“뇌 신경회로를 구성하는 분자암호를 밝혔다”시냅스 유전자 마이크로 엑손에 의한 흥분성 시냅스 특성과 기억 인지 조절 기전 발견
(왼쪽부터) 고재원 교수, 한경아윤택한 박사- DGIST 고재원 교수 연구단, 시냅스 접착단백질 LAR-RPTP에 의한 신경회로 신호패턴을 구성하는 분자암호인 마이크로엑손 발굴- 단백질 복합체를 대상으로 하는 신규 뇌질환 치료제 개발에 중요한 단서 제공할 것으로 기대돼DGIST(총장 이건우) 뇌과학과 시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단 (센터장: 고재원)은 뇌 신경회로를 구성하는 분자암호를 프로파일링하고, 이 분자암호가 특정 흥분성 시냅스 특성을 조절하여 새로운 사물 위치 기억에 관여함을 발견했다고 27일(화) 밝혔다. 특정 흥분성 시냅스 특성을 정교하게 조율하여 관련 뇌발달 장애 치료제 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.시냅스는 두 신경세포 간의 특수한 연결 부위로, 뇌 기능의 기본 단위이다. 시냅스 단백질은 이러한 연결 부위에서 신경정보를 전달하며, 신경회로를 조절하는 역할을 한다. 특히, 이번 연구에서 집중한 시냅스 접착단백질은 뇌 발달 및 기능에 큰 영향을 미치는 핵심 요소이다.과거에는 시냅스 접착단백질이 어떻게 결합하고, 이 결합을 어떻게 조절하는지에 대해 명확한 이해가 부족했다. 특히, 이러한 단백질이 뇌의 다양한 부분에서 어떤 원리로 작용하며, 뇌 기능에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 정보가 부족했다.고재원 교수 연구팀(시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단)은 2011년 이후 시냅스 접착 단백질을 중점적으로 연구해왔다. 특히, 전시냅스 접착단백질인 LAR-RPTP 단백질군의 작용 원리와 구조에 대한 연구를 수행해왔다. 이전 연구에서는 특정 마이크로엑손의 상호작용과 구조에 대한 기초를 마련하였으나, 이들이 뇌의 다양한 부분에서 어떻게 작용하는지는 명확하게 알려지지 않았다.본 연구에서는 RNA 시퀀싱(RNA-seq)을 통해 LAR-RPTP 유전자의 핵심 마이크로엑손 두개가 다양한 뇌 영역과 세포 타입, 신경회로에서 어떻게 발현되는지 분석했다. 특히, 기억과 관련된 활동에서 특정 마이크로엑손 레벨의 급증이 관찰되어, 실험쥐가 새로운 환경에 대한 정보를 학습할 때 LAR-RPTP 단백질에 의한 시냅스 접착 경로가 변형됨을 확인했다. 이로써 LAR-RPTP 단백질에 의한 시냅스 접착 경로를 통해 뇌의 특정 기능을 조절할 수 있다는 가능성을 시사했다.LAR-RPTP 단백질은 기존 연구를 통해 다양한 뇌질환들과 연관되어 있는 것으로 확인되었다. 특히, 신경계 유전자들의 마이크로엑손은 기능에 이상이 생길 경우 자폐와 같은 뇌발달 질환을 유발할 수 있다. 본 연구에서 규명한 바에 따르면, 신경회로 특이적 마이크로엑손 변화에 의한 사물 위치 기억 저하는 이러한 뇌발달 질환과 관련이 있을 수 있다. 따라서, 본 연구결과는 LAR-RPTP 마이크로엑손과 연관된 다양한 후시냅스 단백질 복합체를 대상으로 한 신규 뇌질환 치료제 개발에 중요한 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.고재원 연구단장은 본 연구는 핵심 시냅스 조절자인 LAR-RPTP가 실제로 다양한 신경회로 맥락에서 마이크로엑손 분자암호를 활용하여 특정 시냅스 특성을 조절하는지에 대한 핵심단서를 제공한 최초의 논문이다라며, 해당 마이크로엑손 레벨을 정교하게 조절하는 분자 기전을 규명하기 위한 후속연구를 진행하고 있다라고 밝혔다.한편, 이번 연구성과는 DGIST 뇌과학과 한경아 연구교수, 윤택한 박사(뇌과학과 석박사통합과정 졸업)가 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 전문학술지 네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications) [영향력 지수: 16.6]에 2월 22일자로 온라인 게재됐다. 아울러 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구사업, 세종과학펠로우쉽, 그리고 대구경북과학기술원의 미래선도형특성화연구 등의 지원을 받아 수행됐다.연구결과개요Specification of neural circuit architecture shaped by context-dependent LAR-RPTP microexonsKyung Ah Han, Taek-Han Yoon, Jinhu Kim, Ju Sung Lee, Ju Yeon Lee, Gyubin Jang, Ji Won Um, Jong Kyung Kim and Jaewon Ko(Nature Communications, 22th February, 2024)LAR-RPTPs are evolutionarily conserved presynaptic cell-adhesion molecules that orchestrate multifarious synaptic adhesion pathways. Extensive alternative splicing of LAR-RPTP mRNAs may produce innumerable LAR-RPTP isoforms that act as regulatory codes for determining the identity and strength of specific synapse signaling. However, no direct evidence for this hypothesis exists. Here, using targeted RNA sequencing, we detected LAR-RPTP mRNAs in diverse cell types across adult male mouse brain areas. We found pronounced cell-typespecific patterns of two microexons, meA and meB, in Ptprd mRNAs. Moreover, diverse neural circuits targeting the same neuronal populations were dictated by the expression of different Ptprd variants with distinct inclusion patterns of miniexons. Furthermore, conditional ablation of Ptprd meA+ variants at presynaptic loci of distinct hippocampal circuits impaired distinct modes of synaptic transmission and xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-objection-location memory. Activity-triggered alterations of the presynaptic Ptprd meA code in subicular neurons mediates NMDA receptor-mediated postsynaptic responses in CA1 neurons and xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-objection-location memory. Our data provide the evidence of cell-type- and/or circuit-specific expression patterns in vivo and physiological functions of LAR-RPTP microexons that are dynamically regulated.연구결과문답Q. 이번 성과 무엇이 다른가본 연구는 LAR-RPTP 단백질과 다양한 리간드 단백질들과의 결합을 조절하는 기전으로 알려진 대체 스플라이싱을 매개하는 마이크로엑손 발현을 세계 최초로 다양한 뇌영역, 세포 타입, 그리고 신경회로 별로 체계적으로 프로파일링한 연구임. 특히 LAR-RPTP 단백질군 중 PTP의 특정 마이크로엑손이 해마 CA1 영역 내 서로 다른 신경회로에서 특정 흥분성 시냅스 특성을 조절하고, 신규 사물 위치를 기억하는 인지 활동에 관여함을 확인함.Q. 어디에 쓸 수 있나본 연구에서 심화연구했던 PTP 마이크로엑손 관련 생쥐모델과 유사한 형질전환생쥐들을 추가 제작하여 해마 외 다른 뇌영역에서도 유사한 방식으로 분자 암호로 작동하는지 중요한 가이드라인이 될 수 있음.Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는본 연구는 기초연구과제로 실용화를 현재 단계에서 가늠하기는 어려움Q. 연구를 시작한 계기는본 연구단은 지난 10여년간 LAR-RPTP 단백질군의 시냅스 기능을 지속적으로 연구하여 2013 PNAS, 2014 Nat Commun, 2015 PNAS, 2018 J Neurosci, 2020 J Neurosci, 2020 iScience 등의 국제학술지에 관련 내용을 보고하였음. 기존 연구를 통해 LAR-RPTP 단백질군에 의한 시냅스 접착경로를 조절하는 핵심 기전인 선택적 스플라이싱의 심화연구 필요성이 강하게 대두되었음. 2018년 연구단에 박사과정으로 합류한 윤택한 박사가 DNA-PAGE 기법을 최적화하여 RNA-seq 결과를 신뢰도 높게 해석하는 것이 가능하게 되었음. 이를 바탕으로 연구단이 기존에 보유하던 PTP 관련 낙아웃 및 낙인 생쥐를 활용하여 신경회로 특이적으로 PTP 마이크로엑손을 삭제한 효과를 분석할 수 있었음.Q. 어떤 의미가 있는가LAR-RPTP 단백질군은 Neurexin 단백질과 함께 전시냅스 신경세포에서 시냅스 조직을 관장하는 핵심 접착단백질임. 해당 인자가 다양한 후시냅스 접착단백질들과 신경회로 특성을 결정하는데 관여할 것으로 예상되어진 마이크로엑손이 분자암호임을 증명하고, 그 생리학적 중요성을 실제 in vivo 수준에서 최초로 규명한 연구임. LAR-RPTP 단백질 군 내 서로 다른 단백질들의 마이크로엑손의 다양한 발현 패턴 확인은 해당 분자 암호가 뇌복잡성을 설명할 수 있는 핵심 단서가 될 수 있음을 강하게 시사함.Q. 꼭 이루고 싶은 목표는시냅스 조직화를 구성하는 핵심 인자들을 중심으로 다양한 신경회로/시냅스의 특성을 통합적으로 결정하는 핵심 분자 법칙들을 규명하고자 함.그림설명[그림 1](그림설명)해마 이행부에서 해마 CA1 영역으로 연결되는 신경회로에서 PTP의 특정 마이크로엑손(meA)을 해마 이행부 전시냅스 신경세포에서 삭제시키면 해마 CA1 후시냅스 신경세포의 NMDA 수용체 활성이 증가함. 또한 이러한 NMDA 수용체 활성 변화로 신규 사물 위치를 기억하는 인지 변화가 매개됨. 동물에 특정 공포기억 자극을 가하면 PTP의 meA 마이크로엑손을 포함한 스플라이싱 변이(splicing variant)가 증가하며, 이를 통해 후시냅스 접착단백질과의 시냅스 신호전달 경로가 변경되어 특정 신경회로 내 시냅스 특성을 조절함. 즉, meA 마이크로엑손은 LAR-RPTP 전시냅스 접착단백질이 시냅스/신경회로/특정 행동을 조절하는 핵심 분자암호임.[그림2]뇌 신경회로를 구성하는 분자 암호를 밝혔다 [본 이미지는 Chat GPT 4.0에 의해 생성됨
2024. 2. 28