기억이 만들어지는 실시간 영상

동물에서는 아직 성공하지 못했던 기억의 분자적 근거에 대한 이해가 기술적 역작으로 가능하게 되었다. 학술지 Science 의 1월 24일 발간호에 실린 두 논문에 따르면 뇌에서 기억이 형성되는 방법을 관찰할 수 있는 기술 개발을 위해, 고도의 영상기술이 알버트 아인슈타인의대 (Albert Einstein College of Medicine of Yeshiva University) 학자들에 의해 이용되었다. 즉, 기억을 만드는 핵심적 분자들이 형광으로 표식되어, 이들 분자가 살아있는 뇌 세포에서 이동하는 것을 실시간으로 관찰할 수 있는 모델 생쥐가 이 연구팀에 의해 개발되었다.

뉴런이 기억을 만드는 방법을 밝히기 위한 노력에 있어 주요 장애물은 뉴런이 어떤 종류의 손상(disruption)에도 극도로 민감한 한편, 뇌의 가장 내밀한 움직임의 감지를 통해서만이 기억이 축적되는 분자적 프로세스를 알 수 있다는 점이다. 뉴런을 손상시키지 않으면서 깊은 곳을 관찰하기 위해서, 베타 액틴 단백질(beta-actin protein)을 코딩하는 모든 전령 RNA(mRNA)에 형광 꼬리표를 붙였는데, 이 단백질은 뇌의 뉴런에서 다량으로 발견되는 필수적 구조(structural) 단백질이다.

이번 연구에서 생쥐의 해마 뉴런이 자극된 후, 형광을 발하는 베타 액틴 mRNA 분자들이 뉴런의 핵에서 만들어지고, 뉴런의 돌출부위인 수상돌기 (dendrites) 내부로 이동하는 것이 관찰되었는데, 해마는 기억이 만들어지고 저장되는 곳이다. 뉴런에서 “차폐(masking)”와 “비차폐(unmasking)”로 기술되는 새로운 프로세스를 통해 mRNA가 조절된다는 것을 이 연구자들이 발견했는데, 이 프로세스를 통해서 베타 액틴 단백질이 특정 시간과 장소에서 특정 양으로 합성되는 것이 가능하다. 이번 연구에서 관찰된 베타 액틴 단백질은 ‘보통(normal)’ RNA로 생쥐의 자연 발생적 베타 액틴 유전자로부터 전사되었다고 한다. 그리고 이 mRNA에 녹색의 형광 단백질의 부착으로 생쥐에 어떤 영향이 초래되지 않았고, 생쥐는 건강하며 생식도 가능했다고 한다.

뉴런들은 시냅스에서 합쳐지는데, 시냅스에서는 뉴런의 가느다란 수지상 돌출부들이, 한 손의 손가락들이 다른 손의 손가락들을 결속하는 것처럼, 서로를 붙잡고 있다. 반복적인 신경 자극은 이처럼 서로 맞물린 수상돌기의 모양을 변화시킴으로써, 시냅스 연결의 강도를 증가시킨다는 것을 의미하는 증거들이 얻어졌다. 즉, 베타 액틴 단백질이 수상돌기의 모양을 변화시킴으로써 이들 시냅스 연결이 강화되는 것으로 나타났다. 서로 인접한 뉴런들 사이에 안정적이고 오래 지속되는 시냅스 연결이 형성될 때 기억이 암호화되는 것으로 생각된다.

박(Hye Yoon Park) 박사의 연구는 형광의 베타 액틴 mRNA를 가지는 생쥐 개발에 중요한 기여를 했다. 박 박사는 생쥐 해마의 개별(individual) 신경을 자극해서, 10~15분 이내에 베타 액틴 mRNA가 새로 형성되는 것을 관찰했는데, 이는 신경자극으로 인해 베타 액틴 유전자의 전사가 신속하게 일어난다는 것을 시사한다. 이렇게 전사된 베타 액틴 mRNA 분자들이 지속적으로 모여 큰 입자로 되고 해체되어 작은 입자(particles)로 된다는 것을 시사하는 추가적 관찰들이 얻어졌다. 그리고, 이들 mRNA입자가 그들의 목적지인 수상돌기로 이동하는 것이 관찰되었는데, 그 곳은 베타 액틴 단백질이 합성될 장소이다.

베타 액틴 단백질의 합성을 조절하는 방식에 있어 뉴런이 독특한 세포라는 것이 두 번째 논문에서 확인되었다. 길고 가느다란 구조물을 가진다는 것은 뉴런에 수송 문제(logistical problem)가 있다는 것을 의미한다. 베타 액틴 mRNA 분자들이 뉴런의 도처로 이동될 것이지만, 베타 액틴 단백질은 수상돌기 기저부(base)의 특정 부분에서만 만들어지기 위해서는 뉴런이 그의 mRNA를 조절해야 한다.

뇌의 뉴런이 이런 일을 해내는 새로운 메커니즘이 이번 연구에서 밝혀졌다. 베타 액틴 mRNA는 해마 뉴런의 핵에서 만들어지자마자 세포질로 이동해나가, 과립으로 포장되고, 단백질 합성을 위한 접근이 차단되었다. 그리고, 뉴런의 자극으로 인해서 입자가 부서지고, 그 결과로 비차폐 상태로 되어, 그 mRNA가 베타 액틴 단백질의 합성에 이용될 수 있게 된다는 것이 확인되었다.

그런데 한 가지 의문은 이렇게 새로 해방된 mRNAs로부터 필요 이상의 베타 액틴 단백질이 만들어지는 것은 어떻게 차단되나? - 뉴런에서 mRNA의 가용성은 일시적인 현상이라는 것이 확인되었다. 즉, 베타 액틴 단백질이 수분 동안만 만들어진 다음, mRNA 분자가 갑자기 다시 포장되어 또 다시 차폐되는 것이 관찰되었다. 즉, 뉴런에서 mRNA의 기본 상태(default condition)는 포장되어 접근 불가상태인 것이다.
이번 발견은 기억을 만드는 단백질이 그의 임무를 수행하는 방법을 조절하기 위해서 독창적인 전략을 뉴런이 개발했다는 것을 시사한다. 뉴런이 단백질 합성을 선택적으로 활성화시키고, 정지시키는 이번 관찰은 우리가 생각하는 기억 형성 방법과 완벽하게 맞아떨어진다는 것이 생거(Singer) 박사의 설명이다. 뉴런을 자주 자극하면 mRNA가 자주 활용 가능하게 되고, 그리하여, 시냅스 강화가 필요한 곳에 축적이 정확히 일어나게 되는 것이라는 것이다.

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014010450&service_code=03

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