기초과학연구원(IBS, 원장대행 김영덕) 기억 및 교세포 연구단과 한국뇌연구원(KBRI) 공동연구진이 별세포(Astrocyte)를 이용해 원하는 시냅스를 정밀 제거해 뇌 회로를 재구성하는‘신트로고(SynTrogo)' 기술을 개발했다. 가지치기로 남은 가지들이 튼튼하게 자라듯, 남은 시냅스의 구조와 기능이 강화되어 학습 및 기억 능력이 향상됐다. 이번 연구는 시냅스 제거로 뇌 회로의 구조와 기능 자체를 변화시킨 첫 사례로서, 자폐·조현병 등 퇴행성 뇌 질환 치료에 새로운 패러다임이 열릴 것으로 기대된다.

우리 뇌는 수조 개의 시냅스가 복잡하게 연결된 회로, ‘커넥톰(Connectome)’으로 이뤄져 있다. 이는 기억, 감정, 판단 등 인지 과정의 토대가 된다. 그동안 뇌 연구는 시냅스를 통한 신경세포 간 정보 전달 조절에 집중돼 왔으며, 정보가 흐르는 통로인 커넥톰 자체를 편집하는 것은 불가능한 영역으로 여겨져 왔다.

연구진은 면역세포가 상대 세포의 일부분만 마치 뜯어 먹듯 떼어내 제거하는 ‘트로고사이토시스(Trogocytosis)’현상에 착안해 이를 인위적으로 유도하는 합성 단백질을 제작했다. 신경세포의 시냅스에는 형광단백질(Green Fluorescent Protein, GFP)¹⁾ 을, 별세포에는 이에 결합하는 나노바디(GFP nanobody)²⁾ 수용체를 발현시켜 두 세포가 강하게 결합하도록 설계했다. 그 결과 별세포가 표적 시냅스 부위를 효과적으로 포획하고 제거하는 데 성공했다. 별 세포가 신경세포 전체를 손상하지 않고 목표한 시냅스만을 떼어먹어 뇌 회로를 편집하도록 만드는‘신트로고' 기술을 개발한 것이다.

신트로고 기술을 생쥐의 해마 신경회로에 적용하자 시냅스 밀도가 약 27% 감소했다. 일반적으로 시냅스가 줄면 뇌 기능도 저하된다고 생각하기 쉽지만, 흥미롭게도 살아남은 시냅스들의 크기가 커지고 기능이 대폭 강화되는 등 ‘양적 감소’가 ‘질적 향상’으로 이어졌다. 전자현미경 분석 결과, 남은 시냅스들은 신경전달물질 소낭³⁾ 수와 미토콘드리아의 부피가 증가하며 구조가 더욱 견고해졌다. 특히 신경 가소성에 핵심인 가시돌기 소포체(Spine Apparatus)를 갖춘 스파인(Spine)⁴⁾의 비율이 크게 늘어, 신호를 보다 확실하게 전달하는 방식으로 뇌 회로가 재편됐다.

또한 신경 연결이 강화되는 현상인 장기강화(Long Term Potentiation, LTP)⁵⁾도 증가해, 신경 가소성과 회로 전체의 학습 능력이 향상됐음을 확인했다. 연구진은 이러한 변화가 실제 인지 기능 향상으로 이어짐을 동물실험을 통해 입증했다. 신트로고 기술이 적용된 생쥐는 약한 자극으로 형성된 공포 기억을 더 선명하고 오래도록 유지했으며, 기억 소거 후에는 기존 기억에 고착되지 않고 새로운 기억으로 유연하게 대체하는 능력을 보였다.

공동 교신저자 KBRI 이계주 책임연구원은 “시냅스가 감소한 상황에서도 뇌 회로가 스스로 적응하고 기능을 강화하는 근본 원리를 규명했다”며 “다양한 뇌 질환 모델에서 인지 기능 회복을 위한 중요한 단서를 제공할 것”이라고 밝혔다.

공동 교신저자 IBS 이창준 단장은 “이번 연구는 시냅스 수의 이상으로 발생하는 조현병이나 자폐증, 혹은 시냅스 손실이 특징인 퇴행성 뇌 질환 치료를 위한 새로운 플랫폼이 될 것”이라고 덧붙였다.

교신저자 IBS 이상규 차세대 연구리더는 "합성생물학적 접근으로 뇌 회로를 시냅스 단위로 편집할 수 있음을 보여준 사례"라며 "이 기술은 미래 ‘커넥톰 편집' 시대의 기술적 근간이 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 15.7)’에 4월 15일 오후 6시(한국시간) 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림1] 신트로고에 의한 시냅스 제거 및 잔존 시냅스의 구조적, 기능적 강화
(A) 신트로고를 통한 시냅스 제거 개념 모식도. (B) 배양된 신경세포와 별세포의 결합 유도를 통해 신경세포의 형광물질이 별세포 내부로 이동하는 현상 확인 (C) 세포 실험과 유사하게 실제 생쥐 해마에서도 표적 흥분성 시냅스의 시냅스 분자가 별세포 내부에서 증가해, 별세포가 시냅스를 잡아먹는 트로고사이토시스(Trogocytosis)가 일어났음을 시사함 (D) 뇌조직을 3차원으로 재구성한 전자현미경 이미지에서 별세포의 미세돌기가 축삭을 꼬집듯 감싸는 구조가 확인됨 (E) 신트로고 이후 시냅스의 감소됨을 관찰 (F) 남은 축삭 말단에 연결된 스파인 개수는 감소했으나, 축삭 내 시냅스 소포(synaptic vesicle)와 시냅스 후밀접부(Postysynaptic density)의 증가, 미토콘드리아의 부피 증가, 시냅스 소기관을 갖춘 스파인(Spine Apparatus)의 비율이 높아짐 (G) 전기생리학분석을 통해 신트로고군은 대조군 대비 현저히 높은 장기강화(LTP)를 보임 (H) 공포 조건화 행동 실험에서 단기 기억 형성과 장기 기억 유지 능력이 모두 향상되었음. 이는 시냅스의 양적 감소가 구조적 재편을 거쳐 인지 기능 향상으로 이어진다는 것을 보여줌

[그림2] 신트로고 기술 모식도 (4컷 만화)

[그림3] 신트로고 기술 모식도 (1컷 만화)

1) 녹색 형광단백질(GFP) : 특정 빛을 받으면 초록색으로 빛나는 단백질로 세포나 단백질 위치를 확인하는데 사용됨

2) 나노바디(nanobody) : 특정 단백질을 정확히 인식해 결합하는 작은 항체 단백질

3) 소낭 : 신경세포에서 신경전달물질을 저장하고 필요할 때 방출하는 작은 주머니 구조

4) 스파인(spine) : 신경세포의 가지에 형성되는 돌기 구조로, 다른 신경세포와 시냅스를 이루는 부위

5) 장기강화(LTP) : 반복적인 자극을 통해 신경세포 간 연결이 장기간 강화되는 현상으로 학습과 기억의 중요한 기전