시냅스 관찰·조절 기술 총망라한 연구 지침서 제작
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 강봉균 단장, 이상규 연구위원, 비노드 티말시나(Binod Timalsina) 박사후연구원은 뇌 시냅스(Synapse) 관찰 및 조절 기술들을 집대성한 ‘시냅스 연구 종합지침서’를 발표했다. 시냅스는 뇌 기능 및 질환의 핵심 요소로 꼽히는 만큼, 시냅스 분야를 비롯한 뇌 연구 전반에 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다.
사고, 감정, 기억을 관장하는 뇌의 놀라운 능력은 약 860억 개의 신경세포들이 정교하게 연결되어 정보를 주고받는 복잡한 네트워크에서 비롯된다. 이 소통의 핵심인 시냅스는 600조 개나 존재하지만 정확한 역할 및 구조는 미지의 영역으로 남아있다. 이를 규명하기 위해서는 뇌 속 시냅스의 위치와 특성을 분석하고 각 시냅스의 기능을 조절하는 기술이 필요하다. 최근 형광단백질 기술의 발전으로 시냅스의 미세 구조를 탐구할 수 있는 첨단 기술들이 개발됐다. 그러나 이 기술들은 작동 원리가 제각기 달라 각 연구 목적에 맞는 정보를 얻기 위한 최적의 기술 선택에 어려움이 있었다. 시냅스 관찰과 조절을 동시에 할 수 없다는 한계도 있었다.
연구팀은 현존하는 주요 시냅스 관찰 기법을 원리와 특징에 따라 3가지로 분류(△시냅스 연결 기반 신경세포 표지 기술, △시냅스 내 분자 선택적 표지 기술, △전시냅스와 후시냅스 접촉면 표지 기술)하여, 각 기술의 장점과 한계를 체계적으로 분석하고 발전 가능성을 진단하였다. 나아가 시냅스의 기능을 빛으로 조절할 수 있는 최신 광유전학 기술들을 소개하며 시냅스 관찰과 조절 연구 분야 간 시너지 가능성을 제시하였다. 요컨대 시냅스 관찰·조절 기술의 표준을 마련하고 발전 방향을 제시한 것이다.
연구팀은 시냅스 연구의 선두주자로서, 혁신적 기술들을 개발하여 학계의 주목을 받고 있다. 학습-기억 연구 분야 세계적 석학인 강봉균 단장은 특정 기억과 연관된 시냅스(Engram synapse)를 분석할 수 있는 ‘듀얼-이그라스프(dual-eGRASP)’기술을 개발(Science, 2018)함에 이어, 기억 형성-유지-소멸 과정에서 시냅스의 역할 연구를 활발히 진행하고 있다. 이상규 연구위원은 시냅스의 역동적 변화를 살아있는 동물의 뇌에서 실시간 관찰할 수 있는 ‘시냅샷(SynapShot)’기술을 개발했다(Nature Methods, 2024). 연구진은 이러한 성과를 기반으로 기존 기술들의 장점을 융합하고 단점은 보완한 차세대 시냅스 분자기술 연구를 수행할 계획이다.
교신저자인 강봉균 단장은 “시냅스 기능과 관련 질환의 미스터리를 풀어내는 연구 발전에 기여하길 바란다”며 “시냅스의 구조와 기능을 관찰하는 동시에 기능을 제어할 수 있는 올인원(all-in-one) 시스템 개발에 박차를 가할 것”이라 전했다.
이상규 연구위원은 “앞으로 우리나라가 시냅스 관찰 및 조절 연구 분야에서 세계를 선도할 수 있도록 노력해 나갈 것”이라 전했다.
이번 연구 결과는 뇌과학 총설 분야 최고 권위지인 ‘네이처 리뷰 뉴로사이언스(Nature Reviews Neuroscience, IF 37.4)’ 8월호에 게재됐다.
논문/저널/저자
Advances in the labelling and selective manipulation of synapses / Nature Reviews Neuroscience (2024)
Binod Timalsina, 이상규, 강봉균
연구내용 보충설명
형광단백질을 활용한 시냅스 표지 기술은 크게 3가지로 분류될 수 있다 (그림 1). 첫 번째는 특정 시냅스로 연결된 신경세포 자체를 표지하는 것이고, 두 번째는 시냅스 안의 분자를 선택적으로 표지하는 방법이다. 세 번째는 전시냅스(Pre-synapse)와 후시냅스(Post-synapse)가 맞닿아 있는 접촉면을 표지하는 방식으로 본 논문에서 자세히 각 기술의 특징 및 한계점을 기술하였다.
연구 이야기
[연구 과정] 지난 십수 년간 개발된 다양한 시냅스 관찰 및 조절 연구 기술들이 각기 다른 정보를 제공해 연구자들의 선호도가 달랐다. 이에 시냅스 연구의 미래 표준이 될 기술의 특성을 고민하며 이번 연구를 시작하게 되었다.
[어려웠던 점] 시냅스 관찰 및 조절 기술은 관련 연구가 워낙 방대하기 때문에 연구 자료를 수집하는 작업에 많은 시간이 소요되었다. 다양한 작동 원리와 생체 모델을 가진 기술들을 체계적으로 분류하고 장단점을 분석하는 과정에서 수많은 논의를 거쳤다. 논문 초안 작성 후에도 끊임없는 수정과 검토를 통해 완성도를 높일 수 있었다.
[성과 차별점] 이 연구는 시냅스 연구에 핵심적인 기술들을 총망라하고 체계적으로 분석함으로써, 앞으로의 기술 발전 방향을 제시하고, 아직 밝혀지지 않은 시냅스의 중요한 기능을 규명하는 데 있어 중요한 지침서 역할을 할 것으로 기대한다.
[향후 연구계획] 현재까지 특정 시냅스의 구조와 기능을 정확히 관찰하면서 동시에 그 기능을 제어할 수 있는 올인원(all-in-one) 시스템은 개발되지 않았다. 우리는 기존 기술들의 장점을 융합하고 단점을 보완하여 차세대 시냅스 분자기술 연구를 진행할 계획이다.
[그림 1] 빛을 이용한 시냅스 관찰 및 조절 기법 [사진=기초과학연구원]
현재까지 개발된 시냅스 관찰 기술은 세 가지(a-c) 주요 카테고리로 나눌 수 있다.
a) 시냅스 연결 기반 신경세포 표지 기술
: 이 방법은 서로 연결된 신경세포들을 형광단백질로 표지한다. 시냅스를 형성하는 두 신경세포가 각각 다른 색으로 표지되어, 어떤 세포들이 서로 연결되어 있는지 한눈에 파악할 수 있다.
b) 시냅스 내 분자 선택적 표지 기술
: 시냅스 내부의 특정 단백질이나 구조물만을 선택적으로 형광 표지한다. 이를 통해 시냅스의 미세 구조와 구성 요소, 활성도 등을 자세히 관찰할 수 있다.
c) 전시냅스(pre-synapse)와 후시냅스(post-synapse) 접촉면 표지 기술
: 신경세포 간 정보 전달이 일어나는 시냅스의 정확한 위치를 표지한다. 전달하는 쪽(전시냅스)과 받는 쪽(후시냅스)의 접촉 지점이 밝게 빛나는 것을 볼 수 있다. 그리고 시냅스 표지 기술과 광유전학 기술을 적절히 융합하게 되면 특정 시냅스의 기능을 조절할 수도 있다.
d) 선택적 시냅스 기능 조절 기술
: 광유전학 기술을 활용하여 특정 시냅스의 활성을 조절한다. 빛을 이용해 시냅스 기능을 조절하여, 특정 시냅스의 기능을 실시간으로 제어하고 그 영향을 관찰할 수 있다.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(기초과학연구원) 등록 2024.09.11