IBS 시냅스 뇌질환 연구단
시냅스 단백질, ‘새로움’을 구별하는 뇌 인지능력 높여
기억 관련 시냅스 기능을 조절하고, 새로운 자극에 대한 뇌 기능 활성화
인간의 뇌는 새로운 물건이나 사람, 환경 및 상황에 더 민감하게 반응하고 이를 기억한다. 새로움에 대한 인식은 인간의 생존에 필수적이며, 새로움을 추구하는 뇌기능은 인간의 본성과도 연관이 있다. 하지만 이와 관련된 구체적 기전에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 시냅스 뇌질환 연구단 김은준 단장 연구팀은 ‘새로움’을 인식하는데 관여하는 시냅스 기전 및 신경회로를 발견했다. 이번 연구는 신경전달의 기본 단위인 시냅스 형성과정의 이해는 물론 인간의 뇌에서 ‘새로움’ 인식에 관여하는 신경회로를 이해하는 데 기여할 것으로 기대된다.
뇌는 수많은 신경세포(neuron)로 이루어져 있으며, 이 신경세포는 ‘시냅스(synapse)’라는 작은 구조물(약 0.5 마이크론의 크기)을 통해서 서로 소통한다. 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 일어난다.
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 없었다.
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 수용체1)가 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 있다.
IBS 시냅스 뇌질환 연구팀은 전-시냅스에 위치한 ‘PTPσ’라는 시냅스 접착 단백질이 기억을 매개하는 것으로 알려진 NMDA 수용체가 위치하고 안정화될 수 있도록 도와 기능을 조절한다는 사실을 밝혀냈다.
시냅스는 그 활성 정도에 따라 구조와 기능이 지속적으로 변화가능하며, 이를 시냅스가소성이라 부른다. 시냅스가소성은 뇌의 여러 기능에 관여할 것으로 예상되며, 특히 기억의 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 시냅스 접착 단백질 PTPσ가 탈인산화 효소 기능을 통해 후-시냅스의 NMDA 수용체 양을 증가시켜 해마 영역에서 NMDA 수용체에 의존적인 시냅스가소성을 조절하게 되는 것이다. 또한 시냅스 접착 단백질 PTPσ가 시냅스 형성에 관여한다는 기존의 체외(in vitro)실험 결과와 달리 시냅스 형성과는 무관하지만 성숙과 관련되어 있다는 결과를 동물의 체내(in vivo)실험을 통해 얻었다.
연구팀은 생쥐 실험을 통해 PTPσ가 결손된 생쥐는 시냅스 형성 자체에는 별다른 문제점이 없었음에도 새로움을 인식하지 못한다는 사실을 증명했다.
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 보였다. 대표적인 예로 3개의 방으로 구성된 생쥐의 상호작용 실험에서 PTP 단백질이 결손된 생쥐는 물체와 생쥐가 놓여있을 때 생쥐와 사회적 상호작용을 잘하였지만, 생쥐가 다른 생쥐로 바뀌었을 때 새로운 생쥐를 인식하지 못했다.
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 회복되었다.
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 말했다.
이 연구결과는 이라이프(eLife; IF = 7.551)에 2020년 3월 6일자로 게재되었다.
1) 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 일어난다. NMDA 수용체는 후-시냅스 막에 존재하는 이온성 글루탐산 수용체의 일종으로, 글루탐산과 결합 시에 나트륨, 칼슘은 신경세포 안으로 들어오고, 칼륨은 신경세포 밖으로 나가는 이온통로로 기능한다.
연구 추가 설명
논문명
Presynaptic PTPs regulates postsynaptic NMDA receptor function through direction adhesion-independent mechanisms
(eLife, 2020 Mar 6, doi: 10.7554/eLife.54224.)
저자정보
Kim K*, Shin W*, Kang M, Lee S, Kim D, Kang R, Jung Y, Cho Y, Yang E, Kim H, Bae YC, and Kim E.
연구내용
보충설명
▷ PTPσ 단백질의 정보를 담고 있는 PTPRs 유전자 결손 생쥐의 해마에서, NMDA 수용체의 기능 및 시냅스가소성(synaptic plasticity)이 감소함을 전기생리학 실험을 통해 밝혔다.
▷ PTPRs 유전자 결손 생쥐에서 새로운 사물이나 다른 생쥐 또는 새로운 상황이나 규칙을 인지하는 뇌기능이 저하됨을 밝혔다. 구체적으로 1) 새로운 물체 인지, 2) 새로운 생쥐 인지 및 3) 새로운 공간/규칙 인지 등 일련의 행동 실험이 수행되었다.
▷ PTPRs 유전자 결손 생쥐에 바이러스를 이용하여 PTPRs 유전자를 다시 보충해주면 해마의 NMDA 수용체 기능이 회복되었고 새로움 인지 뇌기능이 개선되었다.
▷ 본 연구를 통해 시냅스 접착 단백질이 단순히 전-시냅스와 후-시냅스를 연결하는 ‘접착제’가 아니라 ‘새로움’의 뇌인지 기능을 도와주고 관련 신경회로를 활성화시키는 물질로 인식이 전환되었다.
▷ NMDA 수용체는 기억 형성이나 제거에 중요한 것으로 오랫동안 알려져 있었다. 더불어, NMDA 수용체의 기능 이상이 자폐증이나 조현병 등을 유발한다는 가설도 있다. 그러나 새로이 생성된 초기 시냅스에서 NMDA 수용체를 조절하는 시냅스 분자 기전은 거의 알려진 바가 없었다.
연구이야기
[연구 배경]
시냅스 형성에 중요하다고 알려진 단백질 PTPσ가 실제로 생체 내에서 그러한 기능이 있는지, 있다면 구체적으로 어떤 메커니즘이 관여하는지, 그리고 뇌신경 회로, 뇌기능 및 행동에는 어떤 영향이 있는지를 조사하고자 연구를 시작하였다.
[연구 과정]
생쥐에서 PTPσ 결손을 유도한 후, 다양한 방법으로 시냅스 형성, 신경전달, 시냅스가소성, 신경회로 및 동물행동 등을 관찰하였다.
[연구 결과]
PTPσ가 결손된 생쥐에서 예상과는 다르게 시냅스의 형성에는 별다른 문제가 없었다. 흥미롭게도 학습과 기억을 조절하는데 관여하는 해마의 NMDA 수용체 기능과 시냅스가소성이 큰 폭으로 감소되었으며, 새로움을 인식하는 뇌인지 기능 및 행동이 감소되었다. 예를 들어 PTPσ가 결손된 생쥐는 새로운 사물, 새로운 생쥐 및 새로운 환경/규칙을 인지하지 못했다. 단, PTPσ 단백질이 해마에서 다시 발현되거나, NMDA 수용체의 기능이 약물학적 방법으로 정상화되면 ‘새로움’ 인지 뇌기능 및 행동이 회복되었다.
[향후 연구계획]
PTPσ가 NMDA 수용체를 조절하는 분자적 기전이 대단히 새롭기는 하지만, 구체적인 시냅스 분자적 기전은 더 연구되어야 한다. 특히 전-시냅스에 위치한 PTPσ가 어떻게 후-시냅스에 위치한 NMDA 수용체를 조절하는지에 대한 연구가 진행될 필요가 있다. 선행연구 결과는 PTPσ가 전-시냅스의 다른 단백질들을 탈인산화시키는 것이 중요함을 암시하고 있고, 추가적인 연구가 필요한 부분이다.
그림 설명
PTP 단백질은 시냅스의 전-시냅스에 존재하는 막 단백질이다(중간 및 오른쪽). 이 단백질은 보라색으로 표시된 것과 같이 수많은 단백질과 서로 상호작용하면서 시냅스 형성에 관여한다는 것이 체외(in vitro)연구로 알려져 있었다. 이 연구에서 동물의 체내(in vivo)실험을 통해 기존에 알려져 있던 PTP의 역할과 달리 시냅스 형성과는 무관하고 성숙과 관련되어 있으며, PTP가 후-시냅스의 NMDA 수용체 기능(좌측)을 조절한다는 사실을 밝혔다. 세부적인 분자적 기전에 대해서는 후속연구를 통해 밝혀낼 계획이다.
3개의 방으로 구성된 생쥐의 사회적 상호작용 실험(3-chamber social-interaction test)에서 PTP 단백질 결손 생쥐는 물체(O)와 생쥐(S1)가 놓여있을 때 생쥐와 사회적 상호작용을 잘 하였으나, 생쥐가 다른 생쥐(S2)로 바뀌었을 때 새로운 생쥐를 인식하지 못했다. 이러한 ‘새로움 인식’기능의 저하는, NMDA 수용체 기능을 정상화시켜주었을 때 회복되었다.
위쪽 이미지는 사회적 상호작용 중 생쥐 동작의 예와 생쥐의 동작에 따른 열 지도가 나타내는 사회적 새로움 인식 행동을 나타낸다. 빨간색으로 표시된 위치는 생쥐가 오래 머무는 장소를 나타낸다.
오른쪽 이미지는 PTP 결손 생쥐와 일반 생쥐를 4일 동안 똑같은 생쥐에 노출시킨 이후 5일 째 새로운 생쥐로 바꾸어 노출시켰을 때 PTP 결손 생쥐와 일반 생쥐가 사회성 상호작용을 하는 시간 및 해당 생쥐가 있는 방에 머무르는 시간을 나타낸 것이다. PTP 결손 생쥐는 일반 생쥐와 마찬가지로 첫 4일 동안 상호작용하는 시간이 감소함을 보였으며 이를 통하여 PTP 결손 생쥐의 기억 능력에는 문제가 없음을 알 수 있다. 그러나 새로운 생쥐에 노출되었을 때 PTP 결손 생쥐는 상호작용 시간이 증가하지 않음을 보였으며, 이는 이 생쥐가 새로운 생쥐임을 PTP 단백질 결손 생쥐가 인지하지 못했음을 뜻한다.
오른쪽 그래프에서 점들은 개별 생쥐의 분포를 나타내는데 검은 색은 일반 생쥐(20 마리), 빨간색은 PTP 단백질 결손 생쥐(18 마리)의 양적 분석을 보여준다.
NMDA 수용체는 기억을 매개하는 것으로 알려진 수용체다. 이 수용체가 시냅스 내에서 위치할 수 있도록 안정화시키는 분자적 기전은 아직까지 제대로 알려진 바가 없다. 이번 연구를 통해, PTP 단백질이 전-시냅스에 있는 다른 단백질의 탈인산화를 통해 NMDA 수용체를 안정화시켜 기능을 조절함을 밝혀냈다.
연구진 이력사항
[김은준 IBS 시냅스 뇌질환 연구단장, 교신저자]
1. 인적사항
소 속 : IBS 시냅스 뇌질환 연구단,
한국과학기술원(KAIST) 생명과학과
전 화 : 042-861-2630
이메일 : kime@kaist.ac.kr
2. 학력
Ph.D. 1994, Michigan State University 약물학 박사
M.S. 1988, KAIST 생물학 석사
B.S. 1986, 부산대학교 약학 학사
3. 경력사항
1988 - 1991 생명공학연구소 연구원
1995 - 1996 Harvard Univ 박사후연구원
1997 - 2000 부산대학교 약학과 전임강사/조교수
2000 - 현재 KAIST 생명과학과 조교수/부교수/교수
2012 - 현재 IBS 시냅스 뇌질환 연구단 연구단장
2010 - 현재 한국과학기술한림원 정회원
[김경덕 IBS 시냅스 뇌질환 연구단 학생연구원, 공동 제1저자]
1. 인적사항
소 속 : IBS 시냅스 뇌질환 연구단,
한국과학기술원(KAIST) 생명과학과
전 화 : 042-350-2673
e-mail : genite7@kaist.ac.kr
2. 학력
B. S. 2015, 한국과학기술원, 생명과학
3. 경력사항
2015 – 현재 한국과학기술원 생명과학과, 석박사통합과정
[신왕용 IBS 시냅스 뇌질환 연구단 연구위원, 공동 제1저자]
1. 인적사항
소 속 : IBS 시냅스 뇌질환 연구단
전 화 : 042-350-2673
e-mail : sway612@kaist.ac.kr
2. 학력
Ph.D. 2019, 한국과학기술원, 생명과학
B. S. 2014, 한국과학기술원, 생명과학
3. 경력사항
2014 – 2019 IBS 시냅스 뇌질환 연구단, 석박사통합과정
2019 – 현재 IBS 시냅스 뇌질환 연구단, 연구위원
