신경전달물질 분석시스템 개발

보톡스 대체물 발굴 기대

 

     - 효모 이용한 인간 신경세포 신호전달 모방, 신경전달 물질 이해에 기여

     - 전영수 교수팀(생명), 미국국립학술원회보(PNAS)에 논문에 게재 성과

 

 

       

 

 

□ 국내 연구진이 인간 신경세포들 사이에서 신호를 전달하는 과정인 시냅스소낭 막융합*을 안정적으로 분석하는 시스템을 개발했다. 신경전달 과정에 대한 이해는 물론, 보톡스** 같은 신경전달에 관여하는 물질의 발굴을 위한 핵심도구로 활용될 것으로 기대된다. 

 

 * 시냅스소낭 막융합 : 신경세포에서 다른 신경세포로 신호를 전달할 때, 감정, 행동, 기억 등 두뇌활동을 매개하는 신경전달물질(neurotransmitter)이 담긴 시냅스소낭(synaptic vesicle)이 신경세포막과 막융합을 통해 시냅스 간극으로 신경전달물질을 분비하는 과정 

 ** 보톡스 : 보툴리늄 세균이 분비하는 신경독소. 시냅스소낭 막융합에 관여하는 스네어 단백질을 제거하는 방식으로 신경신호 전달을 억제하며, 통증치료와 미용치료에 사용되며, 부작용으로 근육마비 또는 사망 위험 등이 지적됨

 

  o 광주과학기술원(GIST) 생명과학부 전영수 교수(교신저자)가 주도하고 고영준, 이미리암 연구원(공동 제1저자)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업과 GIST 바이오광학영상센터연구사업의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 국제학술지 미국국립학술원회보(PNAS) 온라인판 5월12일자에 게재되었다. (논문명 : In vitro assay using engineered yeast vacuoles for neuronal   SNARE-mediated membrane fusion)

 

 

□ 신경세포 간의 신호전달의 핵심은 신경세포 안에 존재하며, 다양한 신경전달물질을 담고 있는 시냅스소낭이 신경세포의 막과 융합하는 과정이다.

 

  o 신경전달물질 연구에서 시냅스소낭 막융합 과정을 분석하기 위해 신경세포의 생체막을 이용하는 것이 좋지만, 비용이 많이 들고 분석이 어렵다. 현재 합성리포좀을 이용하는 방식이 널리 사용되고 있으나, 실험결과의 해석은 용이하지만, 합성물질이라는 한계가 있었다.

 

□ 이에 연구팀은 사람의 스네어* 유전자를 가진 효모**를 제작하고, 인간 시냅스소낭 막융합을 모방한 효모 액포*** 사이의 막융합 반응을 시험관에서 구현하였다.

 

 * 스네어(SNARE) : 생체막융합을 유도해 세포 내 물질이동을 조절하는 단백질

 ** 효모(yeast) : 빵이나 맥주 등 발효에 이용되는 단세포 생물. 사람세포처럼 세포내 핵(nucleus)을 갖는 진핵세포여서 실험모델로 많이 이용된다. 

 *** 액포(vacuole) : 사람 세포의 리소좀에 해당하는 효모의 세포 소기관으로 단백질, 지질 등 다양한 생체 고분자 물질의 분해 및 재활용이 일어난다.

 

  o 동 방식은 효모에서 매번 동일한 스네어 단백질을 가진 액포를 분리, 정제할 수 있어 기존 분석시스템의 재현성 문제를 극복할 수 있으며, 효모는 대량 배양에 유리하기 때문에 화합물 발굴 등 대규모 스크리닝 연구에 응용할 수 있다는 것도 장점이다. 

 

  o 향후 신경전달 과정을 조절하는 화합물 발굴, 개발, 검증 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

□ 효모의 액포막융합 과정은 인간신경세포의 시냅스소낭 막융합을 억제한다고 알려진 보톡스에 의해 반응이 억제됐다.

 

  o 전영수 교수는 “개발된 분석시스템이 인간의 시냅스소낭 막융합의 특성을 그대로 보여주고 있어 동 연구성과는 보톡스의 효능개선, 대체물 개발 등 다양한 연구활동에 기여할 것”이라고 밝혔다.     <끝>

 

 

홍보기금팀‧홍보전략부

 

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그림 1. 형질전환 효모의 액포를 이용한 시냅스소낭 막융합 분석시스템 모식도

 

(왼쪽) Syntaxin(보라색)과 SNAP25(노란색)를 발현하도록 제작한 효모의 액포(pretease라고 표기된 회색 구)는 단백질 분해효소(protease)를 포함하고 있고, Synaptobrevin(녹색)을 발현하는 효모의 액포(pro-ALP라고 표기된 회색 구)는 알칼리성 탈인산화효소의 전구체(pro-alkaline phosphatase, pro-ALP)를 포함하고 있다.
(가운데) 이들 액포를 서로 섞어주면 Syntaxin/SNAP25와 Synaptobrevin간 trans-SNARE complex가 형성되면서 (오른쪽) 액포 간의 막융합(membrane fusion)이 일어난다.
(아래) 막융합으로 두 액포의 내용물이 섞이면 단백질분해효소에 의해 알칼리성 탈인산화효소가 활성화되는데 이때 활성화된 효소가 기질인 pNpp(무색)를 pNp(노란색)로 바꾸는 정도를 측정하면 두 액포 간의 막융합을 정량적으로 측정할 수 있게 된다.

 

 

그림 2. 보톡스에 의한 시냅스 스네어에 의한 액포막융합 반응의 억제 효과

(a) 시냅스소낭 막융합 억제물질인 보톡스를 넣어주면 농도와 비례하여 액포막융합을 억제한다. 온도가 낮은 조건(Ice)에서는 막융합이 일어나지 않지만 27°C에서는 일정 수준의 막융합이 일어나는데 이 때 보톡스 농도를 점차 증가시키면 농도에 비례하여 막융합이 억제된다. 1mM에서는 막융합이 거의 일어나지 않았다. 대조군으로 사용한 시냅스소낭 막융합의 억제인자로 알려진 Synaptobrevin의 세포질쪽 도메인 및 인지질 리간드인 MED에 의해서도 막융합이 억제됐다.
(b) 보톡스에 의한 막융합 억제효과가 실제 시냅스 스네어(SNAP25)의 분해 때문임을 관찰하였다. 막융합 반응 후 반응물 전체를 단백질 전기영동법에 의해 분리시킨 후 면역블로팅 기법을 통해 SNAP25의 분해여부를 확인하였다. 보톡스를 첨가했을 때 잘려져 크기가 작아진 SNAP25가 있음을 확인할 수 있었다. Pep4p 단백질은 각 샘플에 비슷한 양의 단백질이 존재하고 있음을 보여주는 대조군으로 사용되었다.