미래창조과학부(장관 최양희)는 “신경세포 연결을 주관하는 시냅스 접착단백질^*에 의한 새로운 흥분성 시냅스^** 작동 원리를 국내 연구진이 처음 규명하였다“고 밝혔다.

  

고재원･엄지원 교수(연세대) 공동연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(선도연구센터지원사업)과 교육부 학문후속세대양성사업(대통령포스트닥 펠로우십)의 지원으로 연구를 수행하였으며, 연구 결과는 자연과학분야의 국제학술지 ⌜셀 리포트 (Cell Reports)⌟ 온라인판 1월 15일자에 게재되었다. 

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.  

- 논문명 :  LRRTM3 Regulates Excitatory Synapse Development Through Alternative Splicing and Neurexin Binding 

- 저자 정보 : 고재원(연세대), 엄지원(연세대), 최태용(서울대) 등   

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 

시냅스 (synapse)는 뇌의 기능을 수행하는 가장 기본이 되는 단위로서 수많은 뇌세포들간에 신경전달이 일어나는 장소이다. 다양한 시냅스 단백질들 중에서 시냅스 접착단백질 (synaptic adhesion molecule)들에 의해서 초기 시냅스가 형성되고 성숙화된다. 최근 들어서 LRR (leucine-rich repeat)라 불리우는 도메인을 갖고 있는 다수의 막단백질^*들이 시냅스 접착단백질로서 중추신경계 (central nervous system)에서 중요한 기능을 하고 있음이 밝혀지고 있다. 이들 단백질들은 자폐, 정신분열 등 다양한 뇌질환 발병에도 큰 연관성을 보이는 것으로 밝혀졌다. 

      

   

고재원 교수 연구팀은 지난 2009년부터 최근까지 LRRTM1, LRRTM2 및 LRRTM4 단백질이 뇌 해마 (hippocampus)의 다양한 부위에서 흥분성 시냅스 구조 및 기능을 조절한다는 연구결과들을 꾸준히 보고하였다. 본 연구에서는 이들 단백질들에 비해서 연구결과가 전무하였던 LRRTM3 단백질^*이 해마의 치아이랑^** 과립세포 (dentate gyrus granule cell)의 흥분성 시냅스 구조 및 기능 유지에 중요함을 증명하였다. 

     

특히 LRRTM3 단백질은 다른 LRRTM 단백질들과 마찬가지로 neurexin^* 및 glypican 단백질^**과 시냅스 접착을 매개하는데, 이 중 neurexin간의 선택적인 접착을 매개하여 시냅스 발달을 매개함을 보여주었다. 

  

또한 LRRTM3 단백질이 생성되지 않는 유전자 조작 실험쥐의 해마 치아이랑을 조직염색 하였을 때 흥분성 시냅스의 수가 정상쥐에 비해 현저히 감소되어 있었으며, 전기생리학적 특성을 측정 시 흥분성 시냅스의 신경전달 또한 정상쥐에 비해 감소되어 있어  LRRTM3 단백질이 해마 치아이랑의 흥분성 시냅스 발달에 매우 중요한 인자로 작용하고 있음을 약 2년 동안의 실험을 통해 증명하였다. 

 

최근 인간유전학체 기술 발전으로 인해 LRRTM3 단백질의 유전자 복제수 변이 (CNV, copy number variation)들이 자폐 및 알츠하이머 치매 환자 등에서 다수 발견되고 있으므로 본 연구 결과는 이들 뇌질환의 병인기전 규명에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 

특히 본 논문에서 도출된 LRRTM3 낙아웃 마우스^*의 다양한 표현형 (phenotype)^**들을 바탕으로 현재 LRRTM3 기능이상과 연관된 뇌질환 병인기전을 규명하는 연구를 진행하고 있으며 LRRTM3 낙아웃 마우스의 다양한 행동 분석결과들이 도출되고 있다. 이러한 연구결과들은 이후 특정 신경회로 (neural circuit)에서의 LRRTM3 단백질의 역할을 폭넓게 이해하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.

고재원 교수는“그 동안 시냅스 단백질의 기능 이상이 뇌 흥분성 및 억제성 균형 이상을 유발해 자폐증, 조현증과 같은 다양한 뇌정신질환을 유발하는 것으로 알려져 있지만 구체적인 작동 기전이 명확하게 규명되지 않아 치료제 개발에 어려움을 겪었다”면서, “이번 연구는 LRRTM3 단백질의 유전자 복제수 변이(CNV)가 다수 발견되는 뇌질환의 발병 원인 규명 및 치료제 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다”고 말했다. 

시냅스는 신경세포들의 접합 부위로서, 신경전달물질을 주고받으며 학습 및 기억, 감각, 운동 등이 원활히 조절되게 하는 뇌기능의 기본 단위이다. 발생 중인 태아와 갓 태어난 사람의 뇌에서는 신경세포 사이 접합이 계속 일어나며 흥분성시냅스(excitatory synapse)와 억제성시냅스(inhibitory synapse)가 빠르게 만들어지는데, 이 때 시냅스 형성과 흥분성/억제성 시냅스 간의 균형에 문제가 생길 경우, 자폐 및 조현증 등의 다양한 뇌정신질환 (neuropsychiatric diseases)들이 발병한다. 

최근 들어 시냅스 형성에 관여하는 다수의 시냅스 접착단백질들이 발견되고 있어 시냅스 및 신경회로 연결 형태 및 기능에 관한 연구가 가속화되고 있다. 이 중에서 leucine-rich repeat (LRR) 도메인을 갖고 있는 다수의 막 단백질들이 중추신경계 (central nervous system)에서 핵심적인 역할을 수행하고 있음이 밝혀지고 있다. 본 연구에서 초점을 두고 연구한 Leucine-rich repeat transmembrane protein (LRRTM) 단백질의 경우 일부 연구결과들을 통해서 흥분성 시냅스 구조 및 신경전달 및 가소성 등에 중요한 기능을 수행함이 알려져 있었다.

본 연구는 기능이 잘 알려져 있지 않던 LRRTM3 단백질의 작동기전을 해마신경세포 시스템부터 낙아웃 마우스까지 병행하여 다양한 연구접근법을 체계적으로 작용, LRRTM3 단백질이 해마 (hippocampus)의 치아이랑 (dentate gyrus)의 흥분성 시냅스 발달에 특이적으로 작용함을 증명하였다. 또한 흥분성 시냅스의 핵심 단백질인 PSD-95 단백질과의 상호작용이 글루타메이트 수용체의 표면 발현을 조절한다는 실험적 증거를 제시함으로써 PSD-95 단백질에 의한 흥분성 시냅스 기능 조절 기전의 새로운 지식을 더해주었다.

본 연구는 LRRTM3 유전자가 alternative splicing에 의해서 서로 다른 2개의 단백질 형태로 번역됨을 생물정보학 (bioinformatics) 및 게놈 분석 등을 통해서 증명하였으며, 항체를 생산하여 각종 생화학적 특징을 규명하였다.

또한 LRRTM3 단백질을 해마신경세포에서 과발현시키거나 낙다운 (knockdown)시켜 흥분성 시냅스 구조가 선택적으로 증가 혹은 감소됨을 증명하였다. LRRTM3 단백질의 이러한 특이적인 시냅스 생성 효과는 치아이랑 (dentate gyrus)에서만 특이적으로 발견되었는데, 이는 LRRTM3 단백질 발현 패턴과 일치하였다. 

흥미롭게도 LRRTM3 단백질이 결핍된 신경세포에서는 흥분성 시냅스의 글루타메이트 수용체 중 하나인 AMPA 수용체가 시냅스 활성에 따른 표면에서의 발현 증가 효과가 사라졌는데, 이는 LRRTM3 단백질이 후시냅스 신경세포에서 흥분성 시냅스 가소성을 조절함을 보여주는 핵심 실험결과라 말할 수 있다. 이 때, PSD-95 단백질과 결합할 수 있는 LRRTM3 splice variant를 재발현시킬 경우 AMPA 수용체의 표면증가 효과가 다시 회복되는데, 이는 LRRTM3/PSD-95 단백질 상호작용의 생리학적 중요성을 보여준 최초의 실험적 증거라 말할 수 있다.

본 연구팀은 더 나아가 LRRTM3 단백질이 결핍된 낙아웃 (knockout) 마우스를 활용하여 생화학, 이미징, 세포생물학, 전자현미경 및 전기생리 실험 등을 수행하여 LRRTM3 단백질이 해마 치아이랑의 흥분성 시냅스 구조 및 신경전달 등을 선택적으로 조절하는 핵심 인자임을 증명하였다. 마지막으로 LRRTM3 단백질과 neurexin 단백질이 선택적인 시냅스 접착을 형성하여 시냅스 생성을 매개함을 증명하였다.

최근 인간유전학체 기술 발전으로 인해 LRRTM3 단백질의 유전자 복제수 변이 (CNV, copy number variation)들이 자폐 및 알츠하이머 치매 환자 등에서 다수 발견되고 있으므로 본 연구 결과는 이들 뇌질환의 병인기전 규명에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 본 논문에서 도출된 LRRTM3 낙아웃 마우스의 다양한 표현형 (phenotype)들을 바탕으로 현재 LRRTM3 기능이상과 연관된 뇌질환 병인기전을 규명하고자 박차를 가하고 있다. 실제로 연구팀의 미발표 연구결과들은 이러한 가능성을 뒷받침하고 있으며, 현재 LRRTM3 낙아웃 마우스의 다양한 행동 분석결과들이 도출되고 있다. 이러한 연구결과들은 이후 특정 신경회로 (neural circuit)에서의 LRRTM3 단백질의 역할을 폭넓게 이해하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.

 

본 연구책임자는 미국 박사후 연구원시절 LRRTM1, LRRTM2에 관한 연구를 시작하였으며, 귀국 후 LRRTM4 단백질에 관한 연구를 진행하여 일부 연구성과를 보고하였음. 본 연구는 가장 연구가 덜 진행된 LRRTM3 단백질에 관한 연구 결과이며, 기존에 잘 알려져 있지 않던 흥분성 시냅스 발달의 새로운 분자원리를 규명하였음.

본 연구는 LRRTM3 단백질에 의한 흥분성 시냅스 구조, 신경전달, 그리고 글루타메이트 수용체 기능 유지 등에 어떻게 관여되는지 해마 신경세포 시스템부터 형질전환생쥐까지 활용하여 세포생물학, 생화학, 전기생리학 등의 다양한 연구접근법을 활용하였음. 

연구를 진행하면서 기존 경쟁그룹에서도 비슷한 연구를 진행하고 있다는 소식을 알게 되어 전체 연구결과를 다 보고하지 못하고, 일부 핵심 결과들만 먼저 보고하게 되었음. 

많은 흥분성 시냅스 접착단백질들의 경우 PSD-95 단백질과 같은 scaffold 단백질과 결합하여 흥분성 시냅스 발달을 매개하는 것으로 생각되어져왔으나 직접적인 실험적 증거가 없는 상황이었음. 본 연구결과는 최초로 PSD-95 단백질과의 상호작용이 시냅스 접착단백질의 생리학적 기능 규명에 관여함을 증명하였음.

LRRTM3 단백질은 자폐 등과 연관되어 있으며, 이 단백질과 결합하는 neurexin, PSD-95 단백질들도 관련 뇌질환과 연관성이 있음. 본 연구결과를 통해서 밝혀진 LRRTM3 단백질 기능은 기존 자폐 관련 시냅스 단백질들의 기능과 차별화된 특징들이 있으며, 이는 새로운 자폐관련 모델동물이 개발될 수 있을 가능성을 제시함. 향후 LRRTM3 낙아웃 생쥐를 활용하여 자폐관련 새로운 병인기전을 규명하고자 함.

  ㅇ 셀 출판그룹(Cell Press)이 발행하는 셀 (Cell) 자매지 

  ㅇ 하나의 신경세포의 축삭돌기 말단과 다른 신경세포의 수상돌기가 만나는 세포간 연접부위로서 신경세포 사이에 전기적, 화학적 신호를 전달하는 대화창구 역할을 수행한다.

  ㅇ 신경세포의 세포막에 존재하며 다른 신경세포의 세포막에 있는 막단백질과 상호작용하여 시냅스 생성 초기 과정을 매개하며 이후 신경전달이 효율적으로 일어날 수 있도록 다양한 시냅스 단백질들을 끌어들여 시냅스가 제대로 기능을 수행하게 한다.

  

  ㅇ 하나의 신경세포가 연결되어 있는 다른 신경세포를 흥분시키느냐 억제시키느냐에 따라서 흥분성 및 억제성으로 분류하며 분비하는 신경전달물질과 이와 결합하는 수용기 성질이 서로 다르며 구성성분도 다른 것으로 알려져 있다.

  ㅇ 흥분성 시냅스 발달에 특이적으로 작용하는 시냅스 접착단백질 중 하나로서 단백질-단백질 상호작용에 관여하는 LRR (leucinr-rich repeat) 도메인을 다수 갖고 있음. 척추동물에서 4종류의 isoform이 존재하며, 본 연구에서는 그 중 하나인 LRRTM3 단백질에 의한 해마 치아이랑 (dentate gyrus) 신경세포의 흥분성 시냅스 발달 기전을 규명하였다.

  ㅇ 이 단백질은 자폐 (autism), 알츠하이머 (Alzheimer's disorder) 등 다양한 뇌정신질환, 퇴행성 뇌질환 등과 연관성 있는 것으로 알려져 있어 관련 병인기전을 규명하는데 중요한 기초 의학개념을 제시할 것으로 생각된다.