DGIST(총장 국양) 뇌·인지과학전공 고재원 교수, 한국뇌연구원(원장 서판길) 이계주 박사 공동연구팀이 뇌신경회로 내 특정 흥분성 시냅스(Excitatory synapse) 특성을 결정하는 핵심 인자를 규명했다. 

이번 연구 성과는 내후각피질(Entorhinal cortex), 해마(hippocampus), 치아이랑(Dentate gyrus)등과 연관된 공간기억 개선과 관련한 신규 치료 전략 개발을 위한 연구 가이드를 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 

한편, 이번 연구성과는 DGIST 뇌·인지과학전공 김진후 석박사통합과정생, 박동석 박사, 서나영 석박사통합과정생, 윤택한 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 국제학술지 ‘미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)’에 1월 11일자로 온라인 게재됐다. 
 

▲ (오른쪽부터 시계방향) DGIST 뇌·인지과학전공 고재원 교수, 김진후 석박사통합과정, 서나영 석박사통합과정, 윤택한 박사과정, 이계주 한국뇌연구원 박사 (사진출처=DGIST)

시냅스는 신경정보를 빠르고 정확하게 전달하는 특별한 창구로 작동하여 모든 뇌기능을 관장한다. 시냅스는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 구분되는데, 이들 시냅스는 뇌기능이 정상적으로 작동할 수 있도록 서로 협력하며 신경회로 네트워크의 균형을 유지한다. 

우리 뇌의 수많은 시냅스는 같은 분자 규칙에 의해 작동하지만 뇌영역, 신경회로(Neural circuit) 별로 시냅스 특성이 다양하다. 하지만 이를 결정하는 원리에 대해서는 아직까지 잘 확립되지 않았다.

고재원 교수팀은 지난 2009년 이후 약 10년 동안 흥분성 시냅스 접착단백질인 LRRTM을 발굴하고, 관련 기능을 연구해왔다. 또한, 연구팀은 2016년에 LRRTM3 단백질이 해마 치아이랑 과립신경세포의 흥분성 시냅스 발달을 매개하는 인자임을 규명했었다. 

이러한 기존 연구결과를 바탕으로 공동연구팀은 LRRTM3 단백질이 해마 영역 내 특정 신경회로를 구성하는 인자임을 확인했다. 
 

▲ 내후각피질-해마 치아이랑-해마 ca3 신경회로 연동 조절 분자 기전 (사진출처=DGIST)

LRRTM3 단백질을 삭제한 형질전환 생쥐를 활용하여 LRRTM3이 내후각피질-해마 치아이랑 과립신경세포를 잇는 신경회로 구조 및 기능을 조절하는지 여부를 분석했다. 그 결과, LRRTM3 단백질이 내측 관통로(medial perforant path)에서만 특이적으로 작동함을 증명했다.  

특히, 이 과정에서 한국뇌연구원이 보유하고 있는 3차원 연속블록면전자현미경을 활용하여 신경회로별 미세 구조 변화를 발견할 수 있었다. 

또한, 연구팀은 화학유전학(chemogenetics) 기법을 통해 내후각피질-해마 치아이랑 신경회로 활성과 해마 치아이랑-해마 CA3 신경회로 활성이 서로 연동(synchronization)되어 치아이랑 과립세포 흥분성(excitability) 및 장기 뇌가소성(long-term synaptic plasticity)이 조절되고, 이 과정에 LRRTM3이 핵심 인자로 작동하는 신규 작동 원리를 제시했다.

DGIST 뇌·인지과학전공 고재원 교수는 “LRRTM3 단백질이 특정 신경회로를 규정하는 최초의 증거를 제시했다”라며, “향후 LRRTM3 단백질 뿐 아니라 다른 LRRTM 단백질 군으로 연구를 확장하여 본 연구에서 규명한 연구성과의 보편성을 확인할 계획이다”라고 소감을 밝혔다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘뇌과학원천기술개발사업’, 보건복지부의 ‘질환극복기술개발사업’, 그리고 대구경북과학기술원의 ‘미래선도형특성화연구’의 지원을 받아 수행됐다. 

글. 김효정 기자 needhj@naver.com | 사진 및 자료출처=DGIST(대구경북과학기술원)