KAIST·존스홉킨스의대·IBS 연구팀, '네이처 메쏘드' 온라인판 게재
살아있는 동물 기억단위 시냅스의 형성·변화 실시간 관찰에 성공
시냅스 변화 따른 뇌 기능·질환 원인 규명에 핵심적 역할 기대
우리 뇟속에는 약 860억개의 신경세포 간 신호를 주고받으며 인지, 감정, 기억 등과 같은 다양한 뇌 기능을 조절토록 돕는 600조 개에 달하는 시냅스가 존재한다. 노화나 알츠하이머병과 같은 질병 상황에서 시냅스가 감소하는 것으로 알려지면서 관련 연구가 주목받고 있지만 아직 시냅스의 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 데에는 한계가 있다.
허원도 KAIST 교수팀(생명과학과), 권형배 존스홉킨스의대 교수팀, 이상규 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 박사팀이 세계 최초로 시냅스의 형성과 소멸 및 변화를 실시간으로 관찰하는 기술 개발에 성공했다.
허원도 교수팀은 형광 단백질(dimerization-dependent fluorescent protein·ddFP)을 시냅스와 결합시켜 신경세포 간의 시냅스 연결 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술은 시냅스(Synapse)와 스냅샷 (Snapshot)을 조합해 '시냅샷'(SynapShot)으로 명명했으며, 기존에는 구현하기 어려웠던 시냅스 형성과 소멸, 역동적인 변화 과정을 실시간으로 추적하고 관찰할 수 있다. .
허원도 교수팀과 이상규 박사팀은 공동연구를 통해 초록과 빨강 형광을 띠는 시냅샷을 디자인해 두 개의 서로 다른 신경세포와 연결된 시냅스를 쉽게 구별해 관찰이 가능토록 했다. 또 빛으로 분자의 기능을 조절할 수 있는 광유전학 기술과 융합해 신경세포의 특정 기능을 빛으로 조절함과 동시에 시냅스의 변화를 관찰했다.
허원도 교수팀은 권형배 교수팀과의 공동연구에서는 살아있는 생쥐에게 시각적 구별 훈련, 운동 및 마취 등 여러 상황을 유도하고 각 과정에서 시냅스의 변화를 실시간으로 관찰해 각각의 시냅스가 상당히 빠르고 역동적으로 변화될 수 있음을 확인했다. 이는 살아있는 포유류의 시냅스 변화를 최초로 관찰한 결과다.
이상규 박사(공동교신저자)는 "이 기술은 생애주기별 시냅스의 형성, 소멸 과정의 역동성이 어떻게 조절되는지를 밝히고, 이런 과정에 문제가 생겼을 때 어떻게 뇌 발달 장애 및 퇴행성 뇌 질환 등으로 이어질 수 있는지 원인을 규명하는데 중요한 역할을 할 것"이라고 설명했다.
허원도 교수(교신저자)는 "우리 연구팀이 국내외 연구팀과 공동연구를 통해 시냅샷 기술로 과거에는 구현하기 어려웠던 시냅스의 빠르고 역동적인 형성과 변화를 직접 관찰할 수 있는 가능성을 열었다"면서 "이 기술은 뇌과학 연구분야의 연구방법론에 혁신을 가져올 것으로 예상되며 뇌 과학의 미래를 밝히는 중요한 역할을 할 것으로 기대된다"고 강조했다.
손승규·이진수 KAIST 박사과정(생명과학과), 정강훈 존스홉킨스의대 박사가 공동 제1저자로 수행한 이번 연구는 저명 국제학술지 <네이처 메쏘드>(Nature Methods·IF=47.99) 8일자 온라인판에 게재됐으며, 2월호 인쇄판에 게재될 예정이다. 논문 제목은 'Real-time visualization of structural dynamics of synapses in live cells in vivo'(DOI: 10.1038/s41592-023-02122-4).
이번 연구는 KAIST 중견연구자지원, 특이점 사업과 기초과학연구원(IBS)의 지원을 받아 수행됐다.
