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뇌 신경전달 과정 관찰 성공...IBS, 초분자 물질 활용해 신경전달물질 이동 분석
생명과학 기초과학연구원 (2015-08-12)

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문)과 이남기 POSTECH 물리학과/시스템생명공학부 교수팀은 그동안 관찰하기 어려웠던 뇌의 신경전달 과정을 초분자 물질을 이용해 관찰하는데 성공했다.

이는 그동안 신경전달 과정에서 중요한 역할로 추정된 신경전달 물질의 분출과정의 실제 동적인 변화를 분석한 첫 사례다. 미세하고 정교한 뇌의 신경 전달 물질 수송 시스템을 관찰하고 이를 규명하여 향후 뇌 신경 관련 질환 치료 연구에 기여할 것으로 기대된다.

뇌는 매우 정교하고 복잡하게 작동한다. 뇌활동은 신경세포간 다양한 상호작용으로 발생하며 이를 가능케 하는 것이 바로 신경전달이다. 신경전달은 하나의 신경세포에서 다른 신경세포로 특정신호가 신경전달물질에 의해 전달되는 것을 의미한다. 신경전달 물질 분비는 세포 내에서 시냅스 소낭과 신경세포 막 간의 막 융합에 의해 발생하는데 이를 ‘시냅스 소낭 막융합’이라고 일컫는다.

뇌의 신경전달은 신경세포 말단 시냅스에서 신경전달 물질을 저장하고 있는 소낭이 다른 신경세포 세포막에 융합되면서 일어난다. 소낭은 소포체라고도 불린다. 지금까지 신경전달 물질을 주고받는 과정이 특정 단백질들에 의해 조절된다고 추정할 뿐, 어떤 원리로 신경전달 물질 과정이 일어나는지, 조절되는지 밝혀지지 않았다. 때문에 소포체 막융합에 의한 신경전달물질의 기전을 연구하는데 기존 시스템은 여러 한계가 존재했다.

연구진은 이러한 상황을 타계하기 위해 강한 결합력을 가지는 초분자물질인 주인-손님 분자쌍을 이용해 관찰가능한 시스템을 개발했다. 연구진은 먼저 인공적으로 소포체를 만들었다. 그 다음, 초분자 주인-손님 분자쌍의 형광 신호를 이용하여 소포체의 막융합이 빠르게 열리고 닫히면서 신경전달물질의 분출과정이 조절되는 변화를 실시간으로 측정한 것이다. 이를 통해 연구진은 소포체의 막융합 과정을 단분자 수준에서 관찰할 수 있었다.

이번 연구성과는 뇌 신경전달 메커니즘을 규명하고 세포의 물질 수송 시스템을 이해하는데 큰 도움이 되리라 기대된다. 더 나아가 알츠하이머병 같은 퇴행성 뇌질환이나 신경질환에 관련된 치료법 개발에 주요한 역할을 하리라 예상된다.

김기문 IBS 연구단장은 “이번 연구는 초분자 물질을 이용하여 단분자 수준에서 소포체의 막융합에 의한 신속하고 정교하면서도 미세한 신경전달 물질의 분출과정을 관찰할 수 있는 시스템을 개발하였다는데 의의가 있다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF 12.11)4)에 7월 10일에 게재되었다.
    * (논문제목) 주인-손님 분자쌍을 이용한 단분자 수준에서의 소포체 막융합 관찰
       (High affinity host-guest FRET pair for single-vesicle content mixing assay: observation of flickering fusion events)
    * (제1저자) 공보경 POSTECH 화학과 박사과정
                최봉규 POSTECH 시스템 생명공학부 박사과정
    * (교신저자) 김기문 IBS 복잡계자기조립연구단 연구단장, 포항공대 화학과 교수
                이남기 POSTECH 물리학과/시스템생명공학부 교수


연 구 결 과 개 요

A High Affinity Host-Guest FRET Pair for Single-Vesicle Content-Mixing Assay: Observation of Flickering Fusion Events
Bokyoung Gong, Bong-Kyu Choi, Jae-Yeol Kim, Dinesh Shetty,
Young Ho Ko, Narayanan Selvapalam,Nam Ki Lee, and Kimoon Kim
( Journal of the American Chemical Society )

감정과 행동, 기억 등은 인간의 두뇌 활동을 기반으로 한다. 이는 뇌를 이루고 있는 신경세포간의 다양한 상호작용에 의해 발생한다. 그 중 신경전달은 가장 중요한 작용 중 하나로 언급된다. 신경전달은 용어 그대로 한 신경세포에서 다른 신경세포로 특정 신호가 신경전달물질에 의해 전달되는 것을 의미한다. 신경전달 물질 분비는 세포 내에서 시냅스 소낭과 신경세포 막 간의 막융합에 의해 일어난다. 이러한 과정을 일컬어 '시냅스 소낭 막융합'이라고 하는데, 신경전달이 정교하고 신속하게 일어날 수 있도록 조절한다는 점에서 매우 중요한 과정으로 강조된다. 이 과정에서 스네어 단백질과 조절 단백질들이 신경전달 물질을 분출하는데 중요한 역할을 한다고 알려져 있지만, 시냅스 소낭 막융합에 의한 신경전달 물질의 분출 과정이 어떤 원리로 일사불란하게 물질을 정확하게 전달하는지, 그 과정들이 어떻게 조절되는지 또 이 과정의 장애가 왜 생기는 지에 대한 연구는 아직도 밝혀야 할 부분이 많은 채로 남아있다. 기존의 연구 방법으로는 이런 정교하고 복잡한 신경전달 과정을 연구하기에 한계가 있었기 때문이다.

본 연구단에서 높은 결합상수를 가지는 주인-손님 분자 쌍을 이용하여 단분자 수준에서 소포체의 막융합에 의한 신속하고 정교하면서도 미세한 신경전달 물질의 분출과정을 관찰할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이는 소포체의 막 융합에 의한 물질의 분출과정을 실시간으로 동적 변화를 분석할 수 있게 해 줌으로써 신경전달물질의 수송 메커니즘을 이해하는 데 성공적으로 활용될 수 있음을 보여주었다. 그동안 우리의 신경전달 과정에 중요한 역할을 하리라고 추정은 되지만 실질적으로 너무 신속하고 정교하여 관찰하기 힘들었던 소포체의 막융합이 빠르게 열리고 닫히면서 신경전달물질의 분출과정이 조절되는 것을, 세계 최초로 초분자 물질을 이용하여 이 현상을 관찰하고 동적 변화를 분석한 첫 사례로서 의미를 가진다. 이는 뇌 신경전달 메커니즘을 규명하고 세포의 물질 수송 시스템을 이해하고, 퇴행성 뇌질환이나 신경질환에 관련된 치료법의 개발 가능성을 보여주는 폭 넓은 응용 가능성을 제시한다.


연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가

그동안 신경전달 과정에 중요한 역할을 하리라고 추정은 되지만 실제 너무 신속하고 정교하여 관찰하기 힘들었던 소포체의 막융합 현상을 세계최초로 관찰하는데 성공했다. 소포체 막융합이 빠르게 열리고 닫히면서 신경전달물질의 분출과정이 조절되는 것을 강한 결합력을 가지는 초분자 물질인 주인-손님 분자쌍을 이용하여 동적 변화를 분석한 첫 사례로서 의미를 가진다.

어디에 쓸 수 있나

알츠하이머병 같은 퇴행성 뇌질환이나 신경질환과 관련된 치료법 개발에 실마리가 될 것으로 기대되, 의약, 약학 등 폭넓은 응용가능성을 제시한다.

실용화까지 필요한 시간은

이번 연구는 당장 실용화할 수 있는 결과이기보다는 뇌의 신경전달 메커니즘 규명 및 생명과학에서 중요한 세포의 물질 수송 시스템을 이해하는 기초를 제공한다.

실용화를 위한 과제는

실용적인 의약, 약학 분야로의 응용을 위해서는 뇌의 신경전달에 기여하는 조절 단백질들을 좀 더 다양하게 소포체에 도입함으로써 더욱 복잡한 시스템을 연구하는 것이 필요하다.

연구를 시작한 계기는

기존의 연구 방법으로는 이런 정교하고 복잡한 신경전달 과정을 연구하기에 한계가 있었기 때문이다.

에피소드가 있다면

연구 단계 초반에 실험이 잘 되지 않고 연구에 대한 확신이 생기지 않아 인내심의 한계에 치달을 때쯤, 그래도 포기하지 않고 꾸준히 진행하여 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

꼭 이루고 싶은 목표는

우리 시스템을 이용하여 앞으로 퇴행성 뇌 질환 이나 신경질환에 관련된 치료법을 개발하는데 한 걸음 더 나아가고자 한다.

신진연구자를 위한 한마디

연구 결과가 실망스럽더라도 포기하지 말고, 계속 도전하면 틀림없이 잘 될 거라는 자신감을 갖고 살았으면 좋겠다.

초분자 주인-손님 분자쌍의 형광 시그널을 기반으로, 실시간으로 형광시그널이 변화하는 것을 측정하여 소포체의 막융합 과정을 관찰하는데 성공했다

[그림1] 초분자 주인-손님 분자쌍의 형광 시그널을 기반으로, 실시간으로 형광시그널이 변화하는 것을 측정하여 소포체의 막융합 과정을 관찰하는데 성공했다.

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