선린대학 물리치료과

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뉴런의 놀라운 적응성, 기능이 바뀔 수 있다!

게시일 2015-05-18 08:47

솔크 연구소(Salk Institute) 연구팀은 뇌에서 특별한 역할을 담당하는 뉴런의 기능이 우리가 알고 있는 것보다 훨씬 유동적이라는 것을 발견하였다. 쥐를 이용한 동물 실험을 통해 감각 기관의 자극을 신경 중추로 전달하는 지각 뉴런을 연구하였는데, 단일 분자가 기능 불량을 일으키면 뉴런이 초기 경력(early-career) 상태로 유도되어 다른 기능을 수행할 수 있게 변하는 것을 연구진은 발견하였다. 예를 들어, 시각을 담당하는 뉴런에 고장이 나면, 청각이나 감각을 담당하는 뉴런이 시각 뉴런으로 변할 수 있다는 것이다.

2015년 5월 11일 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재된 본 연구는 신경학자들에게 분자학적으로 뇌 구조가 어떻게 구성되고, 뉴런들의 연결이 어떻게 어긋나게 되는지에 대한 이해를 도울 것으로 기대된다. 본 결과를 이용하면 심각한 뇌 구조의 이상으로 발생하는 자폐증과 같은 정신 질환을 방지하고 치료할 수 있을 것으로 기대된다. “감지 뉴런이 성장해 가는 과정에 놀라운 뇌 적응성 (가소성, plasticity)을 가진다는 전혀 예상하지 못한 새로운 메커니즘을 발견하였다”고 본 연구의 주저자인 솔크 연구소 상급 연구 교수인 안드레아스 젬브르지키(Andreas Zembrzycki)는 말했다.

쥐의 뉴런에서 활성화되지 않은 Lhx2라는 전사인자(transcription factor)의 메커니즘을 이용하면, 유전자 스위치를 켰다 끔으로써 감지 뉴런의 기능을 바꿀 수 있을 것으로 전망한다. 동물에게 있어 Lhx2는 뇌 이외에도 많은 형태의 세포들에게 존재하는 전사인자로서, 태아가 신체를 만드는데 필수적인 요소이지만, Lhx2가 결핍되면 태아는 자궁 내에서 사망한다고 알려져 있다. 그러나 동물이 태어난 이후의 Lhx2의 역할에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다.

“Lhx2의 기능 과정이 뉴런이 다 성장하여 더 이상 분화하지 않는 상태에서도 일어난다. 본 연구를 수행하기 전까지 비교적 다 성장한 뉴런이 다른 기능을 수행하는 형태로 재프로그램될 수 있다는 것을 우리는 전혀 이해하지 못했었다. 본 발견은 뇌 구조가 어떻게 설립되는지에 대한 새로운 통찰을 제공하는 동시에, 기존의 청사진을 바꿀 새로운 신경학적 질환 치료의 잠재적 가능성을 제시할 것으로 기대된다”고 본 논문의 상급 저자인 솔크 연구소 분자 신경학과 빈센트 J. 코츠 체어 홀더인 데니스 오래리(Dennis O`Leary) 교수는 말했다.

학자들은 뉴런이 어떤 특정 기능을 하도록 프로그래밍을 하는 것이 한 번 일어나는 원스텝 과정(one-step process)이라고 믿어왔다. 또한, 과학자들은 뉴런을 생산하는 줄기 세포 역시 성숙하는 과정에서 자신의 기능이 확정된다고 생각했다. 상기 메커니즘이 사실이지만, 솔크 연구팀은 뉴런 형성에 있어 또 다른 스텝이 필요하다는 것을 발견하였다. 그것은 성숙한 뉴런의 Lhx2 전사 인자가 궁극적으로 뉴런의 운명을 조정한다는 것이다.

쥐를 이용한 동물 실험에서, 과학자들은 Lhx2를 조작하여 생후 짧은 시간 만에 뉴런의 운명을 바꾸는 스위치를 만들었다. 출생이 짧은 시간이지만, 이 시간은 쥐의 뉴런이 완전히 형성되고 성숙한 시점에 도달된 시점이다. 연구팀은 Lhx2 조절인자가 뉴런이 다른 감각을 처리하기 위해 하나의 감각 영역에 위치하도록 지시하는 것을 관찰하였다. 즉, 뉴런은 하나의 영역에서 다른 영역으로 확장할 수 있는 것이다. Lhx2를 타깃으로 하는 것이 유기체의 평생에 걸쳐서 뉴런이 본래의 기능을 바꾸는 역할을 하는지는 알지 못하고 있다.

“본 연구 결과는 뇌의 적응성 (plasticity)이 아주 뛰어나다는 것을 보여주는 증거이다. 본 결과는 출생 이후에도 유전적 및 후성적 영향에 의해 뉴런의 기능이 바뀔 수 있다는 것을 시사한다. 뇌 장애에 대한 임상 실험은 아직까지 먼 얘기지만, 이제 우리는 뇌 장애를 극복하기 위한 새로운 접근 방법을 알게 되었다”고 오래리는 말했다.

“현재 본 연구는 쥐를 대상으로 시행한 것으로, Lhx2가 인간에게서는 어떻게 작동할지에 대해서는 아직 모른다. 특히 시간대가 인간에게는 어떻게 적용될 지 모른다. 그러나 우리는 아기의 경우, 출생 이후에도 뉴런의 최종적인 위치에 종착하지 않고 계속해서 뉴런의 연결 과정이 진행 중이라는 것을 안다. 상기 과정은 몇 년에 걸쳐 지속된다”고 젬브르지키는 말했다.

“어쩌면 본 연구 결과는 자폐증 등의 정신 질환을 앓고 있는 어린이들에 대한 조기 치료의 성공률을 높이는데 일조할지도 모른다. 뇌에서 뉴런의 연결은 유전적으로 결정되기도 하지만, 환경적 영향에 의해 후성적으로 이루어지기도 한다. Lhx2를 조절한다면 뉴런 연결의 유전적 및 후성적 메커니즘의 적절한 기준을 찾아 뇌의 연결이 잘못되는 것을 조기에 중재할 수 있을 것으로 기대한다”고 젬브르지키는 말했다.

1. 그림설명: 그림은 쥐의 배아 단계의 전뇌를 나타낸 것으로 오렌지/노란색 영역은 신피질에 있는 뉴런을 유전적으로 조작한 것을 나타낸다. 다른 영역에 있는 대뇌 피질의 줄기 세포 및 뉴런들은 원래의 기능을 유지하고 있다. (제공: 안드레아스 젬브르지키/솔트 연구소)