌 발달 유전자를 찾고 있는데, 왜냐하면 발달 생물학자로서 저는 인간이 하나의 거대한 돌연변이 유발 실험이라고 생각하기 때문입니다. 그들은 새로운 발달 유전자를 찾을 수 있는 훌륭한 원천 중 하나입니다.

그래서 우리는 그 유전자를 찾기 위해 몇 가지 접근법을 취하고 있습니다. 이러한 접근법 중 하나는 소뇌 발달에 중요한 역할을 하는 유전자를 쥐에서 찾아내어 인간의 유전자 염기서열 분석을 하는 것입니다. 그리고 사실, 우리는 최근에 최초의 인간 LMX one A 돌연변이를 확인했습니다.

지금까지 우리의 기초 과학 연구를 임상 연구에 적용하는 것은 매우 제한적이었습니다. 하지만 정말 빠르게 변화하고 있습니다. 새로운 유전자를 발견함에 따라 영향을 받은 어린이의 가족에게 새로운 유전 상담 정보를 제공할 수 있습니다.

솔직히 말씀드리자면, 바로 이 부분이 저희 연구의 가장 큰 영향을 미친다고 생각합니다. 따라서 5년 후 5년 안에 이 분야에 대한 저의 비전은 마우스 모델의 특성화와 인간 소뇌 기형에 대한 연구를 통해 훨씬 더 많은 유전자 발견이 이루어지는 것입니다. 우리는 소뇌 발달에 관여하는 유전자 세트에 대해 더 많이 알게 될 것입니다.

그리고 나서 목표는 이 유전자들이 어떻게 서로 상호작용하는지, 그리고 그 유전자들이 실제 생물학을 어떻게 주도하는가 하는 것입니다. 소뇌를 만들기 위해 일어나는 모든 다양한 세포 활동을 어떻게 유도할까요? 그리고 저는 소뇌가 전체 중추 신경계에 대한 이상적인 모델이라고 생각하는데, 솔직히 말해서 주요 신경 세포 유형은 5-7개에 불과합니다.

그들은 모두 다양한 고정 관념적인 방식으로 배열되어 있습니다. 우리는 이러한 선조의 사양과 조기 분화를 주도하는 분자에 대해 점점 더 많이 배우고 있습니다. 우리는 이러한 세포가 어떻게 증식하는지에 대해 점점 더 많이 이해하고 있습니다.

그래서 저는 지금으로부터 5년 이상이 걸릴 것으로 생각하지만, 궁극적으로는 이 분야가 소뇌 발달을 거쳐 소뇌의 성숙한 형태를 달성하기 위해 튜브 개발을 진행할 수 있다고 생각합니다. 소뇌는 비교적 단순한 조직이기 때문에 소뇌 전체의 중앙 전체를 형성하는 분자와 발달 과정을 실제로 파악할 수 있을 것으로 기대합니다. 그리고 저는 이것이 인간의 유전자 진단 분야뿐만 아니라 소뇌 발달 분야에서도 중요하다고 생각하지만, 이러한 메커니즘을 뇌의 다른 부분에도 적용할 수 있을 것이라고 생각합니다.

소뇌는 비교적 단순한 구조이지만, 많은 발달 사건이 소뇌에만 국한되지 않을 것입니다. 우리는 소뇌에서 배운 것을 대뇌 피질과 같은 중추 신경계의 다른 더 복잡한 영역으로 가져갈 수 있으며, 우리가 배운 교훈과 경로를 취하고 그것이 뇌의 나머지 부분에 어떻게 적용되는지 알아낼 수 있습니다.