카이스트 정원석 교수와 박정주 박사과정팀, 신경세포의 흥분성 증가로 인한 뇌 질환 기제 규명

[돌처럼 (경기 성남)]

카이스트 정원석 교수와 박정주 박사과정팀, 신경세포의 흥분성 증가로 인한 뇌 질환 기제 규명

•  한상형 기자
•  승인 2021.06.02 13:00

(왼쪽부터) KAIST 생명과학과 정원석 교수, 박정주 박사과정 [사진 출처=카이스트]

[한국강사신문 한상형 기자] 국내 연구진이 뇌 신경세포의 흥분과 억제 불균형을 일으키는 새로운 기전을 규명했다. 이는 발작과 같은 다양한 뇌 신경질환의 원인과 연결되며, 뇌 질환 치료에 활용이 기대된다.

KAIST(총장 이광형)는 생명과학과 정원석 교수와 박정주 박사과정 연구팀이 억제성 시냅스가 *미세아교세포에 의해 제거되는 분자 기전을 처음으로 밝히고, 이 현상이 과도하게 일어날 때 신경세포의 흥분성 증가로 발작과 같은 뇌 질환이 일어날 수 있음을 증명해 국제학술지 `엠보저널(EMBO Journal)'에 공개했다고 5일 밝혔다.

☞ 미세아교세포(microgila): 뇌에서 면역기능을 담당하는 신경세포의 일종이다. 뇌와 척추 전역에 분포돼 있으며, 정상적인 뇌 기능을 수행하도록 핵심적인 역할을 한다.

*시냅스는 뇌 발달 및 학습 시에 생성과 제거가 반복되는 변화를 겪는다. 정원석 교수 연구팀은 이전 연구를 통해 비신경세포인 별아교세포와 미세아교세포가 신경세포의 불필요한 시냅스를 잡아먹어 제거할 수 있음을 밝힌 바 있다. 하지만, 이 과정에서 어떤 물질이 특정 시냅스를 표지해 교세포들로 하여금 제거하도록 유도하는지는 알려지지 않았다.

☞ 시냅스(synapse): 뉴런(신경세포) 간 또는 뉴런과 다른 세포 사이의 접합 관계나 접합 부위를 말한다. 뉴런이 모여 있는 곳, 즉 뇌와 척수에 집중되어 있다.

엠보저널(EMBO Journal)에 수록된 이번 연구 이미지.

미세아교세포가 포식 수용체를 통해, 신경세포체 표면에 표지된 포스파티딜세린를 인식하여 제거하는 모습. 이 현상이 과도하게 일어날 때 신경세포의 흥분-억제 간의 균형이 깨져서 발작 증세가 일어남 [사진 출처=카이스트]

연구팀은 포스파티딜세린 (phosphatidylserine)이라는 세포막에 존재하는 인지질 중의 하나가 죽어가는 세포 표면에 선택적으로 표지돼 면역세포에 의해 세포를 잡아먹도록 유도한다는 사실에 착안했다. 죽어가는 세포가 제거되는 분자 기전이 시냅스만이 선택적으로 제거되는 현상에도 응용될 수 있을 것이라 예상한 것이다.

이 가정을 증명하기 위해 연구진은 포스파티딜세린을 신경세포 표면에 인위적으로 노출한 후, 특정 시냅스가 교세포에 의해 잡아먹힐 수 있는지 연구했다.

먼저 연구진은 포스파티딜세린을 항상 세포 표면으로부터 안으로 지속적으로 불러들여 정상 세포막에서 이들을 노출되지 않도록 막고 있는 플립파아제(Flippase)라는 단백질의 기능을 신경세포에서만 억제할 수 있는 실험용 쥐 모델을 제작했다.

그 결과 놀랍게도 신경세포의 세포체 주변의 표면에서만 선택적으로 포스파티딜세린이 표지됨을 발견했고 이로 인해 세포막이나 흥분성 시냅스의 손상 없이 억제성 시냅스만이 선택적으로 감소함을 발견했다. 그뿐만 아니라 해당 쥐 모델은 청각을 담당하는 뇌 지역에서 흥분-억제 균형이 깨져서 소리로 인해 촉발되는 특이한 발작 증세를 일으킴을 확인했다.

더 나아가 연구팀은 미세아교세포를 인위적으로 제거하거나 미세아교세포에 존재하는 특정 포식 수용체를 제거했을 때, 신경세포의 표면에 포스파티딜세린이 표지되었을지라도 과도한 억제성 시냅스 감소와 발작 증세가 방지될 수 있음을 발견했다.

이로써 신경세포체 주변 세포막에 포스파티딜세린이 표지되는 것이 미세아교세포가 포식 수용체를 통해 억제성 시냅스만을 선택적으로 먹는 기전으로 쓰일 수 있음을 최초로 규명한 것이다.

연구팀의 이 같은 발견은 흥분성 및 억제성 시냅스가 서로 다른 기전을 통해 미세아교세포에 의해 제거될 수 있음을 처음으로 제시한 것이며, 미세아교세포에 의한 과도한 억제성 시냅스 제거 기전이 뇌 신경세포의 흥분-억제 불균형 발생의 새로운 원인이 될 수 있음을 증명한 것이다.

연구팀 관계자는 "비정상적인 억제성 시냅스 수 변화는 발작, 자폐 스펙트럼 장애, 조현병, 치매 등과 같은 다양한 뇌 질환의 유병률과 연관성이 높다ˮ며 "뇌에서의 흥분-억제 균형이 깨져서 일어나는 다양한 뇌 신경질환에서 미세아교세포가 억제성 시냅스를 먹는 현상을 조절하는 것이 이들 질환을 치료하는 새로운 전략이 될 것이다ˮ고 말했다.

KAIST 생명과학과 박정주 박사과정이 제1 저자로 참여하고, 정원석 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 엠보저널(EMBO Journal)에 지난 5월 20일 字 공개됐다. (논문명: Microglial MERTK eliminates phosphatidylserine-displaying inhibitory post-synapses)

한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 도움을 받아 진행됐다.

<정원석 교수 프로필>

1. 인적사항

○ 소 속 : 카이스트 생명과학과

2. 학력

○ 2003~2009 University of California, San Francisco (UCSF), Biomedical Sciences (BMS) Graduate Program (박사)

○ 1997~2001 서울대학교 약대 제약학과 (학사)

3. 경력사항

○ 2016 ~ 현재 한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 조교수

○ 2009 ~ 2016 Stanford University/ Department of Neurobiology (박사 후 연구원, Advisor: Dr. Ben A. Barres)

4. 주요 연구업적

○ 별아교세포의 의한 시냅스 제거 기전을 최초로 밝혀서 2013 Nature, 2021 Nature에 교신 저자로 논문을 발표하는 등 세계적인 성과를 내고 있음

○ 2021: 싸이텍 젊은 신경과학자 상 수상

○ 2021: 2020년 카이스트 대표연구 우수성과 10선 선정

○ 2021: 카이스트 학술상 수상

○ 2017: 삼성미래기술융성사업 책임연구자로 선정

○ 2016: 포스코 청암 신진 연구자 상