시냅스 단백질, '새로움'을 구별 능력 높여
시냅스 단백질, '새로움'을 구별 능력 높여
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.27 15:30
  • 조회수 1149
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요약

 

'새로움'을 인식하는 데 관여하는 시냅스 기전 및 신경회로가 발견됐습니다. 신경전달의 기본 단위인 시냅스 형성과정의 이해는 물론 인간의 뇌에서 '새로움' 인식에 관여하는 신경회로를 이해하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

인간의 뇌는 새로운 물건이나 사람, 환경 및 상황에 더 민감하게 반응하고 이를 기억합니다. 새로움에 대한 인식은 인간의 생존에 필수적이며 새로움을 추구하는 뇌기능은 인간의 본성과도 연관이 있습니다. 하지만 이와 관련된 구체적 기전에 대해서는 알려진 바가 거의 없었습니다.

우리는 '새로움'을 어떻게 인식할까? 출처: AdobeStock
우리는 '새로움'을 어떻게 인식할까? 출처: AdobeStock

기초과학연구원(IBS) 시냅스 뇌질환 연구단 김은준 단장 연구팀은 '새로움'을 인식하는데 관여하는 시냅스 기전 및 신경회로를 발견했습니다. 이번 연구는 신경전달의 기본 단위인 시냅스 형성과정의 이해는 물론 인간의 뇌에서 '새로움' 인식에 관여하는 신경회로를 이해하는 데 기여할 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <eLife>에 게재됐습니다.

 

시냅스 기능, 비밀 밝히다

 

뇌는 수많은 신경세포(neuron)로 이루어져 있으며, 이 신경세포는 '시냅스(synapse)'라는 작은 구조물(약 0.5 마이크론의 크기)을 통해서 서로 소통합니다. 시냅스는 전-시냅스(presynapse)와 후-시냅스(postsynapse)가 서로 접착되어 만들어 지는데, 전-시냅스에서 신경전달물질을 내보내면 후-시냅스가 수용체를 통해 신경전달물질을 감지하는 방식으로 신경전달(synaptic transmission)이 일어납니다.

 

시냅스 형성의 가장 중요한 과정은 전-시냅스와 후-시냅스가 서로 제 짝을 찾아 올바른 신경회로를 만드는 것인데, 이 과정을 매개하는 것이 시냅스 접착 단백질로 시냅스 형성에 이들이 주로 관여한다는 사실만 밝혀졌을 뿐, 추가적인 기능에 대해서는 거의 알려진 바가 없었습니다.

PTP 단백질의 구조. 출처: IBS
PTPσ단백질의 구조. 출처: IBS

시냅스 형성의 또 다른 중요한 과정은 새로 형성된 시냅스의 후-시냅스 위치에 신경전달물질의 수용체가 위치하고 안정화되는 것인데 기존의 연구를 통해 해마(hippocampus)와 신경전달물질 수용체의 하나인 NMDA 수용체가 중요함은 밝혀졌지만, 구체적인 시냅스 기전은 불명확했다. 후-시냅스 막에 존재하는 NMDA 수용체는 기억 형성이나 제거에 중요한 것으로 오랫동안 알려져 왔으며, 기능에 이상이 생길 경우 자폐증이나 조현병 등을 유발한다는 가설도 있습니다.   

  • NMDA 수용체

신경세포 흥분성 시냅스에서는 전-시냅스(presynapse)으로부터 글루탐산 신경전달물질(Neurotransmitter)이 시냅스틈(synaptic cleft)으로 방출되고, 시냅스틈의 글루탐산이 시냅스후 막에 존재하는 글루탐산 수용체에 결합함으로써 신경전달(synaptic transmission)이 일어납니다. NMDA 수용체는 후-시냅스 막에 존재하는 이온성 글루탐산 수용체의 일종으로 글루탐산과 결합 시에 나트륨, 칼슘은 신경세포 안으로 들어오고 칼륨은 신경세포 밖으로 나가는 이온통로로 기능합니다. 

시냅스 가소성, 기억의 형성에 중요한 역할

 

IBS 시냅스 뇌질환 연구팀은 전-시냅스에 위치한 PTPσ라는 시냅스 접착 단백질이 기억을 매개하는 것으로 알려진 NMDA 수용체가 위치하고 안정화될 수 있도록 도와 기능을 조절한다는 사실을 밝혀냈습니다. 시냅스는 그 활성 정도에 따라 구조와 기능이 지속적으로 변화가능하며 이를 시냅스가소성이라 부릅니다.

PTPσ단백질에 의한 NMDA 수용체 기능 조절. 출처: IBS
PTPσ단백질에 의한 NMDA 수용체 기능 조절. 출처: IBS

시냅스가소성은 뇌의 여러 기능에 관여할 것으로 예상되며, 특히 기억의 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 시냅스 접착 단백질 PTPσ가 탈인산화 효소 기능을 통해 후-시냅스의 NMDA 수용체 양을 증가시켜 해마 영역에서 NMDA 수용체에 의존적인 시냅스가소성을 조절하게 되는 겁니다. 또한 시냅스 접착 단백질 PTPσ가 시냅스 형성에 관여한다는 기존의 체외(in vitro)실험 결과와 달리 시냅스 형성과는 무관하지만 성숙과 관련돼 있다는 결과를 동물의 체내(in vivo)실험을 통해 얻었습니다. 

PTPσ단백질 결손 생쥐의 행동. 출처:IBS
PTPσ단백질 결손 생쥐의 행동. 출처:IBS

연구팀은 생쥐 실험을 통해 PTPσ가 결손된 생쥐는 시냅스 형성 자체에는 별다른 문제점이 없었음에도 새로움을 인식하지 못한다는 사실을 증명했습니다. 새로운 사물이나 새로운 생쥐, 새로운 상황이나 규칙의 변화 등 다양한 실험환경에 대한 노출 후 일반 생쥐와 PTPσ가 결손된 생쥐의 반응 차이를 통해 새로운 대상을 인식하지 못함을 보였습니다.

 

대표적인 예로 3개의 방으로 구성된 생쥐의 상호작용 실험에서 PTP 단백질이 결손된 생쥐는 물체와 생쥐가 놓여있을 때 생쥐와 사회적 상호작용을 잘했지만, 생쥐가 다른 생쥐로 바뀌었을 때 새로운 생쥐를 인식하지 못했습니다. 이와 같은 ‘새로움’에 대한 인식 결여는 해마의 특정 신경회로와 NMDA 수용체 결손에 따른 것으로, PTPσ 단백질이 해마에서 다시 발현되거나, NMDA 수용체의 기능이 정상화되면 생쥐의 ‘새로움’에 대한 인식 기능이 회복됐습니다.

 

김은준 단장. 출처: IBS
김은준 단장. 출처: IBS

 

 

이 연구를 이끈 김은준 단장은 "시냅스 접착 단백질의 하나인 PTPσ가 단순히 전-시냅스와 후-시냅스를 연결하는 '접착제'가 아니라 새로운 자극에 대한 인식능력을 조절하고 관련 신경회로를 활성화시키는 물질이라는 사실을 밝혀냈다"며 "이 연구가 관련 뇌질환의 발병 기전 이해 및 향후 뇌인지 기능 치료제 개발에 도움을 줄 것으로 기대한다"고 말했습니다.

 

 

 


##참고자료##

 


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