잔가지를 잘라준 나무는 더 튼튼하게 자란다. 뇌에서도 비슷한 일이 일어날 수 있을까. 기초과학연구원(IBS) 기억 및 교세포 연구단과 한국뇌연구원 등 한국 공동연구팀이 원하는 시냅스만 골라 제거해 뇌 회로를 재구성하는 ‘신트로고(SynTrogo)’ 기술을 개발했다. 시냅스란 뇌 속 신경세포가 서로 연결되는 접합부를 뜻하는데, 나무의 가지치기처럼 불필요한 시냅스를 줄였더니 오히려 기억력이 좋아졌다는 것이다.

뇌는 수조 개의 신경세포로 이뤄진 신경 회로로 구성된다. 기억과 감정, 판단 등 모든 인지 과정이 이 회로에서 비롯되지만, 시냅스 단위로 신경 회로를 편집하는 기술은 불가능에 가까웠다. 연구팀은 면역세포가 상대 세포의 일부를 뜯어내 제거하는 현상에서 실마리를 찾았다. 

뇌속 가지치기 기술의 핵심은 신경세포가 아닌 ‘별세포(Astrocyte)’다. 별세포는 신경세포와 함께 뇌를 구성하는 세포다. 이전에는 신경세포에 영양을 전달하는 등 보조적 역할을 한다고 알려졌지만, 최근 시냅스 편집 등 신경세포 조절에도 깊게 관여하는 것으로 알려졌다. 

별세포가 원하는 시냅스만 제거하려면 별세포와 시냅스가 결합하도록 만들어야 한다. 이를 위해 먼저 연구팀은 신경세포의 시냅스 표면에 형광단백질(GFP)이 발현되도록 유전자를 편집했다. 이후 별세포에는 GFP에 결합하는 수용체를 달아 두 세포가 강하게 결합하도록 유도했다. 별세포가 신경세포 전체를 해치지 않고 목표한 시냅스만 물어 제거하기 위함이다. 

 

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시냅스 주위를 둘러싸고 있는 별세포는 신경전달물질과 이온 농도 등을 조절한다.

그 결과 별세포가 표적 시냅스만 정밀하게 뜯어내는 데 성공했다. 생쥐 해마에 신트로고 기술을 적용하자 생쥐 해마 속 시냅스의 밀도가 약 27% 감소했다. 흥미로운 점은 살아남은 시냅스들의 경우 크기가 커지고 기능이 대폭 강화됐다는 점이다. 전자현미경 분석 결과, 남은 시냅스에서는 신경전달물질 수와 미토콘드리아 부피가 늘었다. 가지치기를 한 나무처럼 양적 감소가 질적 향상으로 이어진 것이다.

인지 기능 향상도 동물실험으로 입증됐다. 신트로고 기술로 시냅스 편집이 진행된 생쥐는 약한 자극으로 형성된 공포 기억을 더 선명하고 오래 유지했으며, 기억을 제거한 뒤에는 새로운 기억으로 유연하게 대체하는 능력도 향상됐다.

연구팀은 이 기술이 시냅스 이상으로 발생하는 조현병·자폐증 등 질환 치료의 새로운 플랫폼이 될 것으로 기대했다. 이상규 IBS 차세대연구리더는 “신경세포 편집 시대의 기술적 근간이 될 것”이라고 보도자료를 통해 전했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 4월 15일 게재됐다. doi: s41467-026-71440-w
 

별세포의 ʻ시냅스 가지치기’ 과정

기초과학연구원(IBS) 연구팀은 신트로고 기술을 통해 별세포가 시냅스의 일부를 뜯어내도록 유도했다. 별세포는 시냅스의 일부 물질을 제거했으며, 이로 인해 남은 시냅스의 기능과 가소성이 증가했다. 수용체의 개수 또한 늘어났다.

 

자료:  Nature Communications