건강보조품 타우린, 알츠하이머병 치료 효과 밝혀 - KIST 뇌과학연구소 타우린의 알츠하이머병 치료 효능 증명 - 식음료 통해 섭취가능한 타우린으로 인지 능력을 정상 수준으로 회복 - 알츠하이머병의 원인 단백질 억제하고 기억 담당 뇌세포를 활성화 고령화 시대 대표적 질환인 알츠하이머병은 치매의 60~80%를 차지할 정도로 치매 중 가장 흔한 퇴행성 뇌 질환이다. 그러나 치료 방법이 없어 약 10년여에 걸쳐 진행되는 투병기간동안 증상이 악화되어 결국 사망에 이르게 된다. 알츠하이머 치료제 개발은 오랜 치료기간동안 약물 투약이 필요하기 때문에, 쉽게 섭취할 수 있고 부작용이 적으며 체내에 들어갔을 때 안정성이 뛰어나야 한다. KIST 연구진이 건강보조품에 함유되어 있는 타우린이 알츠하이머병 치료에 도움이 된다는 것을 밝혔다. 타우린과 알츠하이머병의 관계를 밝힌 것은 세계적으로 처음 발견된 사실이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 김영수 박사 연구팀은 경구로 투약한 타우린이 알츠하이머병을 유발하는 베타아밀로이드 단백질을 억제하고 인지 기능을 담당하는 뇌 부위의 신경교세포를 활성화하여 기억력 감퇴와 인지능력 저하 등의 경증 치매 증상을 치료할 수 있다고 밝혔다. 타우린은 항산화활성, 피로회복 및 혈압안정에 효과가 있다고 알려진 물질로 어폐류나 자양강장제와 같은 식음료로 손쉽게 섭취가 가능하다. 연구 결과는 ‘Scientific Reports’ 12월 13일 ‘Taurine in drinking water recovers learning and memory in the adult APP/PS1 mouse model of Alzheimer’s disease’라는 제목으로 게재되었다. 연구팀은 알츠하이머병의 원인 단백질로 알려진 베타아밀로이드와 다양한 신경전달물질 간의 상호 반응을 조사했고, 뇌에 고농도로 존재하는 타우린이 베타아밀로이드를 직접적으로 조절한다는 연구김결과를 도출했다. 이 결과를 바탕으로 식수에 매일 30mg의 타우린을 녹인 후 알츠하이머병에 걸린 생쥐에게 3개월간 먹인 후 뇌기능의 변화를 관찰했다. 그 결과 미로찾기(Y-maze)와 수동회피 반응(passive avoidance)* 시험에서 타우린을 섭취한 알츠하이머 마우스의 인지 기능이 정상 수준으로 회복됨을 확인하였다. 또한 알츠하이머병이 진행되면 나타나는 증상인 대뇌의 피질 염증이 줄어들었을 뿐 아니라, 뇌의 해마부위에서 나오는 베타아밀로이드 양도 줄어들어 기억력과 연관이 높은 신경교세포가 활성화된다는 것을 확인할 수 있었다. ※ 미로찾기(Y-maze)와 수동회피 반응(Passive Avoidance, 전기 충격을 주고 다음날 기억여부를 검사하는 시험): 생쥐의 기억력과 학습력을 검사하는 데 일반적으로 쓰이는 테스트 기법 주목할 만한 특징은 타우린의 뇌 기능 개선 효과가 알츠하이머병에 선택성을 보인다는 점이다. 기존에 쓰이던 알츠하이머 치료 약물이 정상적인 생쥐에게는 비이상적 뇌 기능을 유발했던 점과 달리 타우린은 정상 생쥐에게는 비이상적 뇌 기능을 유도하지 않았다. 타우린이 가진 추가적 장점은 타우린이 뇌의 혈관장벽으로 투과되기 쉬워 경구로 섭취해도 뇌에서 흡수가 잘 되는 물질이라는 점이다. 이런 이유로 별도의 복잡한 투약절차없이 식수 등 음식으로 타우린을 섭취해도 효과가 높다. 타우린은 인체에 무해할 뿐 아니라, 이미 피로 회복, 항산화 작용, 중추신경 발달 등의 효능이 알려져 있어 다양한 건강보조식품에 함유되어 있다. 간질환 및 심장 질환을 치료하는 약물로도 쓰이고 있어 손쉽게 섭취가 가능하다. 이번 연구 결과를 토대로 김영수 박사 연구팀은 타우린의 화학 구조를 변형하여 약효가 증진된 신물질을 합성해 알츠하이머병을 근원적으로 치료할 수 있는 신약을 개발할 예정이다. 또한 김박사 팀이 별도로 진행하고 있는 알츠하이머병 혈액기반 진단시스템 개발 사업과 연계하여 알츠하이머병의 진단과 치료 두 마리 토끼를 모두 잡는다는 계획이다. 본 연구는 KIST 뇌과학연구소 플래그쉽사업의 일환으로 추진되었으며 미국 MIT 대학 및 과학기술연합대학원대학교(UST)의 인턴쉽사업의 지원으로 수행되었다. KIST 김영수 박사는 “이번에 발견한 타우린의 알츠하이머병 치료 효능을 신약 개발에 적용하면 인체 친화적이고 부작용이 없으며 효능이 우수한 치료제를 개발할 수 있을 것으로 보인다”며, “본 연구의 결과를 토대로 알츠하이머병의 병리학적 원인 규명 및 근원적 치료제 개발 연구에 더욱 박차를 가할 예정”이라고 말했다. <관련자료> KIST 뇌과학연구소 김영수 박사 <그림1 > 타우린에 의한 알츠하이머병 치료 효과 알츠하이머병이 유발된 유전자이식 마우스에 타우린을 투약한 결과 인지 기능 행동 시험에서 기억력과 학습능력이 정상 수준으로 회복 되었음. <그림 3> 타우린에 의한 기억 담당 뇌부위(해마)의 신경교세포 활성화. 정상 마우스(좌)과 타우린 투약한 알츠하이머 마우스(우) 타우린을 섭취하여 인지 기능이 정상 수준으로 회복된 알츠하이머 유전자이식 마우스의 신경교세포가 활성화 되어있음.

복잡한 검사없이 혈액 한방울로 알츠하이머 치매를 진단하다 -알츠하이머 원인 단백질의 혈액속 농도로 질병을 진단하는 연관성 밝혀 -개방형 연구성과로 융복합기술 기반 혈액 진단 시스템 개발 토대 마련 사회가 고령화되면서 노화 관련 질환에 대한 관심이 날로 증가하고 있다. 50세이후 발병율이 증가하는 대표적 노화 질병인 알츠하이머 치매를 혈액으로 진단할 수 있는 기술이 개발되었다. 알츠하이머 치매를 일으키는 단백질로 알려진 ‘베타아밀로이드’가 혈액으로 이동이 가능해 혈액검사로 검출할 수 있다는 것에 착안한 것이다. 병원 및 기업과의 중개연구와 임상실험을 통해 기술이 상용화되면 병원에서 쉽고 빠르게 치매를 진단할 수 있어 파급효과가 클 전망이다. 알츠하이머 치매는 ‘베타아밀로이드’라는 단백질이 뇌에서 지나치게 증가해 발생하는 것으로 알려져 있다. 베타아밀로이드 농도가 높아지면 뇌의 신경세포가 파괴되고 결국 기억이 지워지는 것이다. 그래서 뇌조직 검사나 단백질 분포 확인이 가능한 PET 영상 촬영 등으로 알츠하이머 치매를 진단할 때 베타아밀로이드는 질병 진단의 주요한 척도, 즉 바이오마커로 사용된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학 연구소 김영수 박사팀은 베타아밀로이드가 특이하게 LRP1 이라는 단백질을 통해 뇌에서 혈액으로 이동하는 것에 주목했다. 혈액 내 베타아밀로이드의 존재여부는 국제적으로 여러차례 보고된 바 있다. 그러나, 뇌에서의 베타아밀로이드가 증가하는 것이 LRP1을 통해 혈액에서 농도 변화로 반영될 수 있는지 불분명하여 혈액 진단은 논쟁이 되어왔다. * LRP1: Low density lipoprotein receptor-related protein1, 뇌혈관 장벽에 존재하는 수용체로 뇌 및 뇌척수액에 있는 베타아밀로이드를 혈액으로 보내는 역할을 한다. 뇌에서 떠도는 베타아밀로이드에 붙어 뇌혈관장벽을 투과할 수 있도록 채널 역할을 한다. 연구팀은 생쥐의 뇌에 베타아밀로이드를 다양한 분량으로 넣어 알츠하이머 치매를 일으켰다. 그 후 혈액을 뽑아 베타아밀로이드의 양을 분석했고 뇌 안의 베타아밀로이드 농도가 올라가면 혈액 속의 베타아밀로이드도 비례해 높아진다는 것을 확인했다. 이는 혈액 속 베타아밀로이드의 바이오마커 역할에 대해 가능성으로만 제기되었던 주장을 과학적으로 연관성을 밝힌 것이다. 혈액을 사용해 알츠하이머 치매를 조기에 진단할 수 있게되면 - 쉽고 편리하게 의료 기관에서 사용될 수 있으며, 기술이 상용화될 시 파급효과가 매우 크다는 장점이 있으며, - 또한 질병 조기 발견을 통하여 병이 중증으로 진행되는 것을 최대한 지연시킴으로 환자가 인간다운 삶을 더욱 길게 누리게 할 수 있으며, - 환자군 분류를 가능하게 하여 치료 신약 개발연구에 기여를 할 수 있다. 그러나 베타아밀로이드는 혈중에서 극소량만 존재해 현재 병원에서 쓰고 있는 장비로는 분석이 불가능하다. KIST 개방형 연구사업단(단장 김태송, Dennis Choi)은 매우 적은 양의 베타아밀로이드를 정밀 분석할 수 있는 장비를 개발중이다. 또한 국내외 병원, 대학, 기업체와 힘을 합쳐 융합 연구를 계속 진행해, 최종적으로 혈액을 활용한 알츠하이머 치매 진단을 위한 ‘나노바이오 센서 시스템’을 개발한다는 계획이다. * KIST 개방형 연구사업단(Open Research Program) : 각종 재난상황에 대비하고 국민의 삶의 질을 실질적으로 개선시킬 수 있는 국민 행복 기술의 개발을 위해 2013년부터 KIST가 진행중이다. 본 연구는 사업의 취지에 맞게 KIST가 국민에게 실질적으로 도움이 되는 기술을 개발했다는 데 의미가 있다. KIST 김영수 박사는 “본 연구는 혈액이라는 쉬운 방법을 통해 알츠하이머 치매를 진단할 수 있는 이론적 토대를 마련했다는 데 의미가 있다”며, “21세기 사회 문제의 극복으로 치매 환자수 감소 및 직간접 의료비 절감을 통하여 우리 사회를 더욱 건강하게 유지하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.”고 말했다. 본 연구는 KIST 개방형 연구사업 알츠하이머 치매 혈액 진단 시스템 개발(단장 김태송, Dennis Choi) 과제로 지원되었다. 연구 결과는 ‘Scientific Reports’ 10월호에 ‘Correlations of amyloid-β concentrations between CSF and plasma in acute Alzheimer mouse model’라는 제목으로 게재되었다. <관련 자료> KIST 뇌과학연구소 김영수 박사 <그림1> 베타아밀로이드 검출 혈액 검사 정상 성인 마우스의 뇌에 베타아밀로이드를 주입하여 알츠하이머 치매를 유발한 후 혈액에서 베타아밀로이드를 정량 검출함 <그림 3> 뇌척수액(좌)과 혈액(우)의 바이오마커 정량 분석 뇌에서 비이상적으로 증가한 알츠하이머 치매 원인 베타아밀로이드 단백질이 뇌혈관장벽을 투과하여 혈액에서 비례적으로 검출됨

알츠하이머 병, 기억장애 치료를 위한 신약개발 가능성 열려 - KIST, 반응성 성상교세포 연구를 통한 기억장애 원인 규명 알츠하이머병 환자의 뇌에서 흔하게 발견되는 반응성 성상교세포가 억제성 신경전달물질인 가바를 생성, 분비하고 이를 통해 기억장애가 발생된다는 사실이 세계 최초로 국내 연구진에 의해 밝혀짐으로써 기억력상실, 치매 등과 같은 난치병의 치료 및 차세대 신약개발의 새로운 장을 열었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 이창준 박사연구팀을 중심으로 KAIST를 비롯한 국내외 연구팀이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 정민근)이 추진하는 세계수준의 연구센터(WCI)사업과 뇌과학연구소의 플래그쉽 과제의 일환으로 수행되었으며, 세계적 권위지인 네이쳐메디슨(Nature Medicine) 최신호(6.30일자)에 게재되었다.(논문명 : GABA from reactive astrocytes impairs memory in mouse models of Alzheimer disease) 알츠하이머병은 치매를 일으켜 인지장애를 초래하는 치명적인 난치병으로 미국에서는 65세 인구 여덟 명중 한명에게 발병하는 것으로 알려져 있다. 우리나라에서도 인구의 고령화와 함께 그 수가 매년 증가하는 추세이며, 기억력 장애로 인해 실종된 치매 노인 수는 2011년 기준 7600명이 이른다. 하지만 현재까지도 정확한 발병 기전과 원인이 밝혀지지 않고 있고, 알츠하이머병 환자의 사후 뇌 검사를 통해 신경세포의 사멸이 기억력 장애를 야기한다는 사실만이 알려져 왔다. 본 연구팀은 알츠하이머병 환자의 뇌에서 흔하게 발견되는 반응성 성상교세포 내에서 도파민을 산화시키는 효소로 알려진 마오-B의 작용으로 생성된 억제성 신경전달물질 가바가 베스트로핀이라는 특정한 음이온 채널을 통해 외부로 방출되어 신경세포의 정상적인 신호전달을 방해한다는 사실을 밝혔다. 또한, 이 같은 연구결과를 바탕으로 알츠하이머 생쥐에서 마오-B혹은 베스트로핀의 억제를 통해 반응성 성상교세포내 가바의 생성과 분비를 제한하였고, 신경세포의 발화능력과 시냅스 가소성이 회복됨에 따라 기억력도 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 행동실험을 위하여 사용된 생쥐는 본능적으로 어두운 장소를 좋아하지만, 한번 어두운 장소에서 전기적 자극을 경험한 생쥐는 다시 어두운 장소에 들어가지 않는다. 그러나 알츠하이머에 걸린 생쥐는 전기 자극을 경험했던 장소를 기억하지 못하고 또 다시 어두운 방에 들어간다. 본 연구팀은 이러한 생쥐에게 마오-B 억제제를 투입하여 반응성 성상교세포의 가바 생성을 억제하였고, 생쥐가 다시 어두운 방에 들어가지 않는 행동 변화를 통하여 기억력이 회복되었음을 증명하였다. 마오-B 억제제, 셀레길린은 파킨슨병의 치료 보조제로 사용되고 있지만, 알츠하이머병 환자에게는 큰 효과를 보이지 못하는 것으로 알려져 있다. 연구팀은 셀레길린이 처음 며칠은 효과를 보이지만, 오래 복용할수록 약효가 줄어든다는 사실을 밝혔는데, 셀레길린을 1주일간 투여한 생쥐의 경우 신경세포의 발화능력이 회복되었지만, 2주에서 4주이상 투여기간이 증가될수록 발화능력이 향상되지 않았다. 이는 장기 복용 시에도 약효가 지속되는 새로운 치료제가 필요함을 시사 하고 있다. KIST 이창준 단장과 KAIST 김대수 교수는 “이번 연구를 통해 알츠하이머 발병 시 기억력이 감퇴되는 원인을 규명하였고, 반응성 성상교세포의 가바의 생성과 분비 억제가 기억력을 회복시키는 새로운 치료방법이 될 수 있다는 사실을 제시하였다. 더 나아가, 장기 복용 시에도 약효가 지속되는 신약개발의 토대를 마련했다”고 연구의의를 밝혔다. ○ 연구진 KIST 이창준 박사 ○ 용어설명 1. 네이쳐 메디신(Nature Medicine) o 세계적인 학술저널 Nature 출판그룹에서 발간하는 초기 임상 연구분야의 권위 있는 학술지. 저명 과학자의 검증을 거친 뒤에야 게재될 정도로 논문의 심의과정이 엄격한 것으로 알려져 있으며, 피인용지수(Impact Factor)가 2012년 기준 24.302임 ※ 피인용지수(IF) : 특정 잡지에 실린 논문이 어느 특정연도나 기간 동안 인용된 빈도수의 척도로서 그 논문이 실린 잡지의 수준을 평가하는 척도 2. 성상교세포(Astrocyte) o 뇌세포에는 신경세포 외에도 신경세포에 영양분이나 신경전달물질 등을 운반하는 글리아 또는 아교세포가 있는데, 성상교세포는 이런 아교세포의 일종. 아교세포는 신경세포의 위치를 고정하거나 혈액 뇌관문을 형성하는 등 뇌 활동에 중요한 역할을 담당 3. 마오-B (B형 모노아민 산화효소, monoamine oxidase B / MAO-B) o 뇌에서 신경전달물질을 대사하는 효소. 도파민을 산화시켜 여러 가지 산화반응물을 생성할 수 있음. 4. 가바 (GABA) o 신경계나 혈액에 함유되어 있으며, 억제성 신경전달물질로 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트와 함께 포유류의 중추신경계에서 가장 일반적으로 쓰이는 신경전달물질 중 하나 5. 셀레길린 (selegiline) o 마오-B를 억제해 도파민의 중추대사를 늦추는 기전을 가지고 있으며, 파킨슨병 환자의 치료 보조제로 사용됨 ○ 그림 설명 <그림 1> 정상생쥐와 알츠하이머 생쥐의 뇌의 해마 부분에서 성상교세포 (초록)와 GABA (빨강)를 면역염색 후 공초점 현미경으로 관찰. 알츠하이머 생쥐의 뇌는 아밀로이드 플라크 (파랑)가 생성되는데, 플라크 주변의 성상교세포는 반응성 성상세포로 변성되며 세포 내에 GABA를 많이 함유하고 있다. <그림 2> 정상생쥐와 알츠하이머 생쥐의 뇌의 해마 치아이랑 부분에서 신경세포가 발화할 확률을 비교. 정상 생쥐의 신경세포는 전기자극에 반응하여 신경세포가 발화한다. 알츠하이머 생쥐의 신경세포는 전기자극에 잘 반응하지 않지만, 마오-B를 억제하면 정상 생쥐의 신경세포처럼 발화능력을 회복한다. <그림 3> 정상 생쥐와 알츠하이머 생쥐의 기억력을 수동 회피 실험을 통해 측정. 정상 생쥐는 어두운 방에서 받았던 전기자극을 기억하고 다음 날에는 어두운 방에 들어가지 않는 반면, 기억력이 손상된 알츠하이머 생쥐는 어두운 방을 기억하지 못하고 다음 날에도 어두운 방에 들어가는데, 1주일간 셀레길린을 투입시 정상 생쥐처럼 기억력이 회복되어 어두운 방에 들어가지 않는다.

신개념 물질 개발로 파킨슨병 치료 전기 마련 - 미지의 병 파킨슨의 근본적 치료를 위한 토대 마련 - 뇌의 자기 보호 원리 활용, 기존 약물보다 효과는 크고 부작용은 줄어 4월 11일은 세계 파킨슨병의 날이다. 고령화 사회로 접어들면서 퇴행성 뇌질환은 심각한 사회적 문제로 대두되고 있다. 이런 퇴행성 뇌질환 중 파킨슨병은 치매 다음으로 많은 환자가 발생하고 있다. 파킨슨병은 뇌에서 도파민을 생성하는 신경세포가 죽으면서 병이 발생하는 것으로 알려져 있는데, 현재까지 치료제는 증상 완화에 그치고 있다. 손이 떨리기 시작하면서 운동장애가 차례로 나타나는 파킨슨병은 확실한 검사, 진단이 모두 어렵고 치료제 부작용도 커 환자의 삶의 질을 심각하게 저하시킨다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 박기덕 박사, 울산대학교 의과대학 황온유 교수 공동 연구팀은 신경세포가 스스로를 보호하는 원리를 이용하여 도파민을 생성하는 신경세포를 보호하는 물질을 개발했다. 연구 결과는 의약화학 분야의 세계적인 저널 ‘Journal of Medicinal Chemistry’ 최근호에 ‘Discovery of Vinyl Sulfones as a Novel Class of Neuroprotective Agents toward Parkinson’s Disease Therapy‘라는 제목으로 게재되었다. 연구팀은 사람에게 자체적으로 존재하는 방어기작에 주목했다. 외부에서 퇴행성 뇌질환을 일으키는 물질, 즉 산화 스트레스가 침입하면 인체의 대표적 방어기작인 Nrf2*가 활성화가 된다. Nrf2는 인체의 다양한 방어 유전자를 발현시킴으로써 외부의 스트레스로부터 신경세포를 보호하게 된다. 본 연구에서는 Nrf2 활성화를 증대시키는 화합물을 개발하였고, 개발된 물질을 신경세포에 주입한 결과 Nrf2가 활성화 될뿐 아니라, 이에 따른 다양한 인체 방어 물질의 양이 크게 증가함을 발견했다. *Nrf2: Nuclear factor E2-related factor 2, 특정 유전자를 발현하여 인체의 방어기작을 작동시키는 것에 에 관여하는 단백질(전사인자)로 생쥐와 사람에게 존재한다. 그 결과 파킨슨병 연구에 주로 쓰이는 MPTP-생쥐 모델*의 뇌에서 뛰어난 신경세포보호 효과를 보였으며 이로 인해 쥐의 운동장애가 현저히 개선되었다. 이는 기존 파킨슨병 치료제인 셀레질린보다 150%이상 효과가 향상된 것이다. 또한 셀레질린은 장기간 복용시 약 자체의 독성으로 인해 부작용이 컸었는데, 개발된 물질을 사용한 쥐에서는 부작용 역시 줄어듬을 확인하였다. * MPTP-생쥐 모델: 파킨슨병 연구를 위해 고안된 생쥐 모델로 산화스트레스를 일으켜 파킨슨병을 발병시킨다. KIST 박기덕 박사는 “치매나 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환의 근원적인 치료는 여전히 힘들고 현재까지 거의 불가능하지만, 인체의 방어기작을 활성화시킴으로써 신경세포를 보호함으로써 뇌질환의 예방 및 치료가능성을 열었다는 데 연구의 의의가 있다”고 말했다. ○ 연구진 박기덕 박사 ○ 그림자료 <그림1> Nrf2 활성화를 통한 신경세포 보호 기작 - 치료제 후보물질이 Nrf2를 Keap1으로부터 분리시키면 Nrf2는 활성화되어 핵안으로 이동한 후 인체 방어기작에 관련된 유전자를 발현시킴으로써 신경세포를 보호함 <그림2> 개발된 물질의 화학식 <그림 3> 파킨슨병 동물모델의 뇌 흑질에서 신규 파킨슨병 치료 후보물질(12g)의 신경세포 보호 효과 및 운동능력 회복 효과 가. 파킨슨병 동물모델인 MPTP-쥐 모델의 뇌 흑질 부분에서 신경세포가 사멸되면서 세포가 염색되지 않음을 볼 수 있음. 반면에 치료 후보물질 12g를 복용한 MPTP-쥐 모델에서는 신경세포가 죽지 않음을 확인함. 나. 파킨슨병 동물모델은 일반쥐에 비해 운동 장애를 나타냄. 대표적으로 코너 돌기와 위에서 내려오는 시간을 측정하면 일반쥐의 2-3배의 시간이 소요됨. 이러한 파킨슨병 동물모델에 치료후보물질 (12g)를 복용시키면 일반쥐와 비슷한 운동신경으로 회복됨. ○ 보도자료 기사 링크

뇌 기능 조절 물질의 이동 통로 찾았다 - 뇌기능과 관련된 포타슘 이온의 농도를 스펀지처럼 조절하는 통로 발견 - 2개의 단백질 간의 화합결합으로 만들어진 새로운 통로임을 밝혀 - 발견된 통로는 뇌 기능의 핵심인 신호전달 물질의 통로로 밝혀져 뇌가 정상적으로 활동하기 위해서는 뇌에 존재하는 칼슘이나 포타슘(K⁺, 칼륨) 등 다양한 이온들의 농도가 일정하게 유지되어야 한다. 우리에게는 칼륨이라고 알려져 있는 포타슘 이온은 농도가 갑자기 증가하게 되면 심한 경우 발작이나 경련 등이 일어나고, 반대로 농도가 낮아지면 우울증이나 불안장애가 일어난다. 이처럼 이온의 농도가 미치는 영향은 이미 많은 연구로 밝혀진 반면, 이 이온들이 어떤 통로를 통해 이동하는지는 그동안 오랜 숙제로 남아 있었다. 국내 연구진이 스펀지가 물질을 흡수하듯, 포타슘 이온 농도를 조절하는 통로를 발견했다. 발견된 통로는 뇌의 핵심 기능인 신호전달 물질이 통과하는 통로라는 사실도 추가로 밝혀졌다. 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스 연구단 황은미 박사팀, 이창준 박사팀과 경상대학교 의과대학 박재용 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 세계적인 연구센터 개발사업 (WCI)과 선도연구센터지원사업 (MRC)의 일환으로 수행되었으며, 네이처 출판 그룹 (Nature Publishing Group; NPG)이 출판하는 세계적 국제학술지인 ‘Nature Communications’온라인 판 2월 5일자에 게재되었다. (논문명 : A disulphide-linked heterodimer of TWIK-1 and TREK-1 mediates passive conductance in astrocytes) 뇌를 구성하는 대표적 세포는 신경세포와 성상교세포이다. 신호 전달이 이루어지는 신경세포가 활성화되기 위해서는 주변의 성상교세포가 스펀지처럼 포타슘 이온을 흡수해야 한다. 포타슘 스펀지 역할은 성상교세포에서만 발견되는 유일한 현상으로, 신경세포 외부의 포타슘이온 농도를 일정하게 유지될 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 문제는 포타슘 이온이 어떤 통로를 통해 이동하는지를 알 수가 없다는 점이다. * 포타슘(K⁺) : 보통 칼륨이라고도 불리는 은백색의 금속원소. 신경활성을 조절하는 중요한 이온으로, 뇌척수액에서는 2.6~3.0 mmol/L 농도로 유지됨. * 성상교세포 : 신경세포에 영양분이나 신경전달물질 등을 운반하는 비신경 세포의 일종. 신경세포의 위치를 고정하거나 혈액 뇌관문을 형성하는 등 뇌 활동에 중요한 역할을 담당함. 이온이 이동하는 통로를 밝히기 위해 연구팀은 갓 태어난 생쥐의 뇌에서 성상교세포를 분석하였고, 트윅(TWIK-1)과 트렉(TREK-1) 2개의 이온통로만이 존재함을 알 수 있었다. 이에 연구진은 2개의 이온 통로가 포타슘 스펀지 역할의 핵심이라 생각했다. 유전자 조합 및 바이러스를 활용하여 각각의 이온통로의 활동을 조절한 결과, 2개의 이온통로들은 개별적으로 작용할 때는 기능을 할 수 없다는 것을 확인했다. 이온통로들이 화학적 결합을 통해 새로운 단백질로 합성되어야 이러한 기능이 나타나는 것이다. * 트윅(TWIK-1) : 최초로 발견된 K2P 이온통로 (두 개의 이온통로구를 가진 포타슘 이온통로) 로서 독립적으로 발현시키면 포유동물의 세포막에 거의 존재하지 못하기 때문에 기능이 없는 채널로 알려짐. * 트렉(TREK-1) : 두 번째로 발견된 K2P 이온통로로서 다양한 자극에 반응 하여 포타슘을 통과시키며, 세포막 전위를 결정하는 데 관여함. 그동안 트윅과 트렉은 1996년 이후 차례로 밝혀진 이온통로들이지만, 이 중 트윅은 기능이 없다고 알려져 왔다. 새로운 포타슘 이온통로의 발견은 하나의 이온통로가 하나의 특성을 가진다는 공식을 깨고 다른 종류의 단백질이 결합하여 다양한 다른 역할을 수행할 수 있다는 가능성을 보여준 좋은 예라고 할 수 있다. 한편, 연구팀은 이번에 발견한 이온통로가 글루타메이트가 배출되는 통로라는 사실을 추가로 발견했다. 글루타메이트는 주로 신경세포 말단의 시냅스에서 배출되며, 세포간에 신호를 전달하는 뇌의 핵심적인 요소이다. 최근 연구로 글루타메이트는 성상교세포에서도 배출된다는 사실이 확인되었는데, 이 배출되는 통로 역시 이번에 발견한 이온통로로 밝혀진 것이다. 글루타메이트의 농도가 높으면 신호전달이 잘 된다고 볼 수 있기 때문에, 이동 통로의 발견은 뇌기능 핵심인 신호전달 체계를 규명하는데에도 활용될 것으로 보인다. 논문 제 1 저자인 KIST 황은미 박사는 “이번 연구를 통하여 오랫동안 궁금해 해왔던 포타슘 스펀지 역할의 이온통로를 확인하였으며, 포타슘이온 농도의 조절 실패로 인한 뇌전증, 우울증, 불안장애 등의 신경계 질환에 대한 새로운 치료 가능성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다. ○ 그림자료 <그림 1> 성상교세포의 포타슘이온 농도 조절과 뇌기능에 관한 모식도 새로이 규명된 성성교세포의 트랙-트윅 이종결합 이온통로가 정상적으로 기능을 수행할 경우, 세포 외부의 포타슘이 성상교세포로 흡수되어 외부 포타슘이온 농도가 낮은 농도로 유지됨으로써 정상적인 뇌기능이 유지된다. 그러나 트랙-트윅 이종결합 이온통로의 기능에 문제가 생기면, 성상교세포가 세포 외부의 포타슘을 흡수할 수 없어 외부 포타슘이온이 과도하게 많아지게 되며 이로 인해 신경세포가 지나치게 흥분하는 뇌전증이 유발되게 된다. <그림 2> 대표적인 실험 결과 : 트윅, 트렉 이온통로의 결핍이 성상교세포의 포타슘 스펀지 능력에 미치는 영향 재조합 렌티바이러스를 이용하여 성상교세포의 트윅 또는 트렉 이온통로의 발현을 억제한 후, 동일한 세포에서 전기생리학적 실험 방법으로 포타슘 스펀지 기능을 측정하였다. 그 결과, 트윅, 트렉 이온통로가 성상교세포의 포타슘 스펀지 기능을 수행하고 있음을 확인하였다. 본 연구를 통하여 지난 20여년 동안 베일에 싸여있던 포타슘 스펀지 기능을 수행하는 이온통로의 분자적 실체를 규명하는 성과를 거두었다. <그림 3> 트윅, 트렉 이온통로의 모식도 새로이 규명된 성성교세포의 트랙-트윅 이종결합 이온통로가 정상적으로 기능을 수행할 경우, 세포 외부의 포타슘이 성상교세포로 흡수되어 외부 포타슘이온 농도가 낮은 농도로 유지됨으로써 정상적인 뇌기능이 유지된다. 그러나 트랙-트윅 이종결합 이온통로의 기능에 문제가 생기면, 성상교세포가 세포 외부의 포타슘을 흡수할 수 없어 외부 포타슘이온이 과도하게 많아지게 되며 이로 인해 신경세포가 지나치게 흥분하는 뇌전증이 유발되게 된다.

기억력 좋은 사람, 태어날 때부터 일부 결정 - 해마의 상세한 신경망 분석을 통해 신천적으로 같은 시기에 발생한 자매 세포간의 긴밀한 네트워킹 확인 - 3차원 영상 분석기술 "엠그래스프"를 통해 살아있는 상태의 쥐의 뇌를 시냅스 수준에서 분석 해마는 뇌에서 기억과 공간개념을 관장하는 중요한 부분이다. 해마를 구성하는 신경세포들의 접합부인 시냅스는 서로 끊임없이 신호를 주고 받음으로써 이러한 능력을 발휘한다. 국내 연구진이 뇌를 시냅스 차원에서 분석하여 특정 세포간의 연결이 더 밀접하다는 사실을 발견했다. 연구진은 또한 그러한 신호 패턴을 보이는 특정세포들이 선천적으로 같은 시기에 발현된 자매세포(sister cells)임을 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스연구단 김진현 박사팀이 국내유치 해외연구원 린칭팽(Linqing Feng, 제 1저자) 박사와 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의 연구센터(WCI) 사업의 일환으로 수행되었으며, 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Neuron’ 온라인판에 1월 9일 게재되었다. (논문명 : Structured synaptic connectivity between hippocampal regions) 연구팀은 최근 개발한 mGRASP 기술(엠그래스프, 2012년 Nature methods지에 게재)에 3차원 영상 분석 소프트웨어 (2012년도 Bioinformatics 지 게재)를 접목하여 해마에서 기억과 학습에 밀접하게 관련이 있다고 알려진 부위의 신경연결망을 3차원으로 시각화하였다. CA3에서 CA1 영역의 신경세포들은 해마에서 기억과 학습영역에 밀접하게 관련이 있는 부위로 알려져 있다. 연구팀은 mGRASP기술을 통해 상세한 신경신호가 시냅스에서 어떻게 전달되는지를 밝힐 수 있었다. * 해마는 크게 DG, CA3, CA1 으로 불리는 세부 부위로 나누어진다. 주된 신호 전달 방향은DG→CA3→CA1 으로 이루어진다. 본 연구에서는 CA3와 CA1 영역의 신경세포들을 사용하였다. 그동안 뇌의 해마부위를 구성하는 신경세포들에서 신호가 어떻게 전달되는지, 연결 구조를 밝히는데 어려움이 있었다. 따라서 1:1의 단순한 구조나 균등한 연결망을 이룬다는 가설이 지배적이었다. 연구팀은 CA3, CA1 영역의 세포들의 시냅스에서 이 가설을 분석한 결과, 실제로는 특정 세포간의 연결성이 더 강하다는 사실을 발견했다. 연구팀은 더 나아가 이러한 연결패턴은 같은 발생시기에 태어난 “자매세포 (sister cells)”간에 두드러지게 나타난다는 것을 발견했다. 자매세포 간에는 시냅스의 신호전달이 더 활발하게 일어난다는 뜻이다. * 자매세포 : 발생중 한 세포의 분열에 의하여 생긴 한쌍의 세포들, 자매세포는 배아 상태에서 결정되어 각각의 뇌 특정부위로 이동하여 출생후에도 분자생물학적 공통성을 내재하고 있다. 연구진은 시냅스에서 신호전달 패턴이 고도로 조직화된 패턴으로 이루어지고, 자매세포라는 선천적 특성이 이러한 정보 처리 과정에 연관이 있다는 것을 밝혔다. 이는 자매세포라는 프레임이 구조적으로 잘 구축된 사람이 그렇지 않은 사람보다 기억력이 좋을 수 있는 가능성을 보여준다. (그림 3 참고) 김진현 박사는 “mGRASP라는 신경망 지도를 그릴 수 있는 새로운 기법을 활용하여 기존보다 정확하고 빠른 신경망회로 분석이 가능했고, 이를 통해 학습기억 습득에 선천적인 영향이 있음을 밝힐 수 있었다”며, “향후 이와 같은 연구가 뇌의 특정 부위에 특화된 약물 타겟팅 및 뇌질환 진단에 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다. ○ 그림설명 <그림 1> 20nm 간격의 시냅스를 광학현미경으로 살아있는 시냅스에서 획기적 쉽게 찾아낼 수 있는 mGRASP(mammalian GFP Reconstitution Across Synaptic Partners) 기술을 보여주는 모식도 <그림 2> mGRASP기술을 이용한 해마의 신경세포 CA3에서 CA1 연결망, CA3에서 보낸 신호가 CA1으로 연결된다. 엠그래스프 기술을 활용하면 시각화가 가능하다 <그림 3> 세포수준(A)과 수상돌기수준(B)에서 신경망회로 연결성 패턴을 알기 위해 설정한 가설들, 왼쪽은 1:1로 연결되는 모습, 오른쪽은 특정 연결패턴으로 신호가 전달되는 모습. 연구 결과 오른쪽 가설이 옳다는 것을 증명되었다 <그림 4> mGRASP기술과 분석 소프트웨어를 이용한 해마의 CA3에서 CA1 연결망을 3차원으로 가시화한 이미지

형형색색 눈에 보이는 뇌, 슈퍼 단백질에 빛을 쏘여라 - 뇌 회로의 작동을 눈으로 보여주는 센서, 슈퍼클로멜레온 개발 - 슈퍼클로멜레온 개발을 위한 자동화 로봇 개발 - 낭포성 섬유종 및 뇌 질환 기전 연구 실마리 제공 뇌 세포 간의 연결과 작동원리는 20세기 초부터 꾸준히 연구되어 왔지만 수천 개에서 수백억 개의 신경세포가 복잡하게 얽혀있는 뇌를 연구하기는 쉽지 않다. 이런 복잡한 뇌의 연결구조를 빛을 이용하여 눈으로 볼 수 있게 만든 연구가 국내 유치 해외 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 기능커넥토믹스연구단 조지어거스틴(George Augustine) 박사팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의 연구센터(WCI) 사업의 일환으로 수행되었으며, 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’ 10월호에 게재되었다.(논문명 : Visualization of Synaptic Inhibition with an Optogenetic Sensor Developed by Cell-Free Protein Engineering Automation) 뇌가 제 기능을 수행하는데 가장 기본이 되는 시냅스. 시냅스는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 구분되는데 두 개의 시냅스가 균형을 이룰 때 신경회로는 정상적인 기능을 할 수 있다. 시냅스간의 소통은 +와 - 성질을 가진 이온의 교환을 통해 이루어지는데, 억제성 시냅스가 활성화 되는지 여부는 세포 내의 염소 이온(Cl-)의 농도 변화에 의해 조절된다. 따라서 신경세포 내의 염소 이온의 농도 측정은 억제성 신경망 연구에 매우 중요하다. ※ 흥분성/억제성 시냅스 : 하나의 신경세포가 다른 신경세포를 흥분시키느냐 억제시키느냐에 따라서 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 분류된다 연구진은 이온 농도 측정을 위해 빛을 이용했다. 빛은 파장에 따라 다른 색깔이 나타나는 특징이 있는데, 단백질 중 빛에 반응하는 형광단백질을 뇌 기능 연구를 위해 활용한 것이다. 형광 단백질은 특정 파장의 빛에 각각 반응하여, 자기만의 고유한 파장의 빛을 내는 성질이 있다. 서로 다른 두 가지 형광단백질이 서로 충분히 가까운 거리 내에 적절한 방향으로 존재하면, FRET 반응이 일어나는데, 두 형광단백질 중 빛을 받는 단백질은 염소 이온과 결합이 가능하다. ※ FRET (fluorescence resonance energy transfer)반응 : 두 형광단백질에 빛을 쬐었을 때, 처음 반응이 일어난 하나의 형광단백질(공여자; donor)에서 발산된 파장의 빛에 의해 옆에 위치한 형광단백질(수용자; accepter)이 활성화되어 자신의 파장의 빛을 발산하는 현상 이러한 두 가지 형광단백질을 연결하면, 염소 이온의 존재 여부에 따라 발산하는 빛의 파장이 달라지는 센서로서 역할을 할 수 있다. 이러한 원리에 의해 고안된 센서단백질이 클로멜레온(Clomeleon)이다. 그러나 기존의 클로멜레온은 1) 신호 대 잡음비가 낮아 염소 이온 농도 측정에 많은 오차를 유발 할 수 있는 점, 2) 염소 이온 농도에 따른 FRET 비율의 변화 폭이 좁다는 점, 3) 기존의 기법으로는 클로멜레온을 만드는데 막대한 시간이 소요된다는 점에서 한계를 가지고 있었다. 어거스틴 박사는 Duke 대학교 Hellinga 박사 연구팀과 공동으로 단시간 내에 최적의 클로멜레온을 제작하는 단백질 제작 자동화로봇 시스템을 개발 하였고, 이를 이용하여 그 특성이 훨씬 향상된 새로운 염소 이온 센서 단백질, 슈퍼클로멜레온(SuperClomeleon)을 만들게 된 것이다. 슈퍼클로멜레온은 기존 클로멜레온에 여러 가지 돌연변이를 도입하여 다양하게 변형된 후보 단백질을 만들었다. 그 후, 여러 단계의 스크리닝 및 특성을 확인하는 시험 과정을 통해 기능을 확인하였다. 그 결과 기존의 전통적인 분자생물학적, 생화학적 방법으로는 한 번에 한 가지 돌연변이 단백질 밖에 만들 수 없었던데 비해, 새로운 자동화로봇시스템을 도입하여 384개의 돌연변이 후보 단백질을 단 한 번의 작동으로 만들 수 있게 되었다. 이러한 제작 공정의 획기적인 이점 외에도, 슈퍼 클로멜레온은 기존 클레멜레온에 비해 염소 이온 변화에 따른 FRET 비율의 변화폭이 2배이상 증가하였고, 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있어 오차를 줄 일 수 있었다. 따라서 슈퍼클로멜레온을 이용하면, 훨씬 선명한 이미지를 통해 염소 이온의 농도 측정할 수 있고, 이를 통하여 높은 해상도의 억제성 신경회로망 규명이 가능하다. <신경 세포 내에서 슈퍼클로멜레온(붉은 막대)은 기존의 클로멜레온(검은 막대)에 비해 향상된 높은 신호 대 잡음비를 보인다(최대 약 6 배).> 이처럼 특정 파장의 빛으로 활성이 조절되거나 혹은 특정한 이온, 막전위 등에 반응하여 빛을 내는 단백질을 신경세포 내로 도입하여, 뇌 회로를 연구하는 것이 광유전학(Optogenetics)기술이다. 본 연구는 센서단백질을 신경세포에 도입 및 발현시켜 신경세포 활성 여부를 광학 현미경을 통해 관찰했다. 이를 통해 얻어진 이미지를 분석함으로써 살아있는 쥐에서 특정부분의 뇌가 어떻게 작용하는지 효율적으로 파악할 수 있는 방법을 제시하였다. 본 연구는 복잡한 신경회로가 어떻게 기능하는지를 분석하는데 토대를 마련하고 특정 뇌질환 및 유전병의 원인 규명이 가능할 것으로 기대된다. 한 예로 뇌의 염소이온농도에 이상이 생길 경우, 체내에 점액이 과다 생산되는 낭포성 섬유증 같은 질환의 연구에 기술이 이용될 수 있다. 또한 각종 뇌 질환을 치료하는 약물 스크리닝 등에 폭넓게 활용할 수 있을 것이다. KIST 조지어거스틴 박사는“이번 연구를 통해 최적의 단백질을 단시간 내에 제조하는 기술 개발에 성공하였고, 이를 광유전학 기술과 결합하여 뇌 활동을 이미지화하는 획기적인 신경기능 회로 연구의 토대를 마련했다”고 전하며, “국내 단백질 공학 수준을 한 단계 끌어올리는 계기를 마련했다”고 연구의의를 밝혔다. ○ 그림설명 <그림1> 슈퍼클로멜레온(SuperClomeleon)이 주입된 생쥐 신경세포에서 각각 다른 양의 염소이온 양이 측정되는 것을 시각적으로 보여준다. 염소 농도가 진해질수록 청색이 더 진해지는 것을 볼 수 있다. <그림2> 화학적 시냅스의 작동원리. 전시냅스 세포 (presyanptic neuron)의 말단에서 분비된 신경전달물질 (neurotransmitter)는 후시냅스 세포 (postsynaptic neruon)의 수용체 (neurotransmitter receptor)에 결합하여 수용체를 활성화 시킨다. 활성화 된 수용체에서는 이온 통로가 개방되고, 이를 통해 이온에 이동하여 후시냅스 세포의 활성을 조절한다. 억제성 시냅스의 경우, GABA라는 신경전달물질이 분비되며, GABA 수용체가 활성화되면 염소 이온이 개방된 염소 이온 통로를 통해 신경 세포 내부로 이동하여 후시냅스 세포의 활성을 억제한다. <그림3> 클로멜레온의 작동원리. 클로멜레온은 염소 이온에 결합하지 않는 공여자 형광단백질인 CFP와 결합할 수 있는 수용자 형광단백질 YPF로 구성되어 있고 이 두 형광단백질 간에는 FRET 현상이 일어날 수 있다. 염소 이온이 결합하지 않은 경우 클로멜레온은 YFP 파장의 빛이 주로 발산되고, 염소 이온이 결합한 경우에는 CFP 파장의 빛이 주로 발산된다. 두 가지 파장의 빛의 강도를 현미경을 통해 측정할 수 있고, 그 비율을 계산함으로써 신경 세포 내의 염소 이온의 농도를 알 수 있다. <그림4> 슈퍼클로멜레온 자동화 장치 모습

잘린 신체부위 재생되는 원리규명, 중추신경 재생 연구 실마리 제공 - KIST, 포유류 말초신경 재생 원리 규명 - 중추신경 재생과 연관성 밝혀 응급사고로 손가락이 잘리고, 허벅지에 큰 상처가 나서 다리가 마비되었다. 회복될 수 있을까? 정답은 ‘가능하다’이다. 우리 몸의 감각과 운동자극을 받아들이는 말초신경은 손상 정도와 부위에 따라 회복이 가능하다 . 신경이 다시 재생된다는 뜻이다. 그러나 이러한 신경 재생은 뇌와 척수로 구성된 중추신경에서는 일어나지 않는다. 몸이 두동강이 나도 살아나는 하등동물과 달리, 포유류의 경우 중추신경은 손상이 되면 재생이 불가능하다고 알려져 있다. 슈퍼맨으로 유명한 ‘크리스토퍼 리브’는 중추신경이 손상된 후 끝내 회복하지 못하고 생을 마감하였다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 뇌과학연구소 허은미 박사, 미국 존스홉킨스 의과대학 Fengquan Zhou 연구팀이 포유류에서 말초신경계의 재생을 유도하는 기전을 밝혔다. 연구결과는 10월 28일 Nature Communications “PI3K-GSK3 signaling regulates mammalian axon regeneration by inducing the expression of Smad1” 제목으로 게재되었다. 공동 연구팀은 말초신경이 손상되면 PI3K 인산화 단백질과 GSK3 인산화 단백질의 활성이 변하고, 이러한 과정을 통해 신경재생을 최종적으로 유발하는 Smad1 유전자가 발현됨으로써 신경이 재생된다는 사실을 발견했다. 이는 말초신경을 재생하는 인자들이 일련의 신호전달과정을 통해 서로 연결되어 있으며 어느 한 인자라도 조절이 제대로 되지 않으면 신경 재생에 치명적인 영향을 초래할 수 있다는 의미이다. <그림 1 참고> * PI3K (phosphoinositide 3-kinase):　세포 내 신호전달 과정을 조절하는 효소로, 세포 성장, 증식 및 분화, 이동, 생존 등 여러 기능을 조절함 * GSK3 (glycogen synthase kinase 3):　글루코스 대사를 조절하는 효소로 밝혀졌으나 신경계에서도 신경세포의 발달 및 분화, 세포 사멸 조절 등 여러 가지 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀지고 있고, 각종 신경성 질환과도 밀접한 관련이 있음 * Smad 1 : 외부 신호를 인식하여 여러 종류의 유전자 발현을 조절함으로써 세포 성장, 분화, 모양 변화, 생존 등의 과정에서 중요한 역할을 하는 전사조절 인자 본 연구에서 발견한 말초신경 재생과 관련한 3개의 인자 PI3K 인산화 단백질, GSK3 인산화 단백질, Smad1 전사조절인자는 우연히도 그동안의 연구를 통해, 중추 신경 재생과 연관이 있다고 개별적으로 밝혀진 몇 안되는 타겟 인자들이다. 타겟 인자의 발견은 수많은 신호전달 과정에 관련된 유전자 및 단백질을 각각 스크리닝 하는 방법을 통해 알게된 것으로, 신경재생과정에서 이들간의 상관관계는 밝혀진 바가 없다. 이들 인자가 일치한다는 것은, 말초 신경 재생과 중추신경 재생이 서로 관련이 있음을 시사한다. KIST 허은미 박사는 “중추신경 재생은 여전히 힘들고 현재까지는 거의 불가능한 것이 사실이지만, 말초신경계에서 일어나는 신경 재생의 기전을 이해함으로써 중추신경 재생에 접근할 수 있을 것으로 보인다. 관련 기전을 밝힘으로써, 재생을 조절하는 새로운 방법을 제안할 수 있다는데 연구의 의의가 있다”고 말했다. 이번 연구는 같은 연구팀에 의해 최근에 개발된 신경재생 모델 (2011년 Nature Communications 제 2권 543호 게제)을 활용한 후속 연구로, 포유류의 신경계 손상과 재생 기전을 이해하는데 한 발 더 다가섰다고 판단된다. ○ 연구진 KIST 허은미 박사 ○ 그림설명 <그림 1> 말초 신경 재생 기작 말초 신경이 손상되면 PI3K 활성화, GSK3 비활성화, Smad1 발현 순서로 재생이 일어난다. 이 과정에서 한 단계가 누락되면 재생은 일어나지 않는다. <그림 2> PI3K-GSK3-Smad1 신호전달 과정이 신경재생에 미치는 영향 가. 생체 내 신경재생 조절 기전을 규명하기 위해 도입한 마우스 모델. 성체 쥐의 신경에 유전자 발현을 조절할 수 있는 물질을 직접 주입한 후 말초신경에 손상을 주어 유도한 유전자의 변화가 신경재생에 미치는 영향을 추적하는 시스템. 나. PI3K와 Smad1이 신경 재생에 체내에서 미치는 영향, 녹색으로 보이는 부분이 재생한 신경세포의 축삭이다. 대조군 신경이 길게 재생이 된 반면, 신호를 저해한 신경은 재생이 상당히 저해되었다.

뇌 속 후각 정보처리의 비밀을 밝히다 - 뇌질환 진단 및 치료의 새로운 전기 마련 뇌에서 후각이 발달하는 원리와, 음식, 성(sex), 공포 등의 다양한 후각자극이 뇌에서 어떻게 구분되는 지가 밝혀졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스센터(미래부 WCI-세계수준연구센터) 올리버 브라우바흐(Oliver Braubach)박사는 물고기의 뇌에서 후각의 발달과정과 정보처리원리를 규명하였고, 관련 내용이 신경과학계 권위있는 학술지인 Journal of Neuroscience지 표지논문으로 선정되었다. 인간이 냄새를 맡고 인지하기 위해서는 냄새를 지닌 화학물질이 후각세포를 자극하고 이러한 자극으로 유입된 정보가 뇌로 전달되는 과정이 필요하다. 인간은 태어나면서 어떤 종류의 후각은 인지하지만, 대부분의 후각은 자라면서 각기 새로운 냄새를 학습하고 인지해나간다. 이처럼 후각의 발달과정은 뇌에서 정보를 형성하고, 습득하여 기억하는 원리와 관련이 있다고 할 수 있다. 본 연구는 뇌가 위험, 성과 같은 선천적 후각자극과, 음식과 같은 후천적 후각자극을 개별적으로 구분한다는 점을 밝히고, 후각자극의 인지가 뇌의 특정영역과 관련이 있음을 발견하였다. 또한 이는 후각이외의 감각기능 전체에 확대 활용할 수 있다는 점에서 의의를 주고 있다. ※ 후각 관련 뇌기능은 뇌 발달 초기에 이루워 짐. 후각은 알츠하이머와 같은 뇌질환을 조기에 발견할 수 있는 감각 기관으로 후각 연구를 통한 뇌 질환 조기진단도 가능 캐나다 Dalhousie University, 일본 RIKEN Brain Science Institute 연구진과의 공동연구를 통해 진행된 본 연구는, 투명관상어 제브라피쉬(Zebra fish)를 이용, 수술이나 절개 없이 살아있는 상태의 뇌가 후각 정보를 형성하고 습득하는 원리와 여기에 관련된 다양한 신경세포의 메커니즘을 규명하였다. 물고기는 뇌의 구조가 인간과 비슷하며, 크기가 작아 뇌를 쉽게 촬영할 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 제브라 피쉬를 수정란 상태부터 성체가 되는 시기까지 지속적으로 관찰하였고 외부냄새를 100%로 차단한 상태에서 서로 다른 냄새로 자극을 가하여 후각처리 및 반응과정을 기록하였다. 이를 통해 후각이 뇌 속 특정영역의 발달에 영향을 미친다는 사실을 발견 하였고, 기존 물고기가 배아상태부터 유전적으로 보유하고 있는 선천적 후각정보 영역이 전체 후각정보 영역의 15%(주로 위험, 성 관련 후각 정보), 자라면서 발달 및 학습과정으로 얻게 되는 후천적 후각정보 처리 영역이 85%(음식 관련 후각 정보)로 구분된다는 사실을 증명 하였다. ※ 비슷한 종류(위험관련그룹/성관련그룹/음식관련그룹)의 냄새들을 인지하는 뇌의 후각 정보 처리영역은 그룹별로 뇌의 비슷한 곳에 위치 KIST 뇌과학연구소 브라우바흐 박사는 “물고기의 후각에 대한 정보는 양식업 등 수산 산업에 활용될 수 있을 수 있으며, 궁극적으로 인간의 뇌 속 감각기능 메커니즘 규명을 통해 기억습득 원리를 밝힐 수 있을 것이며, 이를 통하여 감각기능 손실 및 발달과정에 있어 기억의 손상으로 오는 알츠하이머 등 다양한 뇌질환을 진단, 치료하는 데에도 새로운 돌파구를 마련할 수 있을 것”이라고 밝혔다. ○ 연구진 ○ 그림설명 <그림1> 표지논문 이미지, 현미경을 이용하여 관찰한 제브라 피쉬의 뇌속 후각사구체 발달모습 (위에서부터 수정 이후 11, 21, 35일 지난 모습) <그림2> 뇌에서 선천적 후각과 관련된 부분(노란색, 파란색) 시간이 지나도 구조와 수는 변하지 않고, 일정 시기가 되면 크기가 변화하여 발현된다. (그래프 참고)