장신경계(enteric nervous system)는 생존을 위해 필수적인 다양한 기능(연근운동, 분비와 흡수, 혈류 조절, 면역 반응, 장-뇌 소통 등)을 총괄적으로 제어하는 ‘제 2의 뇌’로 알려져 있습니다. 말초신경계에서 가장 큰 부분을 차지하는 장신경계는 배아 발생 중기에 장으로 이동하는 신경능세포(neural crest cell)로부터 유래된 뉴런과 교세포로 이루어진 신경절의 네트워크입니다. 장신경계 내 뉴런은 형태, 위치, 신경전달물질 등 기존의 기준만으로도 최소 14종 이상의 다양한 subtype을 보이며 교세포의 subtype 분석에 관한 연구는 아직 초기 단계입니다.

장신경계의 발생 및 기능 조절에는 공생균이 지대한 영향을 미칠 것으로 추정되나 이에 대한 분자적 차원의 지식은 매우 제한적입니다. 즉 아직까지 공생균이 장신경계의 발생 과정(e.g. 뉴런과 교세포의 다양한 subtype 형성에 어떻게 영향을 주는가?)과 기능 조절(e.g. 어떤 공생균 유래 물질이 어떤 신호전달 체계를 통해 장신경계 세포에 전달되는가?)에 미치는 영향에 관한 연구는 아직 보고된 바 없습니다. 또한 공생균의 부재로 인해 유도되는 장신경계의 비정상적 발생과 제어가 궁극적으로 건강에 미치는 영향에 대해서는 아는 바가 거의 없습니다.

저희 연구팀은 무균(germ-free) 및 노토바이오틱(gnotobiotic) 마우스 생산 기술, 공생균 배양 및 유전자 조작 기술, single cell RNAseq 분석 기술 등 다양한 첨단 요소 기술들을 융합하여 위 질문에 답하고자 합니다. 핵심 재료는 신경능세포 유래 뉴런과 교세포가 형광 표식되어 있으되 동시에 무균화 되어 있어 특정 공생균에 대한 장신경계의 반응을 심층 분석하게 해주는 생쥐 모델입니다. 핵심 기술은 단일세포 RNA 염기서열 분석으로서 개별 세포를 대상으로 유전자 발현 분석을 가능하게 하여 세포의 종류, 계보, 분화단계 등을 분석 가능하게 합니다.

장내 환경 항상성 유지의 생물학적 의학적 중요성이 널리 인정되고 있으나 아직도 많은 미싱 링크가 존재합니다. 특히 핵심 요소인 공생균과 장신경계의 상호작용에 대한 지식은 미미한 상황입니다. 장신경계의 발생과 기능을 특정 공생균과 연계해 기전을 규명하는 본 연구는 항상성 유지와 질병 반응 과정에 대한 이해를 증진시켜 다양한 질환에 관한 새로운 실마리와 함께 흥미로운 미래 연구/개발 분야를 제시할 것으로 기대됩니다.