도파민 분비를 조절할 수 있는 단백질 발견했다!

[리리오카]

- UNIST 김재익 교수팀, PLCγ1 단백질 도파민 분비조절에 관여함 밝혀 -

- 쥐 모델을 통해 도파민 분비 관련 단백질의 변화 확인…Exp. Mol. Med. 게재 -

도파민 분비를 조절할 수 있는 새로운 방법이 발견됐다. 도파민 관련 뇌질환 치료법 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST(총장 이용훈) 생명과학과 김재익 교수팀은 도파민 신경세포에서 신호전달 핵심 요소인 PLCγ1 단백질이 도파민 분비를 조절한다는 새로운 연구결과를 발표했다.

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UNIST 김재익 교수

도파민은 중추신경계에 존재하는 신경전달물질로 수의운동, 동기 부여 및 감정 조절 등과 관련된 다양한 기능을 수행한다. 적당한 도파민의 분비는 행복감과 보상감과 같이 긍정적인 효과를 유발한다. 하지만 분비에 문제가 생기면 우울감, 불안감, 과잉행동, 운동능력 저하 등의 다양한 뇌기능 이상이 나타날 수 있다.

도파민은 주로 중뇌에 있는 도파민 신경세포에서 합성된다. 합성된 도파민은 뉴런의 신경섬유 말단이 분포해있는 선조체 및 측좌핵으로 분비된다. 선조체는 자발적 움직임에 중요한 역할을 하며 측좌핵은 동기 및 보상에 관한 정보를 처리하는 뇌의 한 부분이다.

합성된 도파민은 분비되기 위해 신경전달물질을 보관하는 ‘시냅스 소포’로 이동한다. 이렇게 축적된 도파민은 방출 가능한 시냅스를 찾는다. 이 과정에서 시냅스 소포로 도파민을 수송하는 소포성 모노아민 운반수송체(VMAT2)와 방출 가능한 시냅스로 소포를 이동시키는 시냅신Ⅲ(synapsinⅢ)가 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

연구팀은 도파민 신경세포에서 PLCγ1 유전자를 불완전하게 만든 쥐 모델의 뇌 영역 선조체와 측좌핵에서 도파민 분비가 증가한 것을 발견했다. 도파민 신경섬유 말단에서 VMAT2와 시냅신Ⅲ의 양이 증가했고, 이런 변화가 도파민 분비 증가에 결정적인 역할을 한다는 것을 밝혔다. 즉, 이번 연구를 통해 PLCγ1 단백질이 도파민 분비를 직접 조절한다는 사실이 처음 밝혀진 것이다.

생명과학과 김재익 교수는 “이전까지는 실험 방법의 한계로 도파민 신경세포 내 신호전달 메커니즘의 규명에 어려움이 있었다”며 “생체 내 실시간 도파민 측정 및 고해상도 시냅스 이미징 방법의 개선으로 도파민 신경세포 특이적인 PLCγ1의 역할을 새롭게 규명할 수 있었다”고 설명했다.

제 1저자 김혜윤 연구원은 “도파민 분비 조절에 관여하는 PLCγ1 매개 신호전달 방법을 규명해 도파민 관련 뇌질환들의 치료법 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 한국뇌연구원과 공동연구로 진행됐으며, 생명과학분야 주요 학술지인 ‘Experimental & Molecular Medicine (EMM)’에 11월 1일자로 공개됐다. 연구수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구, 기초연구실 지원사업, 그리고 뇌기능규명조절기술개발사업의 지원을 받아 이루어졌다.

(논문명: PLCγ1 in dopamine neurons critically regulates striatal dopamine release via VMAT2 and synapsin Ⅲ)

연구 결과 개요

1. 연구배경

도파민은 중추신경계에서 수의운동, 보상행동, 동기 부여, 감정 조절 등 중요한 뇌기능들을 담당하는 조절성 신경전달물질이다. 도파민은 중뇌(midbrain)의 흑질 치밀부(substantia nigra pars compacta, SNc), 복측피개영역(ventral tegmental area, VTA)에 주로 분포하는 도파민 신경세포에서 합성되며, 도파민 신경세포는 기저핵(basal ganglia)의 선조체(striatum) 영역으로 긴 축삭돌기를 뻗어 도파민을 분비한다. 이러한 도파민 합성 및 분비 조절 과정에 문제가 생기면 우울증, 주의력결핍 과잉행동장애(ADHD), 조현병, 파킨슨병, 중독 등의 다양한 뇌질환들을 초래할 수 있다. 따라서 도파민의 합성 및 분비 조절 과정을 이해하는 것은 도파민 이상과 관련한 뇌질환들의 치료법 개발을 위해 반드시 필요한 과정이다. PLCγ1은 외부 자극에 대한 세포 내 신호전달을 매개하는 주요 효소이며, 세포의 증식, 분화, 이동 및 생존에 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 현재까지 PLCγ1의 도파민 신경세포에서의 생리적 기능에 대해서는 보고된 연구가 없었으며, 본 연구팀은 도파민 신경세포에서 PLCγ1의 역할을 규명하기 위해 이 연구를 시작하게 되었다.

2. 연구내용

본 연구에서는 도파민 신경세포 특이적으로 PLCγ1 유전자를 제거하여 세포 내 발현을 억제하였을 때 도파민 신경세포의 구조와 기능 변화 및 도파민 분비와 관련된 다른 단백질들의 변화를 관찰하였다. PLCγ1이 결핍된 생쥐에서 도파민 신경세포의 발달 및 생존, 그리고 세포학적 구조에서는 정상적인 도파민 신경세포와 비교했을 때 차이가 없었다. 그러나 등쪽 선조체 및 측좌핵 중심부에 위치한 도파민 신경세포 축삭 말단에 도파민 분비를 유도하는 전기 및 빛 자극을 주었을 때, PLCγ1 결핍 생쥐에서 도파민 방출량이 유의미하게 증가하였다. 이는 도파민 합성 효소(tyrosine hydroxylase, TH)와 도파민 재흡수 수송체 (dopamine transporter, DAT)에 의한 변화가 아님을 확인하였다. 놀랍게도, 세포질에서 시냅스 소포 (synaptic vesicle)로 도파민을 운반하는 수송체 단백질 (vesicular monoamine transporter 2, VMAT2)이 선조체에 존재하는 도파민 신경세포의 축삭 말단에서 증가했을 뿐만 아니라, 시냅스 소포의 이동에 관여하는 synapsin III 단백질의 양도 유의미하게 증가한 것을 확인하였다. 마지막으로 도파민 신경세포에서 이 단백질들의 발현을 선택적으로 억제하였을 때 선조체에서의 도파민 분비가 감소하는데, PLCγ1 결핍 생쥐에서는 이러한 도파민 분비 감소 경향이 완화되었다. 결론적으로 본 연구팀은 이러한 결과들을 통해 PLCγ1이 도파민 신경세포 내의 시냅스 소포와 관련된 단백질들과 상호작용하여 도파민 분비를 조절한다는 것을 처음으로 밝혔다.

3. 기대효과

도파민과 도파민 신경세포의 기능 이상은 조현병, 파킨슨병, ADHD, 중독 등의 다양한 뇌질환들과 그 생물학적 연관성이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 본 연구는 PLCγ1이 도파민 신경세포의 도파민 시냅스 소포 형성 및 방출 과정에 핵심적인 역할을 한다는 것을 새롭게 규명하였다. 본 연구를 통해 도파민 신경세포가 도파민 분비를 조절하는 원리와 그 분자 기전을 심도 있게 이해할 수 있으며, 더 나아가 PLCγ1을 표적으로 하는 새로운 치료법 개발을 통해 조현병, 파킨슨병, 중독과 같은 도파민 관련 뇌질환들의 치료에 새로운 돌파구를 마련할 수 있을 것으로 기대한다.

그림1. 도파민 신경세포 특이적으로 PLCγ1의 발현을 유전적으로 억제하였을 때 도파민 신경세포의 축삭 말단에서 도파민 분비가 증가하는 것을 확인함.

(A) PLCγ1 결핍 생쥐의 도파민 신경세포 축삭 말단에서 VMAT2, synapsin III의 증가와 함께 도파민 분비가 정상 생쥐보다 증가한 것을 보여주는 연구결과 요약 그림. (B) 도파민 신경세포의 축삭 말단이 위치하고 있는 등쪽 선조체(dorsal striatum, Dstr), 측좌핵 중심부(nucleus accumbens core, NAc core)를 전기적으로 자극하여 도파민 방출을 유도하고 고속 스캔 순환 전압계(FSCV) 실험으로 시간에 따른 도파민의 농도 변화를 측정하였음. (C) 전기 자극을 주었을 때 등쪽 선조체의 도파민 신경세포 축삭 말단에서 도파민 방출에 따른 전압-전류의 변화 그래프. (D) PLCγ1 결핍 생쥐의 등쪽 선조체에서 도파민 방출이 증가한 것을 확인함. (E) 전기 자극을 주었을 때 측좌핵 중심부의 도파민 신경세포 축삭 말단에서 도파민 방출에 따른 전압-전류의 변화 그래프. (F) PLCγ1 결핍 생쥐의 측좌핵 중심부에서도 도파민 방출이 증가한 것을 관찰하였고, 이를 통해 도파민 신경세포의 축삭 말단에서 PLCγ1의 유전적 발현 억제가 도파민 분비에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였음.

그림2. 도파민 신경세포의 축삭 말단에서 PLCγ1이 결손되었을 때, 도파민 분비를 조절하는 VMAT2, synapsin III의 양이 증가.

(A) 면역조직화학염색법을 이용하여 등쪽 선조체의 도파민 신경세포 축삭에서 시냅스 소포로 도파민을 수송하는 VMAT2의 양을 확인하였음. (B) PLCγ1 결핍 생쥐에서 VMAT2의 양이 증가한 것을 관찰하였고, 이를 통해 시냅스 소포 또는 시냅스 소포로 운반되는 도파민의 양이 증가하였기 때문에 도파민 방출이 증가했음을 알 수 있음. (C) 면역조직화학염색법을 이용하여 등쪽 선조체의 도파민 신경세포 축삭에서 방출 가능한 시냅스로 소포를 운반하는 synapsin III의 양을 확인하였음. (D) PLCγ1 결핍 생쥐에서 synapsin III의 양이 증가한 것을 관찰하였고, 이를 통해 방출 가능한 시냅스에 존재하는 도파민 소포의 양이 증가하여 도파민 방출량이 증가하였음을 간접적으로 확인할 수 있음.

출처 : https://www.ibric.org/s.do?HQQJngJYla