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핵심내용

-유럽과학지 발표, 융합과학으로 뇌신경세포의 신호 전달 원리 규명  -

 □ 국내 연구진이 융합과학을 이용해 뇌신경세포에서 신호를 전달하는 과정을 단계별로 정확히 측정하여 치매 등 질환에 뇌신경세포가 손상되는 원인을 규명할 새로운 가능성을 열었다.

 ○ 이남기 교수(포스텍, 36세)와 신연균 교수(미국 아이오와주립대, KIST, 51세)가 공동 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 분자생물학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘유럽과학지(EMPO Journal)'에 온라인 속보(3월 10일)로 게재되었다.

(논문명: Solution single-vesicle assay reveals PIP2-mediated sequential actions of synaptotagmin-1 on SNAREs)

□ 이남기, 신연균 교수 연구팀은 단일분자관측 방법으로 기존에 알려지지 않은 신경세포의 신경물질전달 과정을 단계별로 명확히 규명하는데 성공하였다.  

○ 뇌신경세포는 기억, 인지, 운동조절 등의 기능을 수행한다. 뇌신경세포가 이러한 기능을 수행하기 위해서는 다른 신경세포와의 교감이 필요한데, 이 때 사용하는 방법이 ‘신경전달물질’이라는 화학물질을 분비하는 것이다.

○ 이러한 화학물질 분비는 세포막 융합*이라는 독특한 방법으로 이루어지는데, 이 현상이 어떠한 과정으로 조절되는지 지금까지 명확히 밝혀지지 않았다.

   ※ 세포막 융합 : 두 개의 세포막이 합쳐지는 과정으로, 이를 통해 세포막 안에 있던 화학물질이 세포막 밖으로 방출됨

□ 연구팀은 화학물질분비 과정에서 생체막 단백질(시냅토태그민)이 세포막의 특정 지질(PIP2) 및 세포막 융합 단백질(SNARE)과 단계적으로 결합하면서 세포막 융합을 조절한다는 사실을 밝혀냈다.

○ 특히 이번 연구는 물리학에서 활용하는 단일분자 방법과 신경분자생물학에서 사용하는 세포막 융합 방법을 이용해 도출한 연구성과로 그 의미가 크다. 

□ 신연균, 이남기 교수는 “이번 연구는 뇌세포의 신경전달과정을 명확히 규명한 성과로서, 향후 이 방법을 통해 뇌신경세포가 손상되는 치매 등 뇌질환의 정확한 발병원인을 규명할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

사람의 뇌와 같은 신경기관은 뉴런이라 불리는 수많은 단위체들의 연결로 이루어져 있다. 이러한 단위체 간의 정보교환에는 아세틸콜린, 세로토닌, 도파민과 같은 신경전달물질들이 관여하고 있으며, 이러한 신경전달물질은 세포막 융합이라는 독특한 방법을 이용하여 세포 밖으로 방출하게 된다. 학계에서는 이러한 세포막 융합은 수많은 막 단백질간의 상호작용으로 이루질 것으로 제시하는 연구 결과가 보고되고 있다. 하지만 구체적으로 어떠한 방법으로 세포막 융합이 일어나는지 밝혀내지 못하였다. 특히 신경전달물질을 함유하는 신경소낭의 생체막에 존재하는 시냅토태그민 단백질은 신경전달에서 매우 중요한 신호물질로 알려진 칼슘이온과 강하게 결합하는 특성을 가지고 있어서, 시냅토태그민의 정확한 역할에 대해 많은 과학자들의 활발한 연구대상이었으나, 그 기능이 명확히 밝혀지지 않은 실정에 있었다.
 
최근 분자 하나의 움직임을 정밀하게 관찰할 수 있는 단일분자 수준의 측정방법이 확립 되면서, 생물학과 물리학 간의 융합과학의 급격한 발전이 이뤄지고 있다. 이러한 발전은 세포 밖 시험관 내에서 인공적인 신경세포 환경을 최대한 뇌세포와 동일하게 만들어 줌으로써 좀 더 정밀한 신경전달을 연구할 수 있게 하였다.

포스텍 이남기 교수와 아이오와주립대 및 KIST 신연균 교수 연구팀은 수용액상에서 확산하고 있는 소낭간의 융합을 단일분자 측정법에 적용 하는데 처음으로 성공하였다. 이는 실제 뉴런세포 내에서 수용액 상태로 확산하는 환경을 조성하여 줌으로써, 좀 더 실제 세포에 가까운 조건에서의 실험을 가능하게 하였으며, 여러 반응들을 분류하고 정량분석 할 수 있게 한데, 큰 의의가 있다.
 
이 연구 방법을 통해 본 연구팀은 시냅토태그민이 세포막 융합 전에도 세포막 융합 단백질과 결합한다는 사실을 밝혀냈다. 그 이후 세포막 융합 단백질간의 결합이 이루어지고 칼슘의 유입에 의해 세포막 융합이 빠르게 촉진됨을 연속적으로 관찰하였다. 또 특정지질과 세포막 융합 단백질간의 적절한 비율이 시냅토태그민의 기능에 매우 중요하게 작용함을 처음으로 밝혀냈고, 나아가 정량적인 반응속도 분석을 통해 시냅토태그민이 세포막 간의 세포막 결합속도를 약 1000배 이상 빠르게 향상시킴을 밝혀내는 개가를 이루었다.

그림 1. 단일분자측정방법을 이용한 세포막 융합 과정을 관측하는 것이 가능하다. (a) 단분자 측정 현미경의 간략도. (b~e) 단분자 현미경을 통한 여러 세포막융합단계의 측정.

그림 2. 뇌신경 세포에서 중요한 역할을 하는 시냅토태그민 (노란색)이 세포막 융합 단백질과 특정 지질간의 연속적인 상호작용을 통해서 세포막 융합에 관여하는 과정을 모식도로 보여준다.

용   어   설   명

1. 엠보 저널(EMBO journal)지
○ 유럽분자생물학기구에서 발행하는 학술지로서, 분자생물학 분야에서 세계적으로 영향력 있는 학술지(피인용지수 10.124) 중 하나이다.

2. 시냅토태그민(Synaptotagmin-1)
○ 인체 신경세포 내에서 신경물질을 포함하는 신경소낭에 존재하는 막 단백질로서, 칼슘이온과 결합하고 막 융합 단백질과 상호작용하여 빠른 신경전달을 유도하는 것으로 그 기능이 알려져 있다.

3. 단일분자 관측방법(single molecule technique)
○ 실험 시료를 매우 작은 분자 하나의 움직임 수준까지 관측할 수 있는 방법으로, 단일 분자에 형광표지를 하고 형광의 움직임 및 변화를 관찰한다. 최근 학제간 융합과학, 특히 생물과 물리학의 융합 과학 분야에서 급속도로 발전하는 최첨단 방법이다.

(사진설명) 이번 연구에 참여한 포스텍 연구팀

(왼쪽부터) 이남기 포스텍 교수, 김재열 박사과정, 최봉규 박사과정