고재원 교수팀, 헤파란 설페이트 프로테오글라이칸에 의한 흥분성 시냅스 발달 기전 규명

과학전문지 ‘PNAS’ 최신호에 게재

생명시스템대학 생화학과 고재원 교수 연구팀은 세포외 기질 단백질로서 잘 알려져 있는 헤파란 설페이트 프로테오글라이칸(heparan sulfate proteolgycan)에 의한 시냅스 발달기전을 규명했다. 이번 연구결과는 과학전문지 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 최신호(2015년 1월 27일) 온라인 판에 게재되었다. 고재원 교수 연구팀은 이전 연구들에서 LAR-RPTP 단백질이 흥분성 및 억제성 시냅스 발달을 매개하는 주요인자임을 증명하여 2013년 ‘PNAS’ 및 ‘Trends in Cell Biology’, 그리고 2014년에는 ‘Nature Communications’에 보고한 바 있다. 이번 연구에서는 LAR-RPTP 단백질 중 하나인 PTPsigma 단백질이 당단백질(glycoprotein)의 일종인 헤파란 설페이트 프로테오글라이칸인 글라이피칸4 단백질 (glypican-4)과 결합하여 흥분성 시냅스 발달 및 기능을 매개함을 증명하였다.

연구팀은 글라이피칸4 단백질이 PTPsigma 단백질과 헤파란설페이트 (heparan sulfate)에 의해서 매개됨을 세포생물학, 생화학 등의 방법으로 증명하였다. 특히 글라이피칸4 단백질은 이전 연구에서 LRRTM4 단백질과 특이적인 시냅스 접착회로를 형성하여 흥분성 시냅스 발달을 매개하는데, 여기에 PTPsigma 단백질과 함께 큰 복합체를 형성하여 LRRTM4와 PTPsigma 단백질 사이의 중개물질로 기능을 수행함을 입증하였다. 또한 PTPsigma 단백질은 흥분성 시냅스 신경전달에 필요하며, 이러한 기능은 글라이피칸4 단백질과의 상호작용에 의해서 제공되는 헤파란 설페이트가 중요함을 규명하였다. 이러한 연구결과는 헤파란 설페이트에 의해서 특정 시냅스 접착과정이 강화 혹은 약화되어 특정 시냅스 신경전달 경로를 조절할 수 있음을 시사하는 것으로서 흥분성 시냅스 발달의 새로운 분자기전으로 평가받고 있다. 또한 본 연구결과는 PTPsigma 단백질과 상호작용하는 다른 후시냅스 접착단백질들과의 시냅스 접착회로에도 적용되어 시냅스 접착과정을 종합적으로 이해하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.

고재원 교수는 “본 연구는 세포 표면의 특정 단백질을 덮는 탄수화물인 헤파란 설페이트가 실제로 포유동물 뇌의 신경전달 및 시냅스 형성에 관여하는 분자기전을 최초로 제시한 사례”라고 말했다. 그는 “앞으로 자세한 신호전달기전을 규명하여 이를 활용한 뇌질환 약물개발에 힘쓸 것이며, 실제로 본 연구를 바탕으로 한 특허 출원을 마친 상태”라고 밝혔다. 본 연구는 고재원 교수 연구팀의 고지승 연구원(박사과정 대학원생)과 엄지원 연구교수(이상 공동 제1저자)가 주도하였으며, 경희대학교 박강식 교수, 고려대학교 김현 교수, 그리고 KAIST 의과학대학원의 김호민 교수 연구팀이 공동연구로 참여하였다. 본 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단(이사장 정민근)의 ‘선도연구센터지원사업’, 보건복지부의 세계선도의생명과학육성 프로그램(Medi-Star), 질병중심 중개연구(중점연구), 교육과학기술부의 대통령포스트닥 펠로우십 등의 지원으로 수행되었다.