KAIST, 성인 뇌가 기억력 유지하는 구조 규명

정원석 교수팀·한국뇌연구원과 공동연구로 규명, 네이처에 게재

별아교세포가 불필요한 시냅스를 제거해 기억력 유지 확인

뇌 질환 치료 및 뇌 항상성 유지 연구에 활용 기대

[대전=뉴시스] 네이쳐(Nature)에 수록된 KAIST 공동연구팀의 연구 이미지. 흰색 별아교세포와 파란색 미세아교세포가 시냅스(정상 시냅스는 녹색, 신경교세포에 의해 제거된 시냅스는 붉은색)를 제거하고 있는 모습.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진에 의해 성인의 뇌가 기억력을 유지하는 구조(메커니즘)가 밝혀졌다.

KAIST는 생명과학과 정원석 교수와 이준혁 박사과정 연구팀이 한국뇌연구원과 공동연구를 통해 이전까지 알려지지 않았던 새로운 뇌 항상성 유지 기전을 처음으로 밝혀내고 국제학술지 '네이처(Nature)'에 발표했다고 5일 밝혔다.

성인 해마(hippocampus)에서는 학습 및 기억 형성 중에 기존 시냅스(synapse)는 사라지고 새로운 시냅스가 생기는 시냅스 재구성이 일어난다. 시냅스는 신경세포(뉴런) 간 또는 뉴런과 다른 세포 사이의 접합 관계나 접합 부위로 뇌와 척수에 집중돼 있다.

하지만 어떻게 시냅스가 사라지고 시냅스 제거가 학습과 기억 과정 중에 어떤 역할을 맡는지는 여전히 알려지지 않고 있다.

공동 연구팀은 중추 신경계에서 다양한 역할을 수행하는 신경교세포 중 가장 숫자가 많은 '별아교세포'가 뇌 발달 시기에 시냅스를 먹어 없앤다는 지난 2013년 정원석 교수의 선행 연구 결과(네이처 게재)를 기반으로 연구를 진행했다.

이번 연구를 통해 성체 뇌에서도 별아교세포가 불필요한 시냅스를 끊임없이 제거하고 있다는 사실을 발견했으며, 이 현상이 학습 및 기억에 중요한 해마 내 흥분성 시냅스의 회로 유지를 가능케 한다는 사실을 증명했다.

이전에는 신경교세포의 시냅스 제거 현상을 전자 현미경 또는 시냅스 염색법을 사용해 확인했지만 이 방법은 신경교세포에 의해 먹힌 시냅스가 세포 내 산성 소화기관에서 급속히 분해되기 때문에 잔여 시냅스를 표시하고 관찰하는 데 한계가 있다.

이에 따라 연구팀은 시냅스에 산성화 감지가 가능한 형광단백질 조합(mCherry 물질과 eGFP 물질)을 발현시키는 바이러스 기반 시냅스 포식 리포터를 개발했다.
 
형광단백질들은 일반적인 중성 pH 조건에서 원래의 형광 강도를 유지하지만, 세포 속 소화기관 같은 산성 환경에서는 eGFP 물질은 빠르게 분해돼 신호가 사라지고 mCherry 물질은 천천히 분해돼 신호가 유지된다는 특징이 있다.

 이런 원리를 활용해 연구팀은 mCherry-eGFP를 흥분성 및 억제성 시냅스에 각 발현시킨 뒤 mCherry-eGFP로 표시된 시냅스들과는 달리 신경교세포에 의해 먹힌 시냅스는 mCherry 물질만의 단독 신호로 관찰되는 것을 확인했다.

이를 통해 연구팀은 별아교세포가 성인 해마에서 시냅스를 지속적으로 제거하며 특히 흥분성 시냅스를 더 많이 제거하고 있다는 사실을 규명했다.
 
이는 뇌의 면역세포라 불리는 미세아교세포 보다 별아교세포가 주도적으로 정상 해마의 흥분성 시냅스를 제거하고 있다는 것으로 미세아교세포가 시냅스를 제거하는 주된 세포일 것이라는 기존의 학설을 뒤집는 결과다.

연구팀은 "미세아교세포를 인위적으로 제거했을 때는 시냅스의 수가 변하지 않았지만 해마의 별아교세포가 시냅스를 먹지 못하도록 유전자 조작을 했을 때는 비정상적인 시냅스가 과도하게 증가하고 정상적인 해마 신경 회로의 기능과 기억 형성 능력이 떨어진다는 것을 처음으로 관찰한 것"이라고 설명했다.

이어 연구팀은 유전자 변형을 통해 별아교세포의 시냅스 제거 작용을 억제한 생쥐에서는 해마 내 시냅스 연결 가소성과 기억 형성에 문제가 생긴다는 사실도 확인했다.

이는 불필요한 시냅스들을 별아교세포가 제거하지 않는다면 뇌의 정상적인 학습과 기억 능력이 유지될 수 없다는 것을 의미한다.
 
연구팀 관계자는 "별아교세포에 의한 성인 뇌의 흥분성 시냅스 재구성이 정상적 신경 회로망 유지 및 기억 형성에 필수적인 기전임을 제시한 것"이라며 "이 메커니즘은 향후 뇌 기능 및 관련 신경 회로의 항상성 유지에 관한 다양한 연구들에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

또 "비정상적인 수준의 시냅스 수 변화는 자폐 스펙트럼 장애, 조현병, 치매 등 여러 형태의 발작과 같은 다양한 신경질환의 유병률과 연관성이 높다"면서 "시냅스 수를 다시 정상으로 회복키 위해 별아교세포가 시냅스를 먹는 현상을 조절하는 것이 뇌 질환을 치료하는 새로운 전략이 될 것"이라고 덧붙였다.

KAIST 생명과학과 이준혁 박사과정과 뇌연구원 김지영 연구원이 공동 제1 저자로 참여하고, 정원석 교수와 박형주 박사가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 네이처(Nature)에 지난해 12월 23일자로 공개됐다.

논문 제목은 Astrocytes phagocytose adult hippocampal synapses for circuit homeostasis.


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