고재원 교수팀, 뇌질환 발병의 열쇠 찾다

신경 시냅스 접착단백질에 의한 흥분성 시냅스 발달기전 규명

‘셀 리포트’에 논문 게재

시냅스(synapse)는 뇌의 기능을 수행하는 가장 기본이 되는 단위로서 수많은 뇌세포들 간에 신경전달이 일어나는 장소다. 다양한 시냅스 단백질들 중에서 시냅스 접착단백질(synaptic adhesion molecule)들에 의해 초기 시냅스가 형성되고 성숙화된다. 최근 들어서 LRR(leucine-rich repeat)이라 불리는 도메인을 갖고 있는 다수의 막단백질들이 시냅스 접착단백질로서 중추신경계(central nervous system)에서 중요한 기능을 하고 있음이 밝혀지고 있다. 이 단백질들은 자폐, 정신분열 등 다양한 뇌질환 발병에도 큰 연관성을 보이는 것으로 밝혀졌다.

생명시스템대학 생화학과 고재원 교수 연구팀은 LRR 단백질들 중 하나인 LRRTM3 단백질에 의한 흥분성 시냅스 발달의 새로운 조절기전들을 규명해 그 연구결과를 과학전문지 ‘셀 리포트(Cell Reports)’ 1월호에 게재했다. ‘셀 리포트’는 세계적인 생명과학 국제학술지 ‘셀(Cell)’의 자매지다.

고재원 교수 연구팀은 지난 2009년 미국 스탠포드 박사 후 연구원 시절부터 최근까지 LRRTM1, LRRTM2 및 LRRTM4 단백질이 뇌 해마(hippocampus)의 다양한 부위에서 흥분성 시냅스 구조 및 기능을 조절한다는 연구결과들을 꾸준히 보고했다. 본 연구에서는 이들 단백질들에 비해 연구결과가 전무했던 LRRTM3 단백질이 해마의 치아이랑 과립세포(dentate gyrus granule cell)의 흥분성 시냅스 구조 및 기능 유지에 중요함을 증명했다. 특히 LRRTM3 단백질은 다른 LRRTM 단백질들과 마찬가지로 neurexin 및 glypican 단백질과 시냅스 접착을 매개하는데, 이 중 neurexin간의 선택적인 접착을 매개해 시냅스 발달을 매개함을 보여줬다.

(신경세포막에 존재하는 단백질 중 하나인 LRRTM3 단백질이 기억과 학습에 관련된 뇌부위 중 하나인 해마의 치아이랑에서 흥분성 시냅스 발달에 관여하는 새로운 사실이 밝혀졌다.)

또한 LRRTM3 단백질이 결핍된 형질전환생쥐를 이용해 해부학, 생화학, 전기생리 등의 방법을 적용함으로써 해마 치아 이랑의 시냅스 발달에 매우 중요한 인자로 작용하고 있음을 증명했다. 최근 인간유전학체 기술 발전으로 인해 LRRTM3 단백질의 유전자 복제수 변이(CNV, copy number variation)들이 자폐 및 알츠하이머 치매 환자 등에서 다수 발견되고 있으므로 본 연구 결과는 이들 뇌질환의 병인기전 규명에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 본 논문에서 도출된 LRRTM3 낙아웃 마우스의 다양한 표현형(phenotype)들을 바탕으로 현재 LRRTM3 기능이상과 연관된 뇌질환 병인기전을 규명하고자 박차를 가하고 있다. 실제로 연구팀의 미발표 연구결과들은 이러한 가능성을 뒷받침하고 있으며 현재 LRRTM3 낙아웃 마우스의 다양한 행동 분석결과들이 도출되고 있다. 이러한 연구결과들은 이후 특정 신경회로(neural circuit)에서의 LRRTM3 단백질의 역할을 폭넓게 이해하는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.

고재원 교수가 연구책임자로 참여한 이번 연구는 엄지원 교수(제1저자, 의과대학 생리학교실 교수)팀과의 공동연구로 이루어졌다. 여기에 서울대학교 최세영 교수, 경북대학교 배용철 교수, 핀란드 헬싱키 대학의 Matti Airaksinen 교수, 한국과학기술원 이승희 교수, 고려대학교 김현 교수 연구팀 등 다수의 국내외 연구팀이 공동연구로 참여했다. 본 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 ‘선도연구센터지원사업’, 교육과학기술부 대통령 포스트 닥터 펠로우십의 지원을 받아 수행되었다.