대구경북과학기술원(DGIST)은 뇌·인지과학전공 고재원 교수, 미국 콜로라도 의과대학 오원찬 교수 공동 연구팀이 뇌신경회로 내 특정 억제성 시냅스 활성을 조율하는 핵심 신호 기전을 발견했다고 23일 밝혔다.

DGIST에 따르면 시냅스는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 구분되는데, 이들 시냅스는 뇌기능이 정상적으로 작동할 수 있도록 서로 협력하며 신경회로 네트워크의 균형을 유지한다. 뇌의 수많은 시냅스는 뇌의 영역, 신경회로별로 다양한 특성을 갖고 있는 것으로 알려져 있지만, 동일한 뇌 영역 내 비슷한 기능을 이행하는 서로 다른 신경회로의 고유한 특성을 결정하는 분자 기전에 대해선 잘 알려지지 않았다.

고재원 교수팀은 지난 2013년 이후 억제성 시냅스의 브레이크 역할을 하는 ‘MDGA1’을 발굴하고 관련 기능을 꾸준히 연구해왔다. 2017년에는 카이스트 공동 연구팀과 함께 MDGA1과 억제성 시냅스 접착단백질인 ‘뉴로리긴2’ 복합체의 구조를 결정해 뉴론(Neuron)지에 보고하기도 했다. 하지만 기존 연구들은 대부분 배양세포 수준에서 이뤄져 실제 생체 내 시냅스에서 해당 연구 결과가 재현될 지 여부는 알 수 없었다.

이번 연구에선 MDGA1 단백질을 성체 생쥐의 해마의 소영역인 CA1에서 과발현 혹은 삭제해, 실제 MDGA1 단백질이 억제성 시냅스에서 음성적 역할을 하는 것을 재확인했다. 특히 뉴로리긴2와 결합하지 못하는 MDGA1 단백질도 여전히 억제성 시냅스 발달을 억제하며, 기존에 기능이 잘 알려지지 않았던 특정 부위(MAM 도메인)가 관여함을 알게 됐다. 이는 MDGA1 단백질이 기존에 제안된 분자 기전이 아닌 다른 방식으로 작동할 가능성을 시사하는 것이다.

해마 CA1 영역 내 흥분성 신경세포는 세포체와 수상돌기에서 각각 서로 다른 억제성 신호를 받게 된다. 억제성 신경세포에서 발현하는 APP 단백질은 이 두 가지 억제성 신호를 전달해 흥분성 신경세포가 정상적으로 작동하는데 필요한 인자인데, 이 때 MDGA1는 수상돌기 내 형성되는 억제성 시냅스에서만 특이적으로 APP 기능을 조율함을 알게 됐다. 또 MDGA1-APP 복합체 균형이 망가지면 억제성 시냅스 신경전달이 비정상적으로 변형되고, 생쥐의 신규 사물 기억 인지 능력도 저해된다는 점을 발견했다.

고재원 DGIST 교수는 “본 연구는 실제 동물 생체 내 시냅스에서 MDGA1 단백질이 해마 억제성 신경회로를 정교하게 조율하는 과정을 확인한 최초의 논문”이라고 말했다.

이 연구에는 DGIST 뇌·인지과학전공 김진후, 김승준 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원회보’에 1월 19일자로 온라인 게재됐다.