‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 11월호에 게재

시냅스 (synapse)는 뇌의 기능을 수행하는 가장 기본이 되는 단위로서 두 개의 서로 다른 신경세포가 만나서 신경전달이 일어나는 장소이다. 다양한 시냅스 접착단백질 (synaptic adhesion molecule)들에 의해서 초기에 만들어지고 유지되며 필요에 따라서 사라진다. 현재까지 대략 10여종의 시냅스 접착단백질이 발견되었으나 대부분의 경우 그 기능이 잘 알려져 있지 않다. 슬릿트랙 단백질은 최근에 조명받고 있는 새로운 시냅스 접착단백질로서 아직까지 시냅스에서의 기능은 잘 알려져 있지 않다.

생명시스템대학 생화학과 고재원 교수 연구팀은 한국과학기술원 (KAIST) 의과학대학원 김호민 교수팀과 공동연구를 통해 슬릿트랙 단백질과 리간드 복합체의 구조를 결정하고 이를 기반으로 새로운 시냅스 생성 분자 기전을 제시하였다. 이번 연구는 세계적인 생명과학 권위학술지 네이처 (Nature)의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 11월호 온라인 판에 게재되었다.

고재원 교수 연구팀은 이전 연구에서 슬릿트랙 단백질과 LAR-RPTP 단백질이 서로 특이적인 시냅스 접착을 형성, 흥분성 및 억제성 시냅스 발달을 매개함을 증명하여 ‘Proc Natl Acad Sci USA’지에 지난 2013년 3월에 보고한 바 있다. 본 연구에서는 슬릿트랙 단백질과 LAR-RPTP 단백질 중 하나인 PTPdelta 단백질 복합체 구조를 X선 결정학 방법을 이용하여 결정하고 이들 단백질들이 어떻게 상호작용하는지 자세한 작동 기전을 탐색하였다. 연구결과 슬릿트랙 단백질 및 PTPdelta 단백질 결합에 관여하는 구조적 도메인을 규명하였으며, 이를 바탕으로 복합체 형성에 관여하는 다양한 핵심 잔기들을 동정하였다. 또한 세포생물학, 생화학, 전자현미경학 등의 실험기법을 활용하여 두 단백질이 ‘어떻게’ 상호작용하여 시냅스 생성에 관여하는지 증명하였다. 특히 두 단백질의 단순한 결합 뿐 아니라 결합 이후에 신경세포 막에서 서로 클러스터링 (clustering)을 상호 매개하여 전시냅스 발달을 촉진하는 새로운 모델을 제시하였다. 이는 시냅스 접착 연구 분야에 새로운 이정표를 제시한 것으로 평가받고 있다.

본 연구결과는 향후 다른 시냅스 막단백질들에 의한 시냅스 접착경로를 이해하는데 도움을 제공할 뿐 아니라 다양한 리간드와 결합하는 것으로 잘 알려져 있는 LAR-RPTP 단백질의 기능을 이해하는데 매우 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

고재원 교수는 “본 논문을 통해서 슬릿트랙 단백질과 그 리간드가 어떻게 시냅스 발달을 촉진하는지 그 자세한 분자기전을 이해할 수 있었다”며, “구조생물학을 신경생물학에 접목하여 시냅스 막단백질의 신호전달기전을 체계적으로 이해하는 것이 앞으로 필요하며 이는 서로 다른 학문간의 융합이 아니었으면 불가능한 연구”라고 밝혔다.

이번 연구는 고재원 교수 연구팀의 엄지원 연구교수(공동제1저자)가 주도하고 대학원생인 김민혜, 고지승, 최가영이 참여했다. KAIST 의과학대학원의 김호민 교수(공동교신저자) 연구팀, KAIST 생명과학과 김은준 교수, 허원도 교수 연구팀이 공동연구에 참여하였다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단(이사장 정민근)이 추진하는 중견연구자 지원사업(핵심공동연구), 보건복지부의 세계선도의생명과학육성 프로그램(Medi-Star), 질병중심 중개연구(중점연구), 교육과학기술부의 대통령 포스트닥 펠로우십의 지원으로 수행되었다.