[사이언스] 뇌 속 신경전달물질 주머니, 어떻게 스스로 뭉쳐있나?

뇌 속 신경전달물질 주머니간 응집 메커니즘 규명

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2021/01/11 [19:30]

[사이언스] 뇌 속 신경전달물질 주머니, 어떻게 스스로 뭉쳐있나?

뇌 속 신경전달물질 주머니간 응집 메커니즘 규명

특허뉴스 이성용 기자 | 입력 : 2021/01/11 [19:30]

▲ 시냅토파이신과 시냅신에 의한 액체-액체 상분리 현상 및 비신경세포에서의 시냅스소낭 응집 모사 구조 형성 / (A) 비신경세포에 시냅토파이신과 시냅신을 발현시킨 후 광학현미경으로 관찰한 사진 (파랑: 세포핵, 초록: 시냅토파이신, 빨강: 시냅신). 세포내에서 동그랗게 뭉친 액체-액체 상분리현상을 볼 수 있다. / (B) 단일 액체-액체 상분리현상을 투과전자현미경으로 본 모습. 하단의 실제 신경세포에서 관찰되는 것과 유사한 소낭들의 응집구조를 비신경세포에서 재현하였다. 출처 : 미국 예일대학교 박대훈 박사후연구원  © 특허뉴스

 

세포내 구획화(compartmentalization)는 세포 내에 존재하는 여러 소기관 및 단백질들이 정해진 위치에서 특정 역할을 수행하는데 필수적이다. 얼마 전까지만 하더라도 이러한 세포 내 구획화는 물리적인 장벽인 막(membrane)에 의해서만 이루어지는 것으로 알려져 왔으나, 최근 들어 액체-액체 상분리 현상(liquid-liquid phase separation)에 의해 세포내 단백질들이 특정한 막 구조 없이도 스스로 뭉쳐 기능을 수행할 수 있을 것이라는 증거들이 제시되었다.

 

신경세포내 시냅스 전말단에는 신경전달물질(Neurotransmitter)을 담고 있는 많은 수의 시냅스소낭(Synaptic vesicle)이 존재하고 있다. 이들 역시 특수한 물리적 장벽 없이 주변의 다른 세포내 소기관들과 섞이지 않고 스스로 뭉쳐있으며 액체와 같은 유동성을 지닌다는 것이 알려져 왔다. 하지만 어떠한 원리에 의해 이와 같은 현상이 일어나는지에 관해서는 알려진 바가 거의 없었다.

 

이러한 시기, 한국연구재단은 서울대학교 장성호 교수 연구팀이 미국 예일대학교 연구팀과의 공동연구로 뇌 속 신경전달물질 주머니 간 응집원리를 규명했다고 11일 밝혔다.

 

뇌 속 신경세포는 시냅스소낭이라는 작은 주머니에 신경전달물질을 보관하고 있다. 신경세포가 자극을 받으면 이 주머니들이 세포막에 융합해 안에 있는 신경전달물질을 분비함으로써 다음 신경세포로신경전달이 일어나게 된다.

자극이 없는 평상시 시냅스소낭들은 서로 무리를 지어 뭉쳐 있는데 어떤 원리인지는 잘 알려지지 않았다.

 

연구팀은 시냅스소낭들이 서로 단단히 뭉쳐있음에도 불구하고 유동적으로 움직일 수 있는 것을 토대로 고체상태가 아닌 액체-액체 상분리 현상(liquid-liquid phase separation)에 의한 응집현상일 것이라 가정하고 연구를 진행하였다.

 

액체-액체 상분리 현상은 물과 기름을 섞을 경우 각자 액체로서의 유동성은 지니지만 그 둘은 섞이지 않고 각각 뭉쳐있는 현상을 말한다.

 

▲ 세포내 액체-액체 상분리현상 증명 실험 / 시냅토파이신과 시냅신에 의한 응집현상이 고체상태가 아닌 액체 상태이며 높은 유동성을 가짐을 확인하였다. / (A) 시냅토파이신과 시냅신을 발현한 비신경세포에서 나타나는 융합 현상 (B) 광표백후 나타나는 빠른 형광회복 (C) 형광회복의 정량 그래프 (D) 액체-액체 상분리 현상을 특이적으로 저해하는 물질인 1,6-HD (1,6-Hexanediol) 처리에 의한 상분리 저해 현상. 출처 : 미국 예일대학교 박대훈 박사후연구원   © 특허뉴스

 

최근 이같은 상분리 현상이 살아있는 세포에서도 일어날 것이라는 여러 증거들이 제시되어 왔다. 이에 연구팀은 일련의 연구를 통해 시냅스소낭에 풍부하게 존재하는 두 단백질인 시냅토파이신(Synaptophysin)과 시냅신(Synapsin)간 상호작용이 시냅스소낭의 액체-액체 상분리 현상을 일으키는데 결정적인 역할을 하는 것을 규명하였다.

 

또한 이러한 원리를 이용해 기존에 신경세포에서만 특이적으로 관찰되던 시냅스소낭 응집 구조를 비신경세포에서 그대로 모사할 수 있는 기술을 개발하였다.

 

시냅스소낭 간 자가 응집현상을 일으키는 두 가지 중요 단백질을 규명하였으며, 이 두 단백질을 활용한 비신경세포에서의 시냅스소낭 응집구조 재현 기술은 앞으로의 기초신경과학 연구와 관련 신경계 질환 연구에 많은 도움이 될 것으로 기대된다.

 

이번 연구의 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’111일 게재되었다.

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