바이오인

핵심내용

-PNAS 게재, 예비 시냅스 소낭의 신경전달물질 분비를 위한 활성화 과정 규명

□ 신경세포가 다음 신경세포로 신호를 전달하려면, 시냅스*소낭**에서 신경전달 물질을 분비해야 하는데, 국내 연구진이 노벨상 수상자와 공동으로 이 과정에 대한 새로운 모델을 수립하여 제시했다. 
 

 o 동 연구성과는 신경전달물질 분비신호 세기의 변화인 단기시냅스 가소성***을 이해하는 중요한 계기를 마련한 것으로, 향후 뇌신경회로 분석 및 뇌에서의 정보처리 방식에 대한 이해를 도움으로써, 뉴로컴퓨팅 분야 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

     * 시냅스(synapse) : 두 신경세포간 신호전달이 일어나는 연결부위. 시냅스전세포에 전기적 흥분이 도달하면 신경전달물질을 분비하는데 이 물질이 시냅스후세포의 이온통로를 열어 시냅스후세포에도 전기적 신호를 발생시킨다.
    ** 시냅스소낭(synaptic vesicle) : 신경전달물질을 담고 있는 0.04 마이크로미터 크기의 작은 주머니로 시냅스전말단에 존재하며, 전기적 흥분이 도달하면 이온통로로 이동하여 가지고 있는 물질을 세포막 밖으로 분비한다.
    *** 단기시냅스 가소성 : 시냅스연결 강도의 변화를 뜻하는 것으로 전기적 흥분이 계속해서 도달할 때, 신경전달물질 분비 신호 크기가 점점 약화되거나 강화되는 현상

  o 서울대학교 의과대학 이석호, 호원경 교수 연구팀이 독일막스플랑크연구소 네어(Neher) 교수(’91년 노벨생리의학상 수상)와 공동으로 수행한 동 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터지원사업 등의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 미국립과학원회보(PNAS) 8월 27일자 온라인판에 게재되었다.

        (논문명 : Superpriming of synaptic vesicles after their recruitment to the readily releasable pool)

□ 신경세포가 흥분하면 세포막의 이온통로가 열리면서 칼슘이온이 세포 안으로 유입되는데, 이 칼슘이온이 다음 신경세포를 자극하기 위한 시냅스소낭 안의 신경전달물질 분비의 스위치가 된다. 

  o 신경세포 내 시냅스소낭 중에는 다음 신경세포로 신호가 즉각 전달되도록 이온통로 근처에서 칼슘이온에 빠르게 반응하는 ‘준비된 즉각 분비 시냅스소낭(RRP, readily releasible pool)’이 존재한다. 그러나 이 같은 RRP는 세포내 전체 시냅스소낭 풀 가운데 1～5%에 불과해 신호가 계속 이어진다면 고갈되기 쉽다.

  o 따라서, RRP의 고갈을 보완하기 위해 이온통로에서 멀리 있던 시냅스소낭들이 이온통로 가까이로 이동한다는 사실을 지난해 이 교수 연구팀이 밝혀 미국립과학원회보(PNAS)에 게재한 바 있다. 
   - 하지만, 예비군 시냅스소낭을 RRP 소낭으로 만들기 위한 준비과정인 ‘이온통로와의 거리 좁히기’와 칼슘이온에 대한 반응속도, 즉, ’칼슘민감도 높이기’ 간의 상관관계는 알지 못했다.    

□ 연구팀은 고갈된 RRP 소낭을 대체하기 위해 멀리 있던 시냅스소낭들이 이온통로와의 거리를 좁히는 과정과 칼슘민감도를 높이는 과정이 순차적으로 일어나는 별개의 과정임을 알아냈다.

  o 우선 멀리 있던 시냅스소낭들이 평균 0.06초 이내의 빠른 속도로 이온통로 가까이로 이동한 후, 3.6초에 걸쳐 칼슘민감도를 서서히 높이면서 즉각 분비를 위한 준비를 통해 RRP로 바뀜을 밝혀냈다.

  o 신경신호전달의 스위치 같은 시냅스소낭 분비과정의 최종단계를 실험적으로 규명함으로써 뇌에서의 정보처리 기전 이해 등에 크게 기여할 것으로 기대된다.

□ 이 교수는 “신경전달에 관여하는 시냅스소낭 분비에 대한 표준모델을 제시함으로써 향후 단기시냅스 가소성 연구와 응용분야인 뉴로컴퓨팅 연구에 광범위한 영향을 끼칠 것”이라고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
  뇌에서의 정보처리는 시냅스에서 일어난다. 공학적인 관점에서 볼 때, 시냅스는 신경신호의 고역 또는 저역 통과 필터의 역할을 한다고 볼 수 있는데, 이러한 역할을 규정짓는 가장 중요한 요소가 단기시냅스 가소성이다. 단기시냅스 가소성의 특성을 결정하는 요인으로는 시냅스 전 말단 세포막에 도킹하여 즉시 분비 가능하도록 대기하고 있는 시냅스 소낭의 숫자(RRP, readily releasable pool), 분비가능 시냅스 소낭과 칼슘이온통로 사이의 거리, 시냅스소낭의 칼슘민감도, RRP 고갈 후 회복속도 등 시냅스소낭의 역동학적(synaptic vesicle dynamics) 요인들이 복합적으로 작용한다.

  시냅스 전말단에서 시냅스소낭의 분비를 유도하는 직접적인 요인은 세포내 칼슘농도의 증가이다. 신경세포가 흥분하여 활동전압이 신경말단에 도달하면 전압에 의해 개폐되는 칼슘이온통로가 열리고 이를 통해 세포 밖에서 유입되는 칼슘이 시냅스소낭 분비를 유도한다. 신경말단에 존재하는 전체 시냅스소낭들 중 일부만이(5% 이하) 칼슘증가에 의해 즉시 분비될 수 있도록 세포막의 활성역역(active zone)에 도킹되어 대기하고 있는데, 이러한 시냅스소낭의 집합을 RRP라 한다. 이렇게 RRP에 소속된 시냅스소낭은 칼슘이온 민감도가 높음과 동시에 그 위치가 칼슘이온 통로와의 거리가 가까워야 신경자극 도달 후 즉각적인 분비가 가능하다. 본 논문은 시냅스소낭 분비에 필요한 두 가지 준비과정의 시간적 역동학을 연구하였다.

  연구팀은 2012년 PNAS에 출판된 논문에서 고빈도 신경흥분시 시냅스 신호전달에 의하여 칼슘 이온통로에 가깝게 위치한 RRP가 고갈되었을 경우, 칼슘통로로부터 상대적으로 멀리 위치한 시냅스소낭들이 매우 빠른 속도로 칼슘통로 쪽으로 이동하여 RRP의 회복에 기여한다는 사실을 발견하고 이것을 시냅스소낭 분비의 공간적 준비단계(positional priming)라 칭하였으며 positional priming은 actin/myosin에 의존적이고 calmodulin에 의하여 조절됨을 보고하였다.

  시냅스소낭의 분비속도는 칼슘농도의 증가정도와 시냅스소낭의 칼슘민감도에 의하여 좌우된다. 시냅스소낭과 칼슘이온통로간의 거리가 전자를 결정하는 가장 중요한 요소이며 후자는 시냅스소낭의 분자적 준비단계 (molecular priming)에 의존적일 것으로 생각되고 있었으나 두 요소간의 역동학적 관계는 알려져 있지 않았다.

2. 연구내용

  후속연구로서 연구팀은 칼슘이온통로 가까이 도킹된(positional priming) 시냅스소낭의 숫자인 RRP의 크기와 그 시냅스소낭들의 칼슘민감도(또는 molecular priming)를 분리해서 측정할 수 있는 방법을 찾아내고, 이들 두 가지 요소의 역동학적 상관관계를 연구하였다.

  연구팀은 RRP 고갈이후 RRP의 크기의 회복은 actin/myosin과 calmodulin에 의존적으로 일어나지만 RRP에 존재하는 시냅스소낭의 칼슘민감도 회복은 세포내 칼슘증가 자체와 이에 따른 PLC (phosopholipase C)라는 효소의 활성화에 의해 촉진됨을 밝혔다. 이 뿐만 아니라 칼슘과 PLC 활성화가 칼슘민감도에 주는 효과가 부분적으로 겹치는 것으로 보아 칼슘과 PLC 둘 다에 의해 활성화되는 분자인 Munc13이 칼슘민감도 증가에 관여할 것으로 제안하였다.

  이와 더불어 연구팀은 칼슘통로에서 먼 시냅스소낭이 가까운 소낭보다 칼슘민감도가 더 낮다는 것을 확인하고, 칼슘통로에 가까운 시냅스소낭의 고갈 후 먼 곳의 소낭이 매우 빠른 속도로(0.06 초) 칼슘채널 가까이로 이동하여 자리를 채우는 반면, 이렇게 이동해온 시냅스소낭은 더 느린 시간에 걸쳐 (3.6 초) 칼슘민감도가 회복됨을 발견하였다.

  따라서 세포막에 도킹된 시냅스소낭 분비의 준비과정은 소낭의 공간적 이동 (positional priming)과 분자적 기전에 의한 소낭의 칼슘민감도 상승 (molecular priming)이 순차적으로 일어난다는 모델을 제시하였다.

3. 기대효과

  뇌의 정보처리를 가능하게 하는 것은 단기시냅스 가소성이다. 시냅스소낭 분비를 위한 준비과정은 단기시냅스 가소성을 결정하는 주된 요인들 중 하나이다. 이번 논문은 시냅스소낭 분비의 공간적/분자적 준비과정의 역동학을 실험적으로 규명함으로서 뉴로컴퓨팅의 기초가 되는 단기시냅스 가소성을 이해하는 중요한 계기를 마련하였다.

용  어  설  명

1. 단기 시냅스 가소성
 ○ 수 밀리초 ～ 수 분 사이에 일어나는 시냅스연결 강도의 변화
 ○ 시냅스전세포에 전기적 흥분펄스가 도달하면 신경전달물질 분비 펄스가 발생해 시냅스후세포에 전기신호를 발생시키는데 이러한 흥분펄스가 시냅스전세포에 고빈도로 도달하는 동안 신경전달물질 분비 펄스의 크기가 점점 약화되거나 강화되는 현상
 ○ 신경네트워크 상에서 이러한 단기 시냅스 가소성을 전자소자에 비유한다면 단기강화 시냅스는 적분기의 역할을, 그리고 단기약화 시냅스는 미분기 역할을 한다. 따라서 단기시냅스가소성은 뇌 신경회로분석과 뇌신경회로에서 정보처리방식의 이해에 가장 핵심적 부분이다.

2. 즉시 분비 가능한 시냅스 소포
 ○ 활동전압에 의해 빠르게 분비되는 시냅스 소낭
 ○ 신경말단의 활성영역(active zone)에 대기하고 있어 활동전압이 신경말단에 도달하면 가장 우선적으로 분비되는 시냅스 소낭

3. 시냅스 소포의 고갈 후 회복
 ○ 칼슘이온통로를 통해 칼슘이 유입되면 이온통로에 가장 가깝게 위치한 시냅스 소낭이 우선적으로 분비되고, 칼슘 유입시간이 길어지면 이온통로로부터 상대적으로 멀리 위치한 시냅스 소낭이 뒤따라 분비된다.
 ○ 즉시 분비가능한 시냅스소낭이 모두 분비된 후에는 신경말단 내부의 예비군(reserve pool)에 소속되어 있는 시냅스소낭이 활성영역(active zone)이 있는 세포막으로 이동해 분비되기를 기다린다.

그  림  설  명

그림 1. 신경말단의 active zone에서 시냅스 소낭 분비의 공간적 준비단계

  시냅스전말단을 표시한 위쪽그림에서 칼슘이온통로 주위 세포막에 시냅스소낭(보라색 원)이 도킹되어 있는 부분 (점선둘레상자)을 확대하여 아래그림에  표시하였다. 아래그림에서 붉은색반구는 칼슘이온통로(작은 분홍색 원기둥 무리)를 통하여 들어온 칼슘의 확산영역을 표시한 것이다. 칼슘이온통로 가까이 자리 잡은 시냅스 소낭을 즉시 분비가능한 시냅스 소낭 (분비가능 SV라고 표시된 보라색 원) 이라 한다. 분비가능 SV (synaptic vesicle)들이 모두 분비되면 칼슘이온 통로에서 비교적 멀리 떨어져 있는 시냅스 소낭(예비SV 라고 표시된 보라색 원)이 액틴(노란색 사슬모양)의 도움을 받아 칼슘이온통로 가까이 이동한다.

그림 2. 신경말단 세포막에 도킹되어 있는 시냅스소낭의 칼슘민감도

  칼슘이온통로(붉은색 원통)에 가까운 시냅스 소낭 (synaptic vesicle, SV)일수록 칼슘민감도가 크다 (분비가능 SV, 세포막에 더 가까이 도킹되어 있는 것으로 표시). 세포내 칼슘자극에 의해 인지질분해효소C(PLC)라는 단백질이 활성화되면 그 산물인 다이아실글리세롤(DAG)에 의해 칼슘통로근처로 이동한지 얼마안된 칼슘민감도가 낮은 예비시냅스소낭의 칼슘민감도가 증가한다.

 * PLC : 세포막을 구성하는 인지질을 분해하여 DAG라는 이차전령을 만드는 효소
 * DAG : PLC에 의하여 생성되며 시냅스소낭의 칼슘민감도를 높인다.