일본 이화학연구소(RIKEN)와 후지타보건위생대학으로 구성된 공동연구진은 세포 내 칼슘채널의 제어인자인 IRBIT가 뇌 신경계에서 calcium calmodulin-dependent kinase II alpha (CaMKIIα)의 활성을 제어하여 주의력이나 행동성을 제어하는 뇌내 카테고리 아민의 항상성을 유지한다는 사실을 밝혀내었다.

우리의 기분이나 행동은 뇌 내의 모노아민이라 불리는 신경전달물질로 제어된다. 모노아민 중에서도 도파민이나 노르아드레날린이라고 불리는 카테고리 아민은 주의력이나 행동력의 제어와 관련되어 있으며, 그 이상은 많은 정신신경질환, 특히 ADAH나 사회행동이상을 일으키는 원인 중 하나로 지적되었다. 하지만 뇌 내 카테콜아민양의 항상성을 유지하는 기재는 아직 밝혀지지 않았다.

한편, IRBIT는 세포내 칼슘 채널에 있는 이노시톨트리스인산수용체(IP3R)와 결합하며여 IP3R을 제어하고, 이 때 이노시톨트리스인산(IP3)과 결합한다고 알려져 있다. 이 후 IRBIT가 여러 가지 표적분자와 결합하여 전해질 운송, 분비, 메신저 RNA(mRNA)의 성숙, 게놈의 안정화와 같은 다양한 생명현상에 기여한다고 밝혀졌다. 하지만 IRBIT가 가장 풍부하게 존재하는 뇌신경계에서는 그 기능이 아직 밝혀지지 않았다. 공동연구팀은 뇌신경계에서 IRBIT의 기능을 해명하기 위해 새로운 타깃 분자의 동정 및 그 기능해석을 수행하였다. 

공동연구그룹은 공면역침전법과 질량분석법을 이용하여 마우스 뇌 조직의 샘플 중에 있는 IRBIT와 상호작용하는 새로운 분자를 검색하여, calcium calmodulin-dependent kinase II alpha (CaMKIIα)를 발견하였다. IRBIT가 CaMKIIα와 어떻게 상호작용하는지를 조사한 결과 IRBIT는 CaMKIIα의 조절부위에 결합하며, 그 결합은 CaMKIIα를 활성화하는 인자인 calmodulin과 경쟁한다는 것을 확인하였다. 한편 IRBIT가 CaMKIIα의 활성에 미치는 효과를 검증하여, IRBIT 첨가량에 따라 CaMKIIα의 활성이 현저하게 억제된다는 것을 확인하였다. ([그림 1])

다음으로 살아있는 세포 내에서 IRBIT가 어떻게 CaMKIIα의 활성을 제어하는지를 조사하였다. 이를 위해 야생형 마우스와 IRBIT를 결손시킨 마우스에서 각각 배양한 해마신경세포를 분석한 결과, 세포 내에서도 IRBIT의 발현량에 대응하여 CaMKIIα의 활성이 변화한다는 것을 확인하였다. 이는 IRBIT가 세포 내에있는 CaMKIIα의 활성화의 역치를 결정하는 중요한 제어인자라는 것을 시사한다.




공동연구진은 IRBIT의 기능이 개체의 행동에 어떤 영향을 미치는지를 조사하기 위해 전신에서 IRBIT를 결손시킨 마우스의 행동분석을 실시하였다. IRBIT 결손 마우스는 익숙한 생활환경과 새로운 생활환경의 모두에서 그 행동량이 현저히 증가하였으며, ADHD의 경향을 보였다. ([그림 2A]) 또한 마우스간에 보여주는 사회행동을 분석한 결과, IRBIT 결손 마우스는 야생형 마우스와 비교해 다른 마우스의 접촉횟수나 시간의 증가(과잉접촉)를 보였다. ([그림 2B])




지금까지 연구에서 ADHD나 사회행동의 이상은 뇌 내에 있는 모노아민량과 관계가 있다고 알려져있었다. 이에 공동연구그룹은 IRBIT 결손 마우스 뇌 내의 모노아민양을 측정하였다. 그 결과 IRBIT 결손 마우스의 전두전야 ([그림 3좌]), 해마, 선상체, 소뇌에서 도파민과 노르아드레날린, 혹은 그 대사물의 양이 증가한다는 것을 확인하였다.




도파민이나 노르아드레날린에서 카테콜아민의 생산량은 율속효소인 티로산 수산화효소의 활성에 의해 제어된다. ([그림 3우]). CaMKIIα에 의한 티로산 수산화효소의 인산화가 티로산 수산화효소의 활성을 제어하는 분자기재의 하나라고 알려져 있어, 연구진은 IRBIT의 발현량이 티로산 수산화효소의 활성에 미치는 영향에 대해 배양세포를 이용하여 조사하였다. 세포에 인공적으로 IRBIT를 과잉발현시킨 결과, CaMKIIα로 인한 티로산 수산화효소산화가 현저하게 억제되어, IRBIT가 CaMKIIα를 통해 티로산 수산화효소의 활성을 제어할 가능성이 있음이 밝혀졌다. 또한 IRBIT가 뇌에 어느 영역에 발현되는 것을 분석한 결과, 복측피개야(VTA)에 티로산 수산화효소를 가진 도파민 작동성 신경세포가 높은 레벨로 발현한다는 사실을 확인하였다. 한편 형광면역염색법을 통해 IRBIT 결손 마우스의 복측피개야의 도파민 작동성 신경세포에서 티로산 수산화효소의 인산화가 진행되고 있다는 사실을 확인하였다. 이 결과는 IRBIT가 뇌 내에서 CaMKIIα 활성을 제어하는 것으로, 티로산 수산화효소의 활성을 제어하여, 뇌 내에서 카테콜아민의 항상성 유지에 기여한다는 것을 보여준다.




본 연구를 통해 연구진은 뇌에서 IRBIT와 상호작용하는 새로운 분자로 CaMKIIα를 동정하여, IRBIT에 의한 CaMKIIα 활성의 제어기재를 발견하였다. 또한 IRBIT 결손 마우스를 분석하여 IRBIT에 의한 CaMKIIα 활성제어가 뇌 내에 있는 카테콜아민의 항상성 유지에 중요한 역할을 담당하고 있다는 것을 보여주었다. 향후, 인간의 IRBIT 변이가 ADHD나 사회행동이상과 같은 정신신경질환의 증상과 어떤 관련이 있는지를 조사하여, 이 증상의 치료 및 신약개발에 관해 기여할 것으로 기대된다. 또한 CaMKIIα는 기억이나 학습을 가능하게하는 ‘신경가소성`이라는 프로레스의 제어에도 중요한 역할을 담당하고 있다. IRBIT에 의한 CaMKIIα의 활성제어기재가 어떻게 기억학습을 시작하는지, 고차뇌기능에서 어떻게 역할을 담당하는지를, 향후 밝혀낼 수 있을 것으로 기대된다. .




본 연구성과에 관한 자세한 내용은 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America지에 게재된 논문 "IRBIT regulates CaMKIIα activity and contributes to catecholamine homeostasis through tyrosine hydroxylase phosphorylation"에서 확인할 수 있다.