d라이브러리

“뇌에 있는 신경세포 하나는 다른 신경세포들과 약 1만여 개의 시냅스를 형성합니다. 그리고 각각의 신경세포 막에 있는 접착 단백질이 다양한 신경전달물질을 제때 전달해야만 뇌가 정상적으로 작동합니다.”

여전히 아는 것보다 모르는 게 많은 뇌. 고재원 대구경북과학기술원(DGIST) 뇌·인지과학전공 교수는 2011년부터 시냅스 구조 및 기능 연구실을 이끌면서 뇌의 비밀을 밝힐 숨은 시냅스 접착 단백질을 찾고, 이들이 어떤 신경전달물질과 반응하는지 추적하고 있다. 

  
2013년 노벨 생리의학상 수상 분야

고 교수가 시냅스 접착 단백질 연구를 처음 시작한 것은 2004년 KAIST 대학원에서 박사과정을 밟을 때였다. 이후 2007년부터 4년간 토마스 쥐트호프 미국 스탠퍼드대 의대 교수 연구실에서 박사후연구원을 지냈는데, 쥐트호프 교수가 이 분야 최고 권위자였기 때문이다. 

쥐트호프 교수는 신경세포 내에서 신경 접착 단백질 등의 분자가 다양한 물질 수송에 어떻게 관여하는지 밝혀낸 공로로 2013년 노벨 생리의학상을 받았다. 

쥐트호프 교수는 최초의 시냅스 접착 단백질인 ‘뉴렉신(Neurexin)’을 1992년 발견했고, 1995년에는 ‘뉴로리긴(Neuroligin)’을 추가로 발견했다. 그는 두 단백질이 신경세포의 신호전달에 핵심적인 역할을 할 수 있다고 처음으로 제안했다.

우리 몸의 유전자는 2만3000여 개지만, 단일 시냅스에서 발현되는 유전자는 최대 2000개 정도로 추정 중이다. 특히 시냅스 접착 단백질은 현재까지 약 30여 종의 단백질군(family)이 확인됐을 뿐이다. 

1990년대 뉴렉신과 뉴로리긴 등 시냅스 접착 단백질이 발견됐지만, 당시에는 학계의 주목을 받지 못했다. 고 교수는 “2003년 뉴로리긴 단백질이 자폐증과 관련이 있을 수 있다는 연구가 발표됐다”며 “이후 시냅스 접착 단백질에 대한 관심이 매우 커졌다”고 말했다. 

최근까지 연구에 따르면 자폐증에는 시냅스에 있는 유전자 이외에도 훨씬 많은 유전자가 관련돼 있다. 고 교수는 “시냅스 접착 단백질과 자폐증 사이에 직접적인 상관성은 아직 명확하지 않다”면서도 “시냅스 접착 단백질이 자폐증은 물론 치매, 파킨슨병 등 모든 뇌 질환과 연관성이 있는 것은 명확한 사실”이라고 설명했다. 시냅스 접착 단백질 기초 연구는 뇌 질환 정복을 위해서라도 꼭 필요한 셈이다. 

현재 고 교수팀은 ‘LRRTM’ ‘SLITRK’ ‘LAR-RPTP’ ‘MDGA’ 등 네 가지 시냅스 접착 단백질군을 집중적으로 연구하고 있다. LRRTM군은 중추신경계에서 많이 발현되며, 특히 다양한 뇌영역에서 서로 다르게 발현된다. SLITRK군과 LAR-RPTP군은 신경세포의 성장 및 시냅스 발달에 깊이 관여하는 것으로 알려졌다. MDGA군은 아직 핵심 기능조차도 명확히 파악되지 않았다. 

2018년 고 교수는 엄지원 DGIST 뇌·인지과학전공 교수팀과 공동으로 PTPσ가 세포 내부와 외부에 있는 다양한 단백질과 상호작용해 시냅스 신호전달을 매개할 뿐만 아니라 시냅스 생성에도 필수적인 역할을 한다는 사실을 밝혀 국제학술지 ‘신경과학저널’ 7월 25일자에 발표했다. doi: 10.1523/jneurosci.0672-18.2018 

고 교수는 “뉴렉신의 상동유전자가 예쁜꼬마선충에서 발견되는 것처럼 PTPσ도 예쁜꼬마선충에서 확인될 만큼 진화적으로 보전돼 있다”며 “PTPσ가 뉴렉신과 비슷하거나 더 중요한 기능을 가진 것으로 예상하고 연구를 진행하고 있다”고 밝혔다. 

새로운 단백질을 발굴하거나 단백질의 기능을 연구할 때는 주로 특정 유전자가 작동하지 못하도록 아예 제거한 녹아웃(knockout) 쥐나 특정 유전자의 발현을 낮춘 녹다운(knockdown) 쥐를 사용한다. 

고 교수팀은 이런 쥐들을 직접 제작해 연구에 활용하고 있다. 시냅스 접착 단백질의 경우 생명 유지나 뇌 기능에 결정적인 역할을 하는 경우가 많아, 이들 단백질을 완전히 없앤 녹아웃 쥐들의 경우 생존조차 어려워 연구에 활용하기가 쉽지 않다. 고 교수팀은 우선 쥐를 성체로 키운 뒤 필요한 유전자의 발현을 없애는 작업을 진행한다. 

고 교수는 “현재까지 시냅스 접착 단백질 연구를 위해, 녹아웃 쥐와 녹다운 쥐 등 형질전환 쥐 총 30여 종을 제작했다”며 “이들을 활용해 시냅스 접착 단백질과 시냅스 생성의 비밀을 밝힐 것”이라고 말했다.