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핵심내용

- 기능커네토믹스센터 김진현 박사팀, 포유류 신경망 맵핑 기술 개발 -

신경망을 지도화 하는 기술은 뇌 과학자들이 오랜 기간 동안 풀지 못한 숙제였다. 국내 연구진이 인간과 같은 포유동물의 복잡한 뇌의 신경망을 지도화 하는 신기술을 개발해 마침내 그 숙제를 풀었다.
 
교육과학기술부(장관 이주호)와 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주)은 기능커넥토믹스WCI센터 김진현 박사팀이 미국 Janelia Farm Research Campus(Howard Hughes Medical Institute) 연구진과 공동연구를 통해 신경망 맵핑 기술을 개발했다고 밝혔다.

  * 세계수준의 연구센터(WCI: World Class Institute)
 
뇌 내의 신경세포들은 서로 신호를 주고받음으로서 감정, 학습, 기억, 행동, 판단 등의 중요한 기능을 수행한다. 이러한 신경세포들 간의 연결성은 뇌가 정상적으로 기능하는데 주요한 요소이기 때문에, 지난 한 세기동안 수많은 신경과학자들이 뇌 내 신경세포 간의 연결성을 규명하기 위해 많은 노력을 해왔다.

하지만 기존의 두 신경세포 간의 전기신호를 측정하는 방법으로 수천 개에서 수백억 개의 신경세포가 복잡하게 얽혀있는 뇌를 연구한다는 것은 한계가 있다. 그래서 한 번에 여러 개의 세포를 동시에 관찰할 수 있는 영상기술로 복잡한 신경망을 연구하고 있는데, 신경망 영상화는 광자(빛)를 사용하는 광학현미경과 전자를 사용하는 전자현미경을 통해 가능하다.

그런데, 광학현미경으로는 물리적 해상도의 제한으로 20nm 간격으로 연결된 신경 전달위치, 시냅스(synapse)를 정확히 관찰할 수 없다. 또한, 전자현미경으로도 시냅스 관찰은 가능하나 시간과 노력이 지나치게 소요된다는 단점이 있다. 실제로 2002년 노벨 생리의학상을 수상한 Sydney Brenner 박사는 300여개의 신경세포를 갖고 있는 선충(지렁이, C. elegans)의 신경망을 전자현미경으로 지도화 하는데 20년을 투자한 바 있다. 
 
김 박사팀은 20nm 간격의 시냅스를 광학현미경으로 비교적 쉽게 찾아낼 수 있는 mGRASP(mammalian GFP Reconstitution Across Synaptic Partners) 기술을 개발해 이러한 문제를 해결했다.

mGRASP 기술은 최근 생명공학계에서 널리 쓰이는 녹색형광물질(GFP)을 두 분자로 쪼개서 나눈 split-GFP를 이용한다. 일단 나누어진 split-GFP분자들은 형광성을 띄지 않는데, 두 분자가 공간적으로 가까워지면 다시 형광을 띄게 된다. 김 박사는 이 split-GFP 분자 두 개를 포유동물에서 각각 신호를 주는 신경세포(presynaptic)와 신호를 받는 신경세포(postsynaptic)에 표적하여 20nm의 시냅스에서만 다시 녹색형광을 띄게하는 분자 엔지니어링에 성공하였다.

본 기술의 개발로 기존 연구방법의 한계를 극복할 수 있게 되어 이전보다 훨씬 빠르고 정확하게 시냅스를 찾아낼 수 있게 되어 향후 종전의 기술로는 연구가 거의 불가능했던 복잡한 뇌의 신경 네트워크를 이해하고, 나아가 자폐증과 같이 신경망의 이상으로 인한 신경질환의 원인과 치료방법을 연구하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
 
본 연구내용은 편집위원회로부터‘앞으로 가장 많이 인용될 논문들 중 하나’라는 호평을 받으며, 지난 12월 4일 Nature Methods 온라인 판에 게재되었다.

상세내용

[붙임 1]  WCI 사업 개요

 
○ 교과부가 2009년부터 추진하고 있는 WCI 사업은 정부출연(연)의 글로벌 경쟁력 제고를 위해 세계 수준의 해외 우수 연구자를 초빙하여 국내 연구진과 공동연구를 수행하는 개방형 연구체제를 구축함으로써, 출연(연) 고유 강점 분야에서 세계 수준의 핵심 기초‧원천기술을 개발하는 사업(총 5년 지원:2년+3년)이다.

○ 출연(연)에 해외 우수 연구인력을 초빙하여 세계 수준의 핵심 연구센터(WCI : World Class Institute)를 구축하여 해외석학 센터장을 중심으로 운영하며, 외국인과 내국인 과학자로 글로벌 연구팀을 구성하여 센터에서 연구개발을 수행할 수 있도록 공동연구비를 지원하는 사업

     ※ 외국인 최대 50%, 유치 기관 30%, 타 출연(연)ㆍ대학 20% 

○ 사업기간 : 5년(2년+3년)
○ ‘09년에는 3개 센터(KIST, 생명연, 핵융합연) 및 ’11년 1개 센터(원자력연)선정
○ 지원분야 : 기초과학, 원천기술, 녹색기술, 고수익-고위험 연구 등 출연(연)이 현 사업구조에서 쉽게 접근할 수 없는 분야

[사업추진 체계도]

[붙임 2]  mGRASP 기술소개

(mammalian GFP Reconstitution Across Synaptic Partners)

오랜 기간 뇌의 신경망 활동과 행동의 연결고리를 찾고자 하는 신경과학자들의 열망은 최첨단 기술의 개발을 가져왔고, 이를 통해 신경 회로안 시냅스 연결부위를 지도화하는 연구가 계속되어 왔다.

 역사적으로 시냅스 형성에 물리적 접촉이 요구된다는 사실에 바탕을 두고, 시냅스 연결성의 존재 여부를 파악하는데 시냅스 전 뉴런의 축삭돌기 축과 시냅스 후 뉴런의 수상돌기 축 사이 겹치는 정도가 이용되었다. 하지만, 이 측정의 척도는 연결가능성을 측정하는 데에만 그쳤다. 왜냐하면 시냅스 후 수상돌기 내에서 축색돌기의 반에 못 미치는 수가 기능적 시냅스 연결도를 형성한다는 결과를 보여주었기 때문이다.

실제적인 시냅스 구조 간 연결 가능성과 통계학적 특성은 고해상도 전자현미경 데이터를 통한 신경회로 복원을 통해 밝혀질 수 있다.

하지만, 최근 최첨단 전자현미경 사용에 있어서의 발달에도 불구하고, 이러한 접근 방식은 신경세포 조직의 중대한 부분을 재 복원하는데 많은 시간이 소모하며, 측정하는 양에도 제한적이다.

이번에 개발된 mGRASP(mammalian GFP Reconstitution Across Synaptic Partners) 기술은 최근 생명공학계에서 널리 쓰이는 녹색형광물질(GFP)을 두 분자로 쪼개서 나눈 split-GFP를 이용한다. 일단 나누어진 split-GFP분자들은 형광성을 띄지 않는데, 두 분자가 공간적으로 가까워지면 다시 형광을 띄게 된다. 김 박사는 이 split-GFP 분자 두 개를 포유동물에서 각각 신호를 주는 신경세포(presynaptic)와 신호를 받는 신경세포(postsynaptic)에 표적하여 20nm의 시냅스에서만 다시 녹색형광을 띄게하는 분자 엔지니어링에 성공하였다.

 본 기술의 개발로 기존 연구방법의 한계를 극복할 수 있게 되어 이전보다 훨씬 빠르고 정확하게 시냅스를 찾아낼 수 있게 되어 향후 종전의 기술로는 연구가 거의 불가능했던 복잡한 뇌의 신경 네트워크를 이해하고, 나아가 파킨슨씨병, 자폐증과 같이 신경망의 이상으로 인한 신경질환의 원인과 치료방법을 연구하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

[붙임 3]  연구 내용 참고자료

(그림1) mGRASP로 시넵스를 광학현미경을 이용하여 발견

mGRASP를 모델동물에 적용. 무형광의 잘려진 GFP 두분자가 시넵스에서 다시 형광형성을 하게됨. 왼쪽은 mGRASP를 이용하여 기억과 학습에 중요한 해마(hippocampus)의 한 신경세포의 시넵스 분포를 디지탈화하여 보여줌.
 
(그림2) 기억과 학습에 중요한 해마(hippocampus)의 신경세포들의 하나하나 3-D위치에 따라 시넵스 분포 관찰을 가능케함.

왼쪽은 신호를 주는 세포의 신경말단투사를 생쥐 뇌의 앞부분부터 뒤부분으로 보여주고 그중의 한 뇌 절편에서 예로 7 신경세포의 시넵스분포를 mGRASP를 이용하여 보여주고 있다.