Calcium ($Ca^{2+}$) signals that are precisely modulated in space and time mediate a myriad of cellular processes, including contraction, excitation, growth, differentiation and apoptosis. However, study of $Ca^{2+}$ responses has been hampered by technological limitations of existing $Ca^{2+}$-modulating tools. Here I present OptoSTIM1, an optogenetic tool for manipulating intracellular $Ca^{2+}$ levels through activation of $Ca^{2+}$-selective endogenous $Ca^{2+}$ release activated $Ca^{2+}$ (CRAC) channels. Using OptoSTIM1, which combines a plant photoreceptor and the CRAC channel regulator STIM1, I quantitatively and qualitatively controlled intracellular $Ca^{2+}$ levels in various biological systems, including zebrafish embryos and human embryonic stem cells. I demonstrate that activating OptoSTIM1 in the CA1 hippocampal region of mice selectively reinforced contextual memory formation. The broad utility of OptoSTIM1 will expand our mechanistic understanding of numerous $Ca^{2+}$-associated processes and facilitate screening for drug candidates that antagonize $Ca^{2+}$ signals.
칼슘은 세포 내에서 세포의 이동, 분화, 성장 등 다양한 기능에 관여하는 핵심물질로서 세포의 항상성(homeostasis)을 유지시키는 중요한 역할을 하기 때문에 경우에 따라 그에 맞는 적절한 농도를 유지하는 것이 매우 중요하다. 이에 세포 내의 칼슘 양을 조절할 수 있는 여러 화학물질이 개발되었지만 가역적이지 못하고 시공간적인 제어가 힘들기 때문에 생체모델 내에서의 적용이 어려웠다. 이러한 한계점들을 극복하기 위해 식물의 광수용체(photoreceptor) 단백질을 응용한 세포 내 광유전학적 칼슘 조절 시스템이 개발이 되었지만 효율이 낮아 생체 내의 적용이 불가능하였고 칼슘의 시공간적인 제어도 힘들었다.
우리는 광유전학적 칼슘 조절 시스템의 효율을 극대화 시키기 위하여 청색 빛에 반응하여 복합체를 형성하는 애기장대의 크립토크롬 2 (cryptochrome 2) 광수용체 단백질을 복합체를 형성하였을 때 세포 내 칼슘채널을 활성화 시키는 인간 단백질 (STIM1)과 융합하여 기존 기술들과 직접적으로 비교하였을 때 고효율을 보이는 광유전학적 칼슘 채널 활성화 기술(OptoSTIM1)을 개발하였다. 본 기술은 빛의 세기와 노출시간을 조절, 세포 내의 칼슘 유입을 정량적으로 제어함으로써 결과적으로 빛으로 세포의 칼슘 특이적인 기능을 조절할 수 있었고 세포들이 모여있는 군집 또는 하나의 세포 내에서도 빛을 통한 시공간적인 칼슘 유입 조절이 가능하였다. 또한 이 기술을 통해 암세포, 인간배아줄기세포, 신경세포, 그리고 제브라피쉬 등에서 칼슘 유입을 유도함으로써 본 기술이 다양한 생명 과학 및 공학 분야에 적용 가능하다는 것을 확인하였다.
본 기술을 살아있는 쥐의 뇌 부위 중 공간에 대한 기억을 담당하는 해마(hippocampus)에 선택적으로 적용하여 빛을 통해 신경세포들에서 칼슘 유입을 유도하였을 때 쥐의 단기 기억력이 빛을 쬐어 주지 않은 쥐와 비교하여 2배 가까이 증가하였다. 이는 뇌질환 등 인간의 다양한 세포 내 칼슘 제어 문제에 의해 발생하는 질환에서 칼슘의 역할을 규명하고 빛을 쬐는 비침습적(non-invasive) 방법으로 약물이나 전기 자극을 대신해 칼슘 조절을 통한 질병치료 모델을 제시하는데 기여할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 대량의 화합물 중 칼슘 농도에 영향을 미치는 물질을 찾아내는 신약후보물질 발굴 플랫폼으로도 쓰일 수 있다.
