초파리 탈피행동 조절 메커니즘 규명

 - 2개 뉴런그룹이 탈피 단계별 소요시간 조절…신개념 해충방제제 개발 기여

 - GIST 김영준 교수, KAIST 김도형 박사 연구팀, PLos Genetics 논문 게재

 

 

           

 

 

□ GIST(광주과학기술원) 연구팀이 미국 연구진과의 공동 연구를 통해 대표적인 본능 행동인 곤충의 탈피행동*에 관여하는 뉴런의 작동 원리를 규명하는 데 성공해, 해충 방제를 위한 새로운 농약 개발의 이론적 토대를 마련했다.

 

*탈피행동: 곤충 등 절지동물이 성장 과정에서 허물을 벗는 행동. 이 과정에 문제가 생길 경우 해당 개체는 살아남지 못한다. 탈피행동 조절 메커니즘에 대한 이해는 특정 해충의 탈피 과정을 저해하는 새로운 개념의 해충방제제를 개발하는 데 기여할 수 있다.

 

  ∘ GIST 생명과학부 김영준 교수와 미국 캘리포니아주립대학 리버사이드(UCR)의 마이클 애덤스(Michael Adams) 교수(공동 교신저자)가 주도하고 한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 김도형 박사(제1저자·박사후연수연구원)가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 뇌과학원천기술개발사업, GIST 첨단산업기술기초연구사업, 농촌진흥청의 농업과학기술협동연구사업의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 생명과학 분야의 저명 학술지 플로스 제네틱스(PLoS Genetics) 9월 24일자(현지시각) 온라인판에 게재되었다.

 

* 논문명 : Rescheduling Behavioral Subunits of a Fixed Action Pattern by Genetic Manipulation of Peptidergic Signaling

 

□ 탈피행동유도호르몬(ETH)은 전형적인 본능 행동의 하나인 탈피행동을 일으키는 호르몬으로, 곤충 등 대부분의 절지동물류에서 발견된다. 이 호르몬에 의한 본능행동 조절 방식을 이해하는 것은 동물의 행동을 이해하는 데 중요한 기초가 된다.

 

  ∘ 탈피행동유도호르몬은 신경계에 직접 작용해 여러 펩티드성 뉴런들을 활성화시키는데, 이 다양한 뉴런들이 어떻게 하나의 호르몬에 의해 반응해 복잡한 행동 단계를 결정하는지에 대해서는 자세한 원리가 밝혀지지 않았다.

 

 

 

(그림 1) 특정 뉴런의 선택적 제거를 통한 탈피행동 변화를 보여주는 그림. 초파리의 탈피행동에서 카이닌 뉴런과 CAMB 뉴런을 선택적으로 제거했을 때 나타나는 탈피 단계별 소요 시간 변화. 이를 통해 카이닌 뉴런이 탈피전행동에 관여하고 CMAB 뉴런이 탈피행동에 관여한다는 사실을 밝힘. (A) 카이닌 뉴런만을 선택적으로 제거했을 때, 탈피전행동(첫 번째 단계)의 소요 시간이 무작위적으로 변화함(위쪽 막대그래프). 작은 삼각형들은 각각의 개체가 보인 탈피전행동의 길이를 표시. (B) CAMB 뉴런을 선택적으로 제거했을 때, 탈피행동(두 번째 단계)이 없어짐(아래 막대그래프). 탈피전행동은 탈피행동이 시작되지 않아서 점진적으로 느려지다가 멈춤

 

 

□ 연구팀은 초파리 연구를 통해 카이닌(Kinin)과 CAMB*라는 두 가지 뉴런그룹이 각기 다른 시간에 활성화되어 탈피행동의 특정 단계에 관여한다는 사실을 새롭게 밝혀냈다.

 

* CAMB : 네 가지의 호르몬 (CCAP, Allatostatin CC, MIP, Bursicon)을 모두 분비하는 뉴런으로, 각 호르몬의 영문 맨 앞 글자를 따서 명명되었다. 이 뉴런은 초기에 심장활동 조절과 관련해 연구되어 오다가 최근에는 외골격의 경화과정에 관한 연구가 진행되고 있다. 그러나 점점 더 다양한 호르몬이 분비되는 것이 발견되면서 아직 정확한 기능이 다 알려지지는 않았다.

 

  ∘ 연구팀은 분자유전학적 방법으로 두 뉴런그룹을 조작해 초파리의 탈피행동을 변화시킨 결과, 탈피행동유도호르몬 수용체 양의 조절을 통해 카이닌 뉴런이 탈피전행동(첫 번째 행동)을, CAMB 뉴런이 탈피행동(두 번째 행동)을 조절해 각각의 소요 시간을 조절하는 것을 발견했다.

 

  ∘ 또한 탈피행동유도호르몬 수용체의 양 이외에도 G단백질* 연결 수용체 중 Go 타입이 CAMB 뉴런을 억제함으로써 탈피전행동이 충분히 진행될 때까지 탈피행동이 일어나지 않는다는 사실을 발견했다.

 

* G단백질: 세포막에서 세포질 면과 외면에 걸쳐서 막을 7번 통과하는 구조로 되어있는 수용체로, 사실상 생체 내의 거의 모든 생리적 반응에 관여한다. G단백질 연결 수용체는 Gα 단백질의 종류에 따라 Gq, Gi, Gs, Go의 네 가지 타입으로 나눌 수 있다.

 

 

 

(그림 2) 칼슘 이미징 기법을 통한 카이닌 뉴런과 CAMB 뉴런의 활성 단계의 확인: 칼슘 이미징 기법을 이용하여 탈피행동유도호르몬에 뇌가 노출되었을 때 카이닌뉴런과 CAMB뉴런이 활성화되는 상대적인 시간 차이를 확인함. (A) 칼슘이미징 실험 시 보여지는 뉴런들의 활성 양상. 초파리 번데기의 뇌에서 보여지는 각 뉴런의 위치(A의 오른쪽 상단이미지)와 각 뉴런의 활성양상(A의 왼쪽). 시간이 경과함에 따른 각 뉴런의 활성을 보여주는 스냅사진(A 오른쪽 하단 a부터 h까지). (B) 카이닌뉴런과 CAMB뉴런의 활성시간 평균치. 첫 번째 행동단계를 조절하는 카이닌 뉴런이 항상 먼저 활성화되고 두 번째 행동을 조절하는 CAMB 뉴런은 카이닌 뉴런이 비활성화 된 뒤에 활성화되는 것을 발견하였다.

 

 

□ GIST 김영준 교수는 “이번 연구는 초파리를 이용해 탈피행동과 같은 동물의 본능행동이 어떻게 단계별로 일어날 수 있는지를 설명하는 새로운 이론을 제시한 것”이라며 “특정 해충의 탈피행동 조절 원리를 밝히고 탈피 과정을 타깃으로 한 해충방제제를 개발하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.     <끝>

 

 

 

대외협력팀