뇌 속 신경전달물질 주머니 크기 조절인자 최초 발견

[이데일리 이순용 기자] 가톨릭대(총장 원종철) 의생명과학과 박대훈 교수 연구팀이 미국 예일대학교 의과대학, 스페인 CSIC-UNH와의 국제 공동연구를 통해 시냅토파이신 단백질이 뇌 속 신경전달물질 주머니인 시냅스 소낭의 크기를 조절한다는 사실을 세계 최초로 밝혔다.

이번 연구로 신경생물학 분야에서 40년간 난제였던 시냅토파이신의 기능이 규명돼 향후 뇌의 정상적 기능 조절에 가장 기초적인 시냅스 소낭 연구 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 한국·미국·스페인 3개국의 협업으로 진행된 이번 연구 결과는 생명과학 및 다학제간 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘PNAS(미국 국립과학원회보)’ 10자 온라인판에 게재되며, 연구의 우수성을 인정받았다.

정상 쥐(왼쪽)와 시냅토파이신을 비롯한 시냅스 소낭 연관 단백질(synaptoporin, synaptogyrin1, synaptogyrin3)을 모두 녹아웃(knock-out)한 쥐의 실제 뇌 속 신경세포 시냅스 모습으로, 4가지 단백질이 모두 제거됐을 때, 정상 쥐에 비해 매우 큰 사이즈의 시냅스 소낭(빨간색 화살표)이 만들어지는 것을 볼 수 있다.

뇌 속 신경세포 간의 원활한 커뮤니케이션이 이뤄지기 위해서는 신경전달물질이 보관된 작은 주머니인 ‘시냅스 소낭(synaptic vesicle)’의 역할이 매우 중요하다. 시냅스 소낭은 자극을 받으면 가지고 있는 신경전달물질을 세포막 밖으로 분비해 다음 신경세포로의 신호전달을 일으킨다. 이와 같은 시냅스 소낭의 표면에는 ‘시냅토파이신(synaptophysin)’을 비롯해 자극 조절에 영향을 끼치는 수많은 단백질들이 존재하는 것으로 알려져 있다.

시냅토파이신은 시냅스 소낭에 존재하는 대표적인 단백질로, 수많은 종류의 시냅스 소낭 단백질들 중에서도 발현양이 매우 높다. 하지만 최근까지 이러한 시냅토파이신이 신경세포 내에서 어떤 기능을 수행하는지는 명확하게 밝혀지지 않았다. 박대훈 교수를 포함한 국제 공동연구팀은 2021년과 2023년에 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재된 비신경세포를 이용한 신경세포 모사 기술을 바탕으로, 시냅토파이신을 비롯한 시냅스 소낭 연관 단백질(synaptoporin, synaptogyrin1, synaptogyrin3) 들이 공통적으로 시냅스 소낭 형성에 중요한 역할을 담당할 것이라는 단서를 얻어 연구를 진행했다.

연구 결과, 시냅토파이신을 비롯한 시냅스 소낭 연관 단백질이 모두 없어진 쥐의 뇌에서 시냅스 소낭들의 크기가 극적으로 커지는 것으로 나타나, 해당 단백질들이 시냅스 소낭의 크기 조절에 직접적으로 관여한다는 사실이 밝혀졌다.

가톨릭대 의생명과학과 박대훈 교수는 “이번 연구 결과를 통해 뇌의 정상적인 기능에 가장 기본적으로 요구되는 시냅스 소낭의 형성 기전을 보다 잘 이해할 수 있게 되었다”며 “시냅스 소낭 내부로 신경전달 물질을 충전하는 메커니즘은 물론, 여러 신경계 기능 이상과의 연관성도 밝힐 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.