별아교세포, 정상 해마 흥분성 시냅스 제거…기존 학설 뒤짚어
"뇌 질환 치료 새로운 전략 될 수 있어"
[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = 국내 연구진이 성인의 뇌가 기억력을 유지하는 메커니즘을 밝혔다.
KAIST는 생명과학과 정원석 교수와 이준혁 박사과정 연구팀이 한국뇌연구원 박형주 박사와 김지영 연구원 연구팀과 지금까지 알려지지 않았던 새로운 뇌 항상성 유지 기전을 처음 규명했다고 5일 밝혔다.
성인 해마에서는 학습 및 기억 형성 중 기존의 시냅스는 사라지고 새로운 시냅스가 생기는 시냅스 재구성이 일어난다.
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| 연구성과가 실린 국제학술지 '네이쳐(Nature)' 커버 이미지 [사진=카이스트] 2021.01.04 memory4444444@newspim.com |
그러나 어떻게 시냅스가 사라지고 이러한 시냅스 제거가 학습과 기억과정에서 어떤 역할을 하는지 여전히 알려지지 않았다.
연구팀은 중추 신경계에서 다양한 역할을 수행하는 신경교세포 중 가장 숫자가 많은 '별아교세포'가 뇌 발달 시기에 시냅스를 먹어서 없앤다는 정원석 교수의 선행 연구 결과(Nature, 2013년)에 착안해 연구를 수행했다.
그 결과 성체 뇌에서도 별아교세포가 불필요한 시냅스를 끊임없이 제거하고 있음을 발견했으며 이러한 현상이 학습 및 기억에 중요한 해마 내 흥분성 시냅스의 회로유지를 가능하게 한다는 사실을 증명했다.
지금까지 신경교세포의 시냅스 제거 현상을 전자 현미경 또는 시냅스 염색법을 사용해 확인했었다. 그러나 이러한 방법은 신경교세포에 의해 먹힌 시냅스가 세포 내 산성 소화기관에서 급속히 분해되기 때문에 잔여 시냅스를 표시하고 관찰하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 시냅스에 산성화 감지가 가능한 형광단백질 조합(mCherry 물질과 eGFP 물질)을 발현시키는 바이러스 기반 시냅스 포식 리포터를 개발했다.
이를 이용해 기존의 방법으로는 관찰할 수 없었던 현상인 별아교세포가 성인 해마에서 시냅스를 지속적으로 제거하며 특히 흥분성 시냅스를 더 많이 제거하고 있음을 발견했다.
연구팀은 뇌의 면역세포라 불리는 미세아교세포보다 별아교세포가 주도적으로 정상 해마의 흥분성 시냅스를 제거하고 있음을 확인, 미세아교세포가 시냅스를 제거하는 주된 세포일 것이라는 기존의 학설을 뒤집었다.
미세아교세포를 인위적으로 제거했을 때는 시냅스의 수가 변하지 않았지만 해마의 별아교세포가 시냅스를 먹지 못하도록 유전자 조작을 했을 때는 비정상적인 시냅스가 과도하게 급증가하고 정상적인 해마 신경 회로의 기능과 기억 형성 능력이 떨어진다는 것을 처음으로 관찰한 것이다.
이밖에도 연구팀은 유전자 변형을 통해 별아교세포의 시냅스 제거 작용을 억제한 생쥐에서는 해마 내 시냅스 연결 가소성과 기억 형성에 문제가 생김을 발견했다. 이는 불필요한 시냅스들을 별아교세포가 제거하지 않는다면 뇌의 정상적인 학습과 기억 능력이 유지될 수 없다는 것을 의미한다.
연구팀은 이번 연구성과를 통해 별아교세포에 의한 성인 뇌의 흥분성 시냅스 재구성이 정상적 신경 회로망 유지 및 기억 형성에 필수적인 기전이라 제시했다. 이 메커니즘은 향후 뇌 기능 및 관련 신경 회로의 항상성 유지에 관한 다양한 연구들에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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| 왼쪽부터 KAIST 이준혁 박사과정과 정원석 교수, 한국뇌연구원 박형주 박사와 김지영 학생. [사진=KAIST] 2021.01.04 memory4444444@newspim.com |
연구팀 관계자는 "비정상적인 수준의 시냅스 수 변화는 자폐 스펙트럼 장애, 조현병, 치매 및 여러 형태의 발작과 같은 다양한 신경질환의 유병률과 연관성이 높다ˮ며 "시냅스 수를 다시 정상으로 회복하기 위해 별아교세포가 시냅스를 먹는 현상을 조절하는 것이 이들 뇌 질환을 치료하는 새로운 전략이 될 수 있다ˮ고 말했다.
KAIST 생명과학과 이준혁 박사과정과 뇌연구원 김지영 연구원이 공동 제1 저자로 참여하고, 정원석 교수와 박형주 박사가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구성과는 뇌인지과학 연구분야에 새로운 돌파구를 마련한 것으로 인정받아 최상위 국제학술지 '네이처(Nature)'에 지난달 23일 게재됐다.
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