인간의 신경변성/신경발달 장애를 이해하기 위한 제브라피시, 송사리 및 청록색 송사리 5부
Mar 28, 2024
5. 작은 물고기의 인간 신경 발달 장애
인간의 신경발달장애는 유전적 진단이나 MRI 등의 바이오마커에 근거하지 않고 발달특성, 사회생활의 어려움 등 개인의 행동과 사회와의 상대적인 관계를 토대로 진단한다[123].
신경발달 장애는 아동기의 신경계 발달에 있어서 특정 어려움이나 장애물을 의미하며, 이는 아동의 신체적, 인지적, 행동적 발달에 영향을 미칩니다. 이 질병은 어린이에게 흔히 발생하며 많은 어린이가 영향을 받습니다. 그러나 신경발달 장애가 소아가 평생 동안 영향을 받는다는 의미는 아닙니다. 과학적인 개입과 가족의 돌봄을 통해 아이들은 건강하게 성장하고 성인으로 성장할 수 있습니다.
기억은 인간의 중요한 인지능력 중 하나이다. 그것은 우리의 일상 생활과 학습 활동에서 없어서는 안될 부분입니다. 신경발달장애가 기억에 미치는 영향은 주로 다음과 같은 측면에서 나타난다. 첫째, 신경발달장애는 어린이의 학습능력에 영향을 미칠 수 있다. 신경계 발달에 영향을 미치기 때문에 아이는 언어 및 의사소통에 어려움을 겪을 수 있으며, 이로 인해 교사가 가르치는 지식과 학습 자료를 아이가 이해하기 어려울 수 있습니다. 동시에 아이들은 학습 과정에서 집중력이 부족하고 과제를 완료하는 데 집중하는 데 어려움을 겪을 수 있으며, 이는 기억력에도 영향을 미칩니다.
둘째, 신경발달 장애는 아이의 감정을 사회화하고 관리하는 능력에 영향을 미칠 수 있습니다. 이로 인해 아이들은 또래들과 상호작용하고 깊은 관계를 형성하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 이러한 사회적, 정서적 건강 문제는 어린이의 정신적 불안정으로 이어질 수 있으며, 이는 기억력에 영향을 미칠 수 있습니다.
그러나 신경발달 장애가 기억력에 어느 정도 영향을 주기는 하지만 이것이 아이들이 좋은 기억력을 갖지 못한다는 것을 의미하지는 않습니다. 과학적 개입과 가족 돌봄을 통해 아이들은 이러한 어려움을 점차 극복할 수 있습니다. 부모는 자녀가 필요에 따라 좋은 학습 습관을 갖도록 돕고, 목표에 맞는 지도를 제공하며, 교사와 협력하여 자녀의 성장과 발달을 위한 좋은 환경을 공동으로 조성할 수 있습니다.
또한, 아이들이 자신에게 적합한 스포츠 활동, 음악 활동 등에 참여하는 것은 신체적, 지적 발달에도 도움이 될 수 있습니다. 또한 사회적, 정서적 능력을 강화하여 기억력을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
간단히 말해서, 신경발달 장애는 어린이의 기억력에 어느 정도 영향을 미칠 수 있지만 이는 어린이의 건강한 성장에는 영향을 미치지 않습니다. 과학적인 개입과 가족의 돌봄을 통해 아이들은 점차 장애물을 극복하고 좋은 기억력을 키우며 유용한 재능으로 성장할 수 있습니다. 기억력 향상이 필요하다고 볼 수 있는데, Cistanche Deserticola는 아세틸콜린 수치와 성장인자 수치를 높이는 등 신경전달물질의 균형도 조절할 수 있기 때문에 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 물질은 기억과 학습에 매우 중요합니다. 또한 Cistanche Deserticola는 혈류를 개선하고 산소 전달을 촉진하여 뇌에 충분한 영양분과 에너지를 공급하여 뇌 활력과 지구력을 향상시킬 수 있습니다.
신경 발달 장애를 연구하기 위해 작은 물고기를 사용하는 것의 한 가지 한계는 작은 물고기가 인간의 신경 발달 장애에 대한 진단 기준을 충족할 가능성이 없다는 것입니다.
인간의 복잡한 고차적 기능을 제브라피시에 적용하기는 어렵지만, 최근에는 인간의 사회적 반응을 모방하는 행동분석을 적용함으로써 제브라피시를 신경발달장애의 모델동물로 활용할 수 있다는 보고가 나오고 있다.
더욱이, 이미 언급한 바와 같이, 신경 발달 장애의 모델 동물로서 실험실에서 작은 물고기의 유용성은 세포 및 분자 수준에서 조직, 발달 및 행동 분석에 이르기까지 일관된 관찰 측면에서 많은 흥미로운 발견을 이끌어 냈습니다. 자폐 스펙트럼 장애( ASD)는 가장 흔한 신경발달장애 중 하나입니다.
ASD의 발병기전은 확립되지 않았으나, ASD 환자에 대한 종합적인 유전자 분석 결과가 축적되어 ASD 발병 위험 유전자에 대한 데이터베이스가 구축되었습니다. 미국 Simon Foundation에서 운영하는 데이터베이스인 SFARI(https://gene.sfari.org/;2021년 11월 30일 접속)를 참고하실 수 있습니다. 현재 위험 강도별로 분류된 유전자는 1023개 등록되어 있습니다.
더욱이 주의력결핍 과잉행동장애(ADHD)의 발병기전에 유전적 요인이 인정되고 있으며, 최근에는 게놈 차원의 연관성 분석에 대한 메타분석 결과가 축적되고 있다[124-126]. 다음은 이러한 신경발달 장애와 관련이 있다고 생각되는 유전자의 제브라피시 돌연변이 모델을 사용한 연구 보고서를 요약한 것이다(표 2).
DYRK1A는 뇌 발달과 기능에 필수적인 세린/트레오닌 키나제이며, 이 단백질의 과잉 활성화는 다운증후군에서 관찰됩니다[133]. 또한 DYRK1A는 SFARI 데이터베이스에서 점수 1에 속하며 ASD와 관련성이 높은 위험 유전자로 간주됩니다. Kim et al. DYRK1A의 상동체인 Dyrk1aa knockoutzebrafish를 생성하고 분석했습니다.
성체가 된 녹아웃 물고기는 소두증을 보였으며, 행동 분석에서는 노블탱크 테스트로 불안 행동이 감소했으며, 숄링 테스트와 사회적 선호 테스트로 사회적 상호 작용이 손상되는 것으로 나타났습니다.
그들은 이것이 물고기의 자폐증과 유사한 행동 변화라고 결론지었습니다[127]. 같은 방식으로 SFARI 데이터베이스에서 ASD 위험 유전자의 점수 1에 속하는 SHANK3 및 NRXN2에 대해 zebrafish orthologue 녹아웃 라인이 생성되었습니다. SHANK3은 뇌에서 광범위하게 발현되며 주로 시냅스후 지지체 형성 및 신경전달에 관여합니다[134].
Liu et al. 행동 분석을 통해 손상된 사회적 상호작용을 보인 Shank3b 녹아웃 제브라피시를 생성했으며 성체 물고기 뇌에서 SHANK 결합 단백질인 Homer1의 발현이 감소했다고 보고했습니다[128]. NRXN2는 시냅스전 말단에 존재하는 막횡단 단백질이며 시냅스 내 구성 및 신경전달물질 방출 메커니즘에 관여합니다[135].
NRXN2 녹아웃 마우스는 자폐증 모델로 사용되었으며 명암 상자 테스트 및 상승 플러스 미로 테스트와 같은 분석에서 증가된 불안 유사 행동을 나타내는 것으로 나타났습니다[136]. 코 등(Kohet al.) Nrxn2a 녹아웃 제브라피시를 생성하고 새로운 탱크 테스트에서 불안과 유사한 행동이 증가한 것을 발견했습니다. 이는 자폐증과 유사한 행동 변화가 제브라피시에서도 발생함을 시사합니다[129].
PER1은 시계 유전자로 알려져 있으며, ADHD 환자의 게놈 전체 연관 분석은 이 유전자가 ADHD의 위험 유전자임을 시사합니다[124]. Huang et al. Per1bknockout zebrafish를 만들고 청소년이 과잉 활동하고 거울 이미지 공격 테스트에서 공격 빈도가 증가했으며 per1b mRNA의 미세 주입으로 구조되었음을 보여주었습니다.
그들은 또한 Per1b 녹아웃 제브라피시뇌에서 도파민 함량이 감소했으며 과잉 활성 표현형이 셀레길린(모노아민산화효소 B 억제제) 또는 메틸페니데이트(도파민 수송체 억제제, 인간 ADHD 치료)에 의해 구제될 수 있음을 보여주었습니다.
그들은 또한 PER1 녹아웃 마우스를 분석했습니다. 제브라피시 모델과 유사하게, PER1 녹아웃 마우스는 뇌 샘플에서 과잉 활동과 감소된 도파민 함량을 나타냈는데, 이는 PER1 이상이 ADHD의 도파민성 신경 이상과 관련될 수 있음을 시사합니다[131]. 이 보고서는 행동 특성을 포함하여 척추동물 사이에 고도로 보존된 표현형을 시사한다는 점에서 매우 인상적입니다.
제브라피시의 행동 특성이 인간 신경 발달 장애의 증상을 어떻게 표현하는지 요약하면, "불안에 대한 반응성"은 자폐 스펙트럼 장애의 감각 과민/감각 박탈에 해당하고, "밀집 부족"은 사회적 의사소통 및 대인 관계 상호 작용의 어려움, "과잉 활동 및 공격성"은 자폐 스펙트럼 장애에 해당합니다. ADHD의 과잉행동/충동성 증상에 대한 표현형은 각 분석에서 평가될 수 있습니다.
질병 모델에서 해부학적, 생리학적 차이가 명확하지 않더라도 행동 분석을 통해 일부 표현형을 얻을 수 있다면 이는 약리학적 고처리량 스크리닝과 같은 일부 개입이 구조를 제공할 수 있는지 여부를 평가하는 이정표로 사용될 수 있습니다. 132].
주의 깊게 고려해야 할 것은 행동 분석에서의 해석입니다. 생쥐의 행동 분석은 오랜 역사를 가지고 있으며 많은 연구자에 의해 표준화되었지만 제브라피시의 행동 분석은 아직 개발 단계에 있습니다.
예를 들어, 새로운 수조 테스트는 제브라피시가 새 수조로 옮겨진 후의 행동을 추적하고, 어떤 수심에서 얼마나 많은 시간을 보냈는지, 얼마나 멀리 이동했는지 집계하고 통계적으로 처리합니다. 이 분석에서 제브라피시는 먼저 수조 바닥에 숨어 시간을 보낸 다음 점차 활동 범위를 표면으로 확장합니다.
제브라피쉬가 수조 바닥에서 보내는 시간이 줄어들다가 곧바로 수면에 가까워지기 시작하는 것이 관찰된다면, 이는 "쉽게 불안함을 느끼지 않는다" 또는 "과잉행동 및 충동성"으로 설명되는지에 따라 다른 의미를 가질 수 있습니다. 제브라피시 행동 목록[137], 행동 분석 요약 및 한계, 생쥐 행동 분석과의 대조[138-140]에 대한 참고 자료를 참조하세요.
행동분석은 물고기의 습성을 살펴보지만 이를 인간에게 적용할 때에는 비판적으로 고려할 필요가 있다. 단일 행동 분석의 결과를 기반으로 가정을 하는 것보다 표현형의 추세를 여러 분석에서 관찰할 수 있다면 더 설득력이 있을 것입니다.
행동 분석 외에도 스트레스 반응을 평가할 수 있는 다른 유형의 방법도 고려되고 있습니다. 예를 들어 스트레스 호르몬 중 하나인 코티솔 수치를 평가함으로써 가능합니다.
인간의 고등뇌기능과 인간의 신경발달장애에 대한 모델로 작은 물고기를 활용하는 데에는 아직 알려지지 않은 부분이 많으며, 앞으로 점점 더 많은 연구가 축적되기를 기대합니다.
또한, 제브라피시는 정신의학 분야에서도 정신분열증과 우울증을 분석하는 데 사용됩니다. 정신질환의 모델동물로서 제브라피시(zebrafish)의 표현형을 보는 것은 매우 흥미롭다[144,145]. 필드는 다르지만 제브라피시는 이 리뷰에 설명된 것과 유사한 방식으로 사용됩니다. 자세한 내용은 다른 우수논문 [139,146,147]을 참고하세요.
6. 결론
본 리뷰에서는 실험실에서 제브라피시, 송사리, 터콰이즈킬리피쉬의 특징과 이들 작은 물고기를 이용한 신경퇴행성 질환 및 신경발달 장애에 대한 실제 분석에 대해 논의했습니다. 인간의 신경 장애 분석에 있어서 작은 물고기는 매우 좋은 모델 동물이며 앞으로 더욱 발전할 것입니다. 이 시점에서 우리는 포유류 모형동물에 대한 겸손의식을 가질 필요가 있다. 작은 물고기에서 다양한 실험 결과가 나타나더라도 생쥐에서 같은 결과가 나타날 수 있다면 생쥐에서는 그 영향이 더 클 수 있다.
작은 물고기를 활용하는 것의 의미와 가치를 입증하기 위해 본 리뷰에서 설명한 것처럼 작은 물고기의 특성과 실험실에서의 이점을 활용한 연구 설계가 기대됩니다. 작은 물고기를 통한 시스템. 작은 물고기에만 주의를 기울인다면 인간의 질병과 장애의 맥락에서 작은 물고기의 RNA와 단백질의 변화가 무엇을 의미하는지 명확하지 않을 수 있습니다.
장기 수준의 형태적, 생리적 기능 변화의 의미와 행동 분석을 통해 얻은 행동 변화의 의미에도 동일하게 적용됩니다. 작은 물고기에서 얻은 결과의 의미는 결과가 생쥐와 같은 포유류 모델 동물과 인간의 분석에 연결될 때 명확해질 것입니다. 작은 물고기와 다른 표본 사이에 그러한 관계가 확립될 수 있다면 이러한 물고기는 인간의 신경 장애를 해결하는 데 점점 더 강력하고 유용한 도구가 될 수 있습니다.
저자 기여: HM과 KK가 원고를 썼습니다. 모든 저자는 출판된 원고 버전을 읽고 이에 동의했습니다.
자금: 이 연구는 AMED(보조금 번호 JP19gm6110028 및 JP19dm0107154(HM)), 다케다 과학 재단(HM), JSPS KAKENHI(보조금 번호JP 14516799(HM), JP 16690735(HM) 및 JP 17925674(HM))의 보조금으로 지원되었습니다. 및 JST [Moonshot R&D] [GrantNumber JPMJMS2024] (HM).
기관 검토 위원회 성명: 해당 사항 없음.
사전 동의서: 해당 사항 없음.
데이터 가용성 설명: 이 원고에 설명된 데이터 및 도구는 요청 시 제공됩니다.
감사의 말: 유익한 토론에 참여하고 지속적인 지원을 제공해 주신 Shinano Kobayashi와 Noriko Matsui에게 감사드립니다. 우리는 Ai Ito의 일러스트레이션 작업에 감사드립니다.
이해 상충: 저자는 이해 상충을 선언하지 않습니다.
참고자료
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