최신 연구동향 정보를 제공하기 위해 생명과학관련 정보제공자를 모집합니다.
Bio리포트 학회참관기
Neuroscience 2019 Society for Neuroscience (SfN) 참관기
박상민(한국과학기술원 (KAIST))
목 차
1. 서론
2. 주된 발표 내용
2.1. 10/19 (첫째 날)
2.2. 10/20 (둘째 날)
2.3. 10/21 (셋째 날)
2.4. 10/22 (넷째 날)
2.5. 10/23 (마지막 날)
3. 총평
1. 서론
전 세계의 neuroscientist들이 모여 서로의 연구를 발표하고 아이디어를 공유하는 SfN (Society for Neuroscience)은 명성 만큼이나 규모도 커서 동시간에 수많은 곳에서 다양한 세션들이 진행된다. 5일간 저자 본인의 관심 분야인 Epilepsy, Neural circuit, Genome editing, Optogenetics 등과 관련 있는 세션(Lecture, Symposium, Poster)에 참석하였고 이를 바탕으로 하여 참관기를 작성해보았다.
2. 주된 발표 내용
2.1. 10/19 (첫째 날)
한국보다 이른 추위가 찾아온 시카고에서 열린 2019 SfN의 첫 일정은 오후 포스터 세션으로 시작하였다. 최근 neurological disorder를 연구하는 그룹들 사이에서 Anti-sense oligonucleotide (ASO) 를 이용한 therapy가 주목을 받고 있고, 이와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. ‘Sodium Channels in Health and Disease’의 세션에서도 ASO를 이용한 epilepsy 치료 연구를 하는 포스터를 찾을 수 있었는데, University of Michigan의 Miriam Meisler 교수 그룹에서는 sodium channel Nav1.6에 영향을 주는 SCN8A 유전자의 gain of function으로 생기는 SCN8A encephalopathy 질환에서의 ASO treatment 치료에 대한 기대를 제시하였다. ASO neonatal intracerebroventricular injection을 통해 mutant Scn8a transcript를 40%까지 줄일 수 있었고 ataxic gait, dystonia, hind limb paralysis, muscle wasting과 같은 movement disorder를 rescue 할 수 있었다. SCN8A encephalopathy 환자들은 early onset seizure와 developmental delay를 동반하여 childhood intractable epilepsy의 주요 원인인데, Meisler 교수 그룹은 이 연구를 통해 ASO therapy가 encephalopathy 질환의 치료에 도움을 줄 수 있다고 하였다.
인상적이었던 포스터는 INSERM Aix-Marseille University의 Hardy 박사의 childhood intractable epilepsy의 주요 원인인 cortical malformation에서의 epilepsy network 연구였다. Dcx gene의 in utero electroporation을 통해서 sub-cortical band heterotopia와 pediatric epilepsy의 early onset seizure 등을 동반하는 mouse model을 publish 했던 이 그룹은 후속 연구로 해당 모델에서의 epilepsy network를 연구하고 있었다. Whole-cell patch-clamp recording, laser scanning glutamate uncaging experiment, local field potential on acute slice, in vivo EEG recording 등의 방대한 electrophysiological 실험 등을 병행하여서 malformation이 있는 영역에서의 excitability를 suppression 하는 것이 epilepsy phenotype을 완화시킬 수 있다는 결과를 보여주었다.
2.2. 10/20 (둘째 날)
둘째 날의 일정은 ‘Novel Mechanistic Roles for Sodium Channels in Neurodevelopmental Disorders’라는 주제의 symposium으로 시작하였다. 이온 채널의 기능에 이상이 생겨 발병하는 질환, channelopathy는 pediatric neurological disorder의 상당 부분을 차지한다. 특히, sodium channel의 이상은 epilepsy, autism, schizophrenia, developmental delay 등의 원인으로도 잘 알려져 있다. 이 symposium에서는 SCN1A의 function과 그의 Dravet syndrome과의 연관성, autism과 developmental delay에서의 SCN2A의 역할, SCN3A가 epilepsy와 malformation of cortical development를 일으키는 기전과 developmental delay에서 SCN8A의 역할 등을 다루는 주제로, sodium channel의 pathogenic variant가 다양한 neurodevelopmental disorder를 어떻게 일으키는지를 집중적으로 공부할 수 있었다.
특히 인상 깊었던 발표는 The Children’s Hospital of Philadelphia의 Ethan Goldberg 교수의 ‘SCN3A encephalopathy: mechanisms of an emerging syndrome of epilepsy and abnormal cortical development’라는 주제의 발표였다. 환자로부터 De novo pathogenic mutation을 찾고, in utero electroporation 실험을 통해 neuron에 찾은 pathogenic mutation을 transfection 하였다. 나아가서 acute slice patch clamp 실험을 통해 pathogenic variant를 가진 neuron이 persistent current를 가지는 것을 확인하였고, 이는 anti-epileptic drug로 알려진 lacosamide를 통해 rescue가 되었다. 사실 더욱이 궁금했던 건, “sodium channel의 기능 이상이 epilepsy를 일으킨다는 건 이해가 갔지만, 어떻게 cortical development의 malformation까지 일으키는가?“였는데, Maria K. Lehtinen 그룹의 Ferret을 이용한 연구를 인용하여 sodium channel의 dysfunction으로 인한 neuron의 depolarization이 brain malformation에 직접적인 영향을 줄 수 있다는 점을 시사함으로써 궁금증이 어느 정도 해소될 수 있었다.
In vivo genome editing에 관심이 있었던 본인은 이후 Genetic and Genome Engineering Techniques를 주제로 한 포스터 세션을 돌아보았다. 최근 CRISPR/Cas9을 이용한 genome editing이 상용화되면서 이를 변형한 여러 툴들이 개발되고 있음을 직접 확인할 수 있었다. 특히 University of Maryland Baltimore의 Richardson 박사는 기존의 CRISPR/Cas9 시스템의 knock-in efficiency가 낮음과 knock-in 대신 knockout이 일어나는 문제점을 지적하면서, (물론 이를 극복하기 위한 툴들을 여러 그룹에서 개발하였지만, 이 역시 efficiency가 낮음을 지적하였다.) 그는 endogenous homology-directed repair 기작에 중요한 Ctip을 Cas9과 fusion 하며 긴 선형화된 dsDNA donor template를 통해 in vivo mouse brain에서 biallelic knock-in efficiency를 40%나 올릴 수 있었다. 그리 어려운 technique이 아니라, 저자 본인의 연구에도 적용하여 developing brain에서의 knock-in을 수월하게 할 수 있을 듯하였다.
Richardson 박사의 포스터 설명이 끝난 후, 근처에서 2017년 Cell지에서 permanent하게 neural circuit을 modulation할 수 있는 Self-inactivating Rabies virus (SiR)을 develop한 Ciabatti 박사의 포스터도 볼 수 있었다. 기존의 rabies virus의 경우 해부학적 신경 회로 연구에 많이 쓰였으나, cytotoxicity가 높아 오랜 기간의 연구나 neural network의 genetic manipulation이 필요한 연구에서는 쓰기가 힘들었다. Ciabatti 박사는 이러한 단점을 극복한 SiR을 2017년에 발표하였고, 이번 포스터에서는 이런 SiR에서 더 진보되어 genome editing을 할 수 있는 CRISPR/Cas9 components가 들어있었고 immunogenecity는 훨씬 더 낮춘 SiR 2.0에 대해서 소개하였다. Pathogenic variant로 인한 neural circuit을 연구하는 저자 본인에게는 반가운 연구 결과 중 하나였다.
오후에는 ‘Molecular Mechanisms of Synaptogenesis and Connectivity’라는 주제의 symposium에 참석하였다. Havard university의 J. D. Macklis 그룹은 최근 corticospinal neuron (CSN)의 specification과 differentiation에 중요한 molecular control을 microarray를 통해 규명했었는데, 이에 이은 연구로 두 대표적인 CSN subtype (CSNBC, CSNTL)의 molecular identity를 이용하여 그 subtype들의 specific axonal projection과 spinal segmental connectivity에 대해 viral labelling 실험으로 연구하고 있었다. 후반부에는 CSNBC에서 secretion 되는 proteoglycan인 lumican이 cervical spinal cord의 다른 CSN subpopulation의 axonal collateral branching을 non-cell autonomously 막는다는 연구에 대해서도 잠깐 언급했는데, 기존에 알지 못했던 CSN axon branching 조절의 새로운 mode라 흥미로웠다.
다음으로는 과거 radial glial cell이 developing brain의 neural stem cell임을 밝힌 UCSF의 A. Kriegstein 그룹의 연구를 들을 수 있었다. 굉장히 복잡한 human brain을 연구하고 이해하기란 힘든 일임을 강조하면서, 그들은 그나마 가장 simple 하면서 cortex의 주요 특징 중 하나인 cortical column이 human brain에서 어떻게 발달하는지에 대해 연구하고 있었다. 인상적이었던 점은 human tissue를 가지고 연구를 한다는 것뿐 아니라 그들의 가설을 직접적으로 입증하기 위해 다양한 실험 방법을 동원했다는 것이었다. Cortical column의 local synaptic circuit을 밝히기 위해 organotypic tissue culture, multiple viral tools, time-lapse imaging, calcium imaging, electrophysiological recordings, multiplex fluorescence imaging 등의 실험을 하였고, 이를 통해 human early brain development 기간 동안, 실제 cortical column을 형성하기 위한 synapse가 형성되고 이렇게 connection 된 neuron들끼리 synchronized activity를 보임을 확인하였다. 최근 organoid 기법으로 human brain을 모델링하여 많은 연구가 이뤄지고 있는 점에 반하여, human brain organoid와 실제 human brain 내에서 일어나는 현상은 다르다고 주장하는 A. Kriegstein 그룹의 연구 방향을 확인할 수 있었던 발표였다.
Symposium이 끝난 후, 저녁의 special lecture까지 잠깐의 여유가 있어 오후에 열리고 있던 포스터 세션을 둘러보았다. SfN과 같은 큰 규모의 학회는 처음으로 참석하였는데, 여타의 학회에서 보지 못했던 스크린을 띄워 놓고 자신의 연구를 발표하는(일명 ‘Dynamic poster’라 부르는) 모습을 볼 수 있었다. 특히, 그중에서 Univ. of Wisconsin의 E. W. Dent 그룹의 연구가 저자의 연구와 관련이 깊어 들어보게 되었다. E. W. Dent 그룹은 cerebral cortex의 발달 과정 중 Neuritogenesis, Axon Branching, Guidance에서의 Cytoskeletal Dynamics에 대한 연구를 주로 하는 그룹인데, 이를 위해서는 in utero electroporation 실험 후 정교한 분석이 필요했다. 그들은 Double UP이라는 plasmid construct를 제작하여 실험군 내 internal control을 도입함으로써 brain section 및 실험 batch 간의 variability를 줄일 수 있는 툴을 개발하였다. 이러한 Double UP을 이용한 neuronal migration이 일어나는 live imaging을 보여주었는데, dynamic poster의 장점을 잘 활용하여 청중들에게 인기가 많았던 포스터 중 하나였다.
다음으로 Optogenetics에 또 관심이 있었던 본인은 해당 포스터 세션으로 이동하였다. 특히, Optogenetics의 임상적 활용에 관심이 있었는데, MIT의 G. Feng 그룹에서 발표하는 minimally invasive Optogenetics에 대한 내용을 듣게 되었다. Neuron의 activity를 조절할 수 있고, 나아가서 특정 neural circuit을 modulation 할 수 있다는 측면에서 신경질환의 치료법으로 고려되고 있는 Optogenetics의 걸림돌 중 하나는 침습적인 optic fiber의 implantation이었다. G. Feng 그룹은 이러한 고민을 해결하고자, SOUL (a new step-function opsin with ultra-light sensitivity) 이라는 새로운 opsin을 디자인하였고, 이는 light sensitivity가 높을 뿐 아니라, photocurrent 역시 기존의 opsin보다 세 배나 더 높았다. 나아가서 mouse와 macaque에서 deep brain region의 neuronal activity를 optic fiber implantation 없이 skull 외부로부터의 photo-stimulation으로 조절할 수 있음을 보였다. 아직까지는 SOUL에 의한 side effect는 관찰되지 않았다고 한다. 장기적인 연구를 통해 안정성 또한 검증된다면 여러 뇌 질환 치료에 큰 도움이 될 수 있을 연구라 생각되었다.
둘째 날의 마지막 일정으로 Harvard University의 Paola Arlotta 교수의 special lecture가 있었다. ‘Understanding Cortical Development and Disease: From Embryos to Brain Organoids’의 주제로 Paola Arlotta 교수는 mammalian cerebral cortex에서의 developmental generation of cellular diversity를 다룬 후, human brain organoid technique을 소개하였다. Cellular diversity를 연구하기 위해 developing mouse cortex를 time point 별로 prep 한 뒤 single cell RNA sequencing을 진행함으로써 expression pattern 별 cortex를 구성하는 다양한 cell type을 classification할 수 있었고, 나아가서 그들의 developmental trajectory와 shared expression pattern을 통해 lineage tree도 그릴 수 있었다. 나아가서 이렇게 얻은 massive molecular information을 바탕으로 in vivo CRISPR screen을 통해 실제 해당 gene들의 역할이 무엇인지 in-depth functional assay도 진행 중이라는 점이 인상적이었다. 마지막으로 올해 Nature 지에 publish된 long term development, cell diversity, reproducible 하다는 장점을 가진 human cerebral cortex organoid technique을 소개하면서 lecture를 마무리했다.
2.3. 10/21 (셋째 날)
셋째 날 일정은 ‘Single-Cell Analysis of Cortical Cell Type Diversity’ 주제의 symposium으로 시작하였다. Single cell analysis의 상용화로 굉장히 다양한 그룹에서 여러 specimen 및 변형된 툴을 이용하여 연구를 하고 있음을 알게 되었다. 특히 Ludwig Institute for Cancer Research에서는 single cell isolation이 필요 없는 sci-ATAC-seq (barcoding-assisted single-cell assay for transposase-accessible chromatin)을 활용하여 mouse brain의 26개의 cortical 및 subcortical region으로부터 1,000,000개 이상의 세포의 chromatin accessibility를 profiling 하였다. 그 결과 125개의 cellular taxonomy를 만들 수 있었고, highly cell-type specific 한 DNA regulatory element들을 찾을 수 있었다. 아직은 나온 데이터를 활용해 cell type 별로의 transcription factor network 분석, neurological disorder와 관련 있을 것 같은 potential cell type 등을 확인하는 수준이지만, 방대한 데이터를 활용해 추후 mammalian brain function에 중요한 gene regulatory 기전의 이해에 큰 도움이 될 연구였다. 다음으로는 BRAIN initiative에 의해 생산된 human fetal prefrontal cortex로부터 진행한 single-cell, bulk tissue RNA-seq, ATAC-seq, and ChIP-seq 등의 multi-omic data가 NeMO Analytics (nemoanalytics.org) 사이트에서 user-friendly 사용할 수 있다는 발표의 내용도 있었다. 이 사이트를 활용하면 프로그래밍 전문가가 아니더라도 sequencing data의 비교분석이 가능하다.
Symposium이 끝나고 점심 식사 전, 오전 시간의 포스터 세션이 아직 끝나질 않아 평소 관심을 가지고 있었던 Yale university의 A. F. Bordey 그룹의 포스터 발표를 들을 수 있었다. MTOR signaling의 hyperactivation으로 인해 생기는 Tuberous sclerosis complex 질환에서의 epileptogenesis와 관련된 발표였다. MTOR signaling을 hyperactivation 시킬 수 있는 RhebCA (constitutive active form of Rheb) construct을 in utero electroporation을 통해 mouse model을 만들고, 해당 모델에서 epileptogenesis의 source를 밝히고자 하였다. Epilepsy가 일어나면 EEG 수준에서 propagation을 분석하기가 쉽지 않은데, high frequency oscillation 이 일어나는 시간(onset time)을 분석함으로써, RhebCA dysplastic neuron이 있는 hemisphere에서 epilepsy가 시작될 것이라는 결과를 얻은 후 다음으로 electrophysiology를 통해 실제 dysplastic neuron이 증가된 sodium current와 depolarization을 보임을 확인하였다. 최종적으로 Kir2.1 (exogenous inward-rectifier potassium channel)을 dysplastic neuron에 overexpression 하였을 때, seizure를 rescue 할 수 있음을 통해 dysplastic neuron이 epilepsy의 source임을 밝힌 연구였다. 해당 연구를 진행한 Hsieh 박사와 오랜 시간 대화를 하며 서로의 연구에 대해 논의를 할 수 있었다.
오후에는 ‘From Single-Cell Profiling to Human Brain Organoids: Capturing Neural Development and Disease’ 주제의 symposium에 참석하였다. 해당 symposium에서는 human brain 연구를 위해 functioning human brain tissue에서 할 수 없는 detail한 연구들을 brain organoid나 assembloid를 통해 진행하는 그룹들과 brain에서의 single cell genomic & transcrtipomic 연구를 하는 그룹들의 연구가 발표되었다. 특히 Institute of Molecular and Clinical Ophthalmology Basel의 G. Camp 교수의 연구가 인상적이었다. 그는 human과 chimpanzee의 stem cell-derived cerebral organoid를 통해 single cell transcriptomics와 accessible chromatin profiling을 하여 human이 chimpanzee로부터 분기되어질 때, 어떤 genetic 혹은 developmental 프로그램에 차이가 있는지를 분석하고자 하였다. 유전체 분석을 통한 방대한 양의 데이터와 그를 통한 해석들이 소개되었지만, 그 중 인상깊었던 내용은 서로 다른 iPSC line으로부터 제작된 brain organoid의 composition은 굉장히 variation이 크다는 점이었고, 그에 비해 regional gene expression을 분석해보면 개체별로 reproducible한 결과가 나왔다는 점이었다. 나아가서, 그들은 chromatin accessibility의 divergence가 human specific gene expression과 genetic change와 correlation이 있음을 보임으로써, human specific한 dynamic gene-regulatory feature를 밝혔다.
2.4. 10/22 (넷째 날)
학회의 막바지인 넷째 날 일정은 ‘Mechanisms of Epilepsy’ symposium으로 시작하였다. 해당 symposium의 강연자는 총 8명으로서, 주로 epilepsy를 suppression 하기 위해 promoter activity를 modulation 하거나, 새로운 channel blocker의 treatment, deep brain stimulation, cannabidiol treatment, interneuron transplantation 등의 여러 therapeutic approach들에 대해 발표가 이뤄졌다. 소개된 therapeutics는 대부분 상당한 효과가 있어, medically intractable epilepsy의 치료에 도움이 될 수 있을 연구였으나 아쉬웠던 점은 실험에 사용되었던 모든 동물 모델이 인위적인 drug treatment로 유도된 epilepsy model이란 점이었다. 실제 intractable epilepsy 환자의 pathogenic variant를 이용한 동물 모델에서 실험이 되었다면 임상적으로 큰 의미가 있을 것 같았다. University of Sao Paulo의 N. Garcia-Cairasco 그룹에서는 Wistar Audiogenic Rat (WAR)을 이용한 audiogenic seizure에서 seizure와 anxiety treatment와 연관 있는 cannabidiol (CBD)의 효과에 대해 연구를 하였는데, 인상적이었던 부분은 CBD 처리군에서 seizure는 rescue 되나 epilepsy-related comorbidities로 잘 알려진 anxiety는 rescue가 되질 않는 점이었다. Epilepsy와 anxiety가 발생하는 기전이 다를 수 있음을 시사하는 연구 결과였다. Neurona Therapeutics, Inc. 에서는 human interneuron transplantation을 통해 temporal lobe epilepsy mouse model에서의 seizure를 rescue 할 수 있다는 결과로 intractable epilepsy 치료로 inhibitory neuron cell therapy를 supporting 하는 내용을 발표하였다.
Symposium이 끝나고 Chinese Academy of Sciences의 Xiang Yu 교수의 special lecture를 듣게 되었다. ‘Molecular Mechanisms Underlying Activity-Dependent Neural Circuit Development and Plasticity’의 제목으로 developing mammalian brain의 plasticity의 mechanism에 대한 지금까지의 연구를 발표하였다. 특히 sensory experience와 environmental factor가 neural circuit formation과 plasticity에 영향을 미치는 것을 mouse의 whisker deprivation과 environmental enrichment 처리를 한 후 electrophysiology, immunostaining 등의 tool을 이용하여 synaptic pruning에 change가 생기는 것을 확인하였다. 인상적이었던 부분은 이러한 phenotype의 단순한 관찰에서 그친 것이 아니라, synaptic contacts에서의 β-catenin의 역할을 밝힘으로써 β-catenin conditional knockout 모델에서도 synaptic pruning defect가 있음을 확인하며 detail한 기전 연구까지 나아간 점이었다. 나아가서 synaptic pruning이 competition model을 통해 일어나며, 이 기전이 망가지면 autism과 schizophrenia 같은 neurological disorder가 일어날 수 있음을 시사하였다.
오후에는 저자 본인의 연구내용을 ‘Neurodevelopmental Disorders: New Molecular Mechanisms’ 제목의 symposium에서 발표하는 시간이 있었다. Epilepsy, mental retardation, autism, tuberous sclerosis complex, schizophrenia 등의 다양한 neurodevelopmental disorder의 pathogenesis의 연구에 대해 발표가 이뤄졌고, 다양한 분야 및 질환을 연구하는 청중들이 앉아있었기에 저자 본인의 발표 후에도 이전에 생각해보지 못했던 다양한 코멘트를 받을 수 있어서 향후 연구의 방향을 다듬는데 많은 도움이 되었다.
2.5. 10/23 (마지막 날)
10월 23일 오전 포스터 세션을 마지막으로 저자 본인의 2019 SfN 일정은 마무리되었다. 마지막 날이라 그런지 포스터 발표장에도 학회 초반부에 비해 사람이 많이 적어진 게 눈에 띄었다. Developmental disorders 섹션에서 Erasmus University Medical Center의 G. M. Van Woerden 그룹의 포스터를 우연히 지나가며 봤는데, 본인의 연구와 상당히 비슷해 오랜 시간 서로의 연구에 대해 디스커션하게 되었다. 2017년 Van Woerden 그룹에서는 macrocephaly 환자로부터 de novo mutation RHEB1 p.P37L을 찾았고, MTOR signaling을 activation 시킬 수 있는 RHEB1 p.P37L variant가 실제 cortical malformation과 epilepsy를 일으키는지에 대해 후속 연구를 진행하고 있었다. in vitro level에서는 primary neuron culture 후 RHEB1 variant를 transfection 한 뒤 multielectrode array (MEA)를 통해 mutant neuron에서 bursting rate activity와 burst duration이 비정상적으로 증가하여 있음을 확인하였다. 나아가서 in utero electroporation을 통해 RHEB1 p.P37L을 mouse developing cortex의 neural stem cell에 transfection 해주었고, 해당 마우스는 dysplastic neuron과 heterotopic nodules를 보이며 3주령부터 spontaneous seizure를 보이는 것을 확인하며 환자의 symptom을 잘 recapitulation 하는 동물 모델을 만들었다. 환자로부터 찾은 pathogenic variant를 통한 mouse model을 가지고 연구를 하고 있기에 향후 RHEB1을 targeting 한 therapeutics를 연구할 것이라는 Van Woerden 그룹의 향후가 기대되었다.
3. 총평
이번 SfN을 참석하면서 Oligonucleotide therapy, single cell analysis, brain organoid 등의 분야가 역시나 각광받고 있음을 몸소 느낄 수 있었고, 이미 해당 분야를 leading 하는 그룹들이 상당수 있다는 것 역시 알 수 있었다. 더군다나 필자의 연구내용 발표 및 여러 연구자들과의 디스커션을 통해 다시 연구에 대한 열정을 불 지필 수 있는 좋은 계기가 되었다. 필자의 관심 분야가 다소 편파적이라 SfN에서 이루어지는 전반적인 내용을 담지 못했을 수도 있다. 같은 Neuroscience field라 하더라도 그 내에서도 워낙 다양한 분야의 사람들이 모이고 동시간대에 진행되는 세션들이 많다 보니, 향후 SfN 참석을 계획하고 있는 분들은 SfN에서 제공하는 학회 프로그램 홈페이지 및 모바일 앱을 미리 적극 활용하면 5일간의 학회를 알차게 보낼 수 있을 듯하다. 내년은 학회설립 50주년으로 2020 SfN은 2020년 10월 24일부터 28일까지 미국 워싱턴에서 열릴 예정이다.
본 게시물의 무단 복제 및 배포를 금하며, 일부 내용 인용시 출처를 밝혀야 합니다.
자료열람안내
본 내용은 BRIC에서 추가적인 검증과정을 거친 정보가 아님을 밝힙니다.
내용 중 잘못된 사실 전달 또는 오역 등이 있을 시 BRIC으로 연락(view@ibric.org) 바랍니다.