Spatial Proteomics and Epigenomics Reveal Cell Morphology and Epigenetic Gene Regulation in Human Hippocampus

인간의 뇌는 수십억 개의 세포가 소통하며 기억, 감정, 사고를 만들어내는 거대하고 복잡한 풍경입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 영역을 지도화하기 위해 노력해 왔지만, 근본적인 문제에 직면했습니다. 내부의 세포를 연구하려면 종종 그것들을 해체해야 한다는 점이었습니다. 건물을 색깔별로 분류하기 위해 건물들을 벽돌 더미로 갈아버리는 과정을 통해 도시의 배치를 이해하려고 노력한다고 상상해 보십시오. 당신은 벽돌이 무엇으로 만들어졌는지는 배울 수 있겠지만, 거리와 동네, 그리고 건물들이 어떻게 상호작용하는지는 잃게 될 것입니다. 이것이 전통적인 뇌 연구에서 일어났던 일입니다. 세포의 유전적 지침을 읽기 위해 세포를 분리함으로써, 연구자들은 그 세포들이 어디에 살고 어떻게 배열되어 있는지에 대한 결정적인 맥락을 놓쳤습니다. 더욱이, 과학자들이 세포핵 내부의 유전적 '설계도'는 읽을 수 있었을지 모르지만, 뇌의 일상적인 기능을 수행하는 단백질이 있는 세포 표면에서 일어나는 활발한 '건설 작업'은 놓치는 경우가 많았습니다.

연구팀은 이제 뇌를 해체하지 않고도 인간의 해마(기억과 기분에 필수적인 해마 모양의 뇌 부위)를 관찰함으로써 이러한 문제들을 해결하는 새로운 종류의 지도를 구축했습니다. 이들은 첨단 이미징 도구 세트를 사용하여, 단순히 어떤 유전자가 존재하는지를 넘어, 어디에서 유전자가 활성화되는지, 표면에 어떤 단백질이 있는지, 그리고 DNA가 유전자의 작동을 허용하거나 차단하도록 어떻게 패키징되는지를 보여주는 최초의 상세한 3차원 아틀라스를 제작했습니다. 그들은 건강한 개인과 주요 우울 장애를 겪은 사람들의 조직을 연구하여, 세포 구역과 유전적 활동이 두 집단 사이에서 어떻게 다른지를 밝혀냈습니다. 이 작업은 뇌의 구조에 대한 더 명확한 시야를 제공하며, 세포의 건강은 세포 자체의 내부 지침뿐만 아니라 그 위치와 이웃에 의해서도 결정된다는 것을 보여줍니다.

연구진은 먼저 17명의 개인으로부터 얻은 뇌 조직을 조사하는 것으로 시작했는데, 여기에는 정신 질환 병력이 없는 9명과 주요 우울 장애 진단을 받은 8명이 포함되었습니다. 그들은 우울증 환자에게서 위축되고 변화하는 것으로 알려진 구조인 해마에 집중했지만, 조직의 자연스러운 구조를 파괴하지 않고 연구를 진행했습니다. 뇌를 죽처럼 갈아버리는 대신, 그들은 특정 단백질을 형광 마커로 태깅하고 조직 절편의 수천 장의 고해결도 사진을 찍는 공간 프로테오믹스(spatial proteomics)라는 기술을 사용했습니다. 이를 통해 그들은 160만 개 이상의 개별 세포를 식별하고, 형태와 표면 단백질을 통해 세포를 구분할 수 있었습니다. 그들은 신호를 전달하는 뉴런, 뉴런을 지원하고 절연하는 성상세포 및 희소돌기아교세포, 그리고 뇌를 순찰하는 면역 세포를 구별할 수 있었습니다. 조직이 온전하게 유지되었기 때문에, 그들은 각 세포 유형이 정확히 어디에 사는지 볼 수 있었고, 해마의 다양한 층과 영역에 대한 정밀한 지도를 만들 수 있었습니다.

가장 놀라운 발견 중 하나는 세포들이 어떻게 뚜렷한 이웃을 형성하며 스스로를 조직하는가였습니다. 건강한 뇌에서는 특정 영역이 특정 세포 유형에 의해 지배되어 해마의 알려진 해부학적 구조와 일치하는 명확한 경계를 형성했습니다. 예를 들어, 새로운 기억을 형성하는 데 중요한 영역인 치상회(dentate gyrus)는 작고 조밀한 뉴런들로 빽빽하게 채워져 있었고, CA 영역은 다른 유형의 뉴런과 지원 세포들로 채워져 있었습니다. 그러나 연구진이 우울증 환자의 뇌를 관찰했을 때, 세포 사이의 거리가 변했다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 뇌의 청소부 역할을 하는 미세아교세포(microglia)라고 알려진 면역 세포들이 건강한 뇌보다 우울증이 있는 뇌에서 뉴런에 훨씬 더 가깝게 발견되었습니다. 이는 우울증 상태에서 이러한 면역 세포들이 뉴런을 향해 이동하여 잠재적으로 염증이나 스트레스를 유발하고 정상적인 뇌 기능을 방해할 수 있음을 시사합니다. 이 연구가 이러한 이동이 우울증을 유발한다는 것을 증명한 것은 아니지만, 이전에는 불가능했던 방식으로 면역 체계와 뉴런 사이의 구체적인 시각적 연결 고리를 제공했습니다.

이 세포들이 실제로 무엇을 하고 있는지 이해하기 위해, 연구팀은 단백질 지도와 세포 내부의 유전적 메시지, 즉 RNA를 읽는 기술을 결-합했습니다. 그들은 유전자가 켜지고 꺼지는지, 아니면 단순히 안정적인 상태를 유지하고 있는지를 알려주는 방식인 메시지의 '속도(velocity)'를 관찰했습니다. 그들은 건강한 뇌에서 복잡한 정보를 처리하는 데 관여하는 CA 영역의 세포들이 높은 수준의 유전적 활동과 빠른 메시지 회전율을 보인다는 것을 발견했습니다. 우-울증 환자의 뇌에서는 이러한 활동이 불안정해졌습니다. 새로운 유전적 메시지와 성숙한 메시지 사이의 균형이, 특히 CA 영역의 뉴로들에서 더 혼란스러워졌습니다. 이는 우울증이 있는 뇌의 세포들이 정상적인 통신 리듬을 유지하기 위해 고군분투하고 있으며, 아마도 스트레스에 적응하려 노력하지만 안정적인 상태를 찾는 데 실패하고 있음을 시사합니다.

연구진은 또한 DNA 위에 놓여 유전자가 읽힐 수 있는지 결정하는 화학적 태그 시스템인 후성유전체(epigenome)를 살펴보았습니다. DNA를 책이 있는 도서관이라고 생각한다면, 후성유전체는 어떤 책이 읽기 위해 탁자 위에 펼쳐져 있고 어떤 책이 서가 속에 잠겨 있는지를 결정합니다. 공간 ATAC-seq이라는 방법을 사용하여, 연구팀은 해마 전반에 걸친 열린 영역과 닫힌 영역을 매핑했습니다. 그들은 건강한 뇌에서 특정 뉴런의 DNA가 전사 인자(transcription factors, 유전자를 여는 열쇠 역할을 하는 단백질)에 의해 활성화될 준비가 된 특정 지점에서 '열려' 있다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 그들은 치상회의 과립 뉴런(granule neurons) 내 DNA가 새로운 기억 형성에 관여하는 FOS라는 유전자를 빠르게 활성화할 준비가 되어 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 우울증이 있는 뇌에서는 이러한 열린 영역과 닫힌 영역의 패턴이 변해 있었습니다. 신경전달물질 운송 및 시냅스 가소성과 관련된 유전자들이 서로 다른 접근성 패턴을 보였습니다. 이는 이러한 세포들이 새로운 경험이나 스트레스에 반응할 수 있는 능력 자체가 DNA가 패키징되는 방식에 의해 근본적으로 변화되었음을 나타냅니다.

연구는 또한 뇌가 어떻게 기분과 기억 회로를 조절하는지에 대한 오랜 질문을 다루었습니다. 열린 염색질 영역과 특정 유전자의 활동을 비교함으로써, 연구진은 건강한 뇌와 우울증이 있는 뇌 사이에서 차이를 보이는 핵심 조절 인자들을 식별했습니다. 그들은 CREB5와 FOS 같이 기억 형성에 관여하는 것으로 알려진 전사 인자들이 해마의 영역에 따라 서로 다른 활동 패턴을 가진다는 것을 발견했습니다. CA 영역에서 염색질은 뉴런이 신호에 반응할 준비가 되도록 더 흥분하기 쉬운 상태로 열려 있었던 반면, 다른 영역에서는 DNA가 더 닫혀 있었습니다. 우울증이 있는 뇌에서는 이러한 패턴이 무너졌으며, 이는 세포들이 단순히 다른 양의 단백질을 생성하는 것이 아니라, 유전적 접근성 수준에서 근본적으로 재배선되었음을 시사합니다. 이는 왜 특정 뉴ر온이 어떤 사람에게서는 기억이나 기분 회로에 더 쉽게 동원될 수 있는지에 대한 분자적 설명을 제공합니다.

이 작업은 유전이라는 미시적 세계와 뇌 구조라는 거시적 세계 사이의 간극을 메움으로써 인간의 뇌를 이해하는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다. 조직을 온전하게 유지함으로써, 연구진은 세포의 물리적 배치가 유전적 활동에 어떻게 영향을 미치는지 볼 수 있었습니다. 그들은 우울증이 단지 몇몇 세포의 화학적 불균형이 아니라, 전체 세포 구역의 조직과 유전적 지침에 접근하는 방식의 복잡한 변화임을 보여주었습니다. 160만 개 이상의 세포 데이터를 포함하는 그들이 만든 아틀라스는 다른 과학자들이 건강과 질병 상태에서 뇌가 어떻게 작동하는지 연구할 수 있는 참조 자료 역할을 합니다. 이 연구가 우울증의 치료법을 제시하는 것은 아니지만, 생물학적 변화에 대한 훨씬 더 명확한 그림을 제공하여 미래 연구를 위한 새로운 목표를 제시합니다. 이 발견들은 뇌를 진정으로 이해하기 위해서는 뇌를 살아있는 조직된 풍경으로 보아야 하며, 세포의 위치가 그 세포가 가진 유전자만큼이나 중요하다는 것을 시사합니다.