[연구필요성]
서울대 의과대학 장성호 교수 연구팀은 조울증과 지적장애의 핵심 원인 단백질인 nArgBP2의 작용기전에 관해 연구하여, 2016년 미성숙한 신경세포에서의 nArgBP2의 결핍이 비정상적인 형태의 수상돌기 가시 형성을 초래하고 흥분성 시냅스 발달을 저해하여, 신경계 흥분성/억제성 신호의 불균형을 유발함을 규명하였고, 이것이 조울증의 원인으로 작용할 수 있음을 제시한 바 있다 (PNAS, 2016).
흥미롭게도 연구팀은 미성숙한 신경세포에서와는 달리, 성숙한 신경세포에서는 nArgBP2의 결핍이 활성화되지 않은 신경세포에서는 어떠한 신경세포의 구조 형태학적 결함을 보이지 않는다는 사실을 발견하였다.
그러나 성숙한 신경세포에서도 시냅스 장기강화를 통해 활성화를 유도하면 nArgBP2의 결핍이 시냅스의 구조적 가소성을 억제하는 현상을 발견하였다.
본 연구는 성숙한 신경세포에서 nArgBP2가 신경 활성화에 따라 어떻게 다르게 작동하는가, 어떻게 신경 구조적 가소성을 조절하는가를 규명하기 위하여 진행되었다.
[연구성과/기대효과]
연구진은 살아있는 세포 및 세포 외 연구에서 nArgBP2 단백질이 액체-액체 상 분리 현상으로 외부와 구별된 액상 응집체를 이루고 있다는 사실을 발견하였다.
응집된 nArgBP2는 시냅스 장기강화를 통한 활성화 유발 시 칼슘/칼모듈린 의존 단백질 인산화효소 (CaMKIIα) 에 의해 분해되고, 액상 응집체로부터 유리된 nArgBP2는 액틴 세포골격 형성에 관여하는 다른 단백질과의 상호작용으로 신경 수상돌기 가시의 구조적 가소성 및 시냅스 신호전달을 조절함을 규명하였다.
본 연구는 액상 간 상 분리 현상이 실제로 살아있는 신경세포 내에서 생리학적 기전을 영향을 줄 수 있음을 규명한 중요한 연구결과로, nArgBP2 액상 응집체의 이상현상이 조울증 및 지적장애 질환의 원인 기전일 수 있음을 제시하였다.
나아가 nArgBP2가 강박 장애, 자폐증의 원인으로 알려진 신경계 단백질들과 활발하게 상호작용하므로, 본 연구의 결과는 관련된 다양한 기분장애 및 신경정신질환의 유발 기전 및 세포 내 상호작용기작 규명 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
[본문]
현 사회에서 조울증은 높은 속도로 증가하는 질환 중 하나다. 국민건강보험공단에 따르면 2020년 조울증 진단을 받은 환자는 11만 1731명으로, 2016년에 비해 35.2% 증가세를 보였다. 이처럼 가파른 증가에도 조울증 등 다양한 신경정신질환의 명확한 기전은 여전히 밝혀지지 않아 이에 관한 지속적인 연구가 필요하다.
최근 연구들에서 세포 내에서 다양한 단백질들이 유동성을 가진 응집체로써 뭉치는 액체-액체 상 분리 현상을 일으킨다고 보고되었다. 또한, 이러한 현상이 알츠하이머, ALS 등 다양한 뇌 질환 유발의 새로운 주요 기전으로 제시되었다. 그러나 대부분의 연구가 분리된 단백질을 시험관 내에서 확인했기 때문에, 실제로 세포 내에서 상 분리 현상이 세포의 생리학적 기전 조절과 관련 있는지는 논란으로 남아 있다.
서울대학교 의과대학 장성호 교수 연구팀은 2016년 조울증과 지적장애의 핵심 원인 단백질인 nArgBP2의 신경계 내 결핍이 발달 중인 신경 세포에서 비정상적인 형태의 수상돌기 가시 형성에 영향을 끼쳐 신경계 흥분성/억제성 신호의 불균형을 유발함을 규명하고, 이 기작이 조울증 유발의 신경생리학적 기전이라는 사실을 규명한 바 있다 (조울증 유발 단백질의 핵심 메커니즘 규명 출처: [BRIC Bio 통신원] 조울증 유발 단백질의 핵심 메커니즘 규명…. 서울대학교 장성호 교수팀 ( https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=272599 ).
하지만 추후 계속된 연구에서, 미성숙 신경세포에서와는 달리, 수상돌기 가시가 이미 형성된 후인 성숙한 신경 세포에서는 nArgBP2의 발현을 억제해도 기존 수상돌기 가시의 형태에 영향을 미치지 않으나, 신경계 학습과 기억과정의 기전인 신경가소성을 유발하였을 때에는 수상돌기 가시의 크기증가를 억제한다는 사실을 발견하였다.
연구팀은 어떻게 활성화되지 않은 성숙한 신경세포에서 nArgBP2의 발현 억제가 신경세포에 아무런 영향을 끼치지 않으나, ‘시냅스 장기강화 (synaptic long-term potentiation)’ 자극을 통하여 활성화가 유도된 신경세포에서는 nArgBP2의 발현 억제가 심각한 구조적 가소성 유발을 억제하는지에 대한 신경생리학적 기전을 연구하였다.