< (왼쪽부터) 생명과학과 허원도 교수, 손승규 박사과정, 이진수 박사과정 >

 

우리 뇌 속에는 약 860억 개의 신경세포와 신경세포 간의 신호를 주고받아 우리의 인지, 감정, 기억 등과 같은 다양한 뇌 기능을 조절하도록 돕는 600조 개에 달하는 시냅스가 존재한다. 흥미롭게도 노화나 알츠하이머병과 같은 질병 상황에서 시냅스는 감소하는 것으로 알려져, 시냅스에 관한 연구가 주목받고 있지만 아직 시냅스의 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 데에는 한계가 있다. 

우리 대학 생명과학과 허원도 교수 연구팀이 세계 최초로 시냅스의 형성과 소멸 및 변화를 실시간으로 관찰할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 9일 밝혔다. 

허원도 교수 연구팀은 형광 단백질(dimerization-dependent fluorescent protein, ddFP)을 시냅스와 결합시켜 신경세포 간의 시냅스 연결 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 시냅스(Synapse)와 스냅샷 (Snapshot)을 조합한 시냅샷(SynapShot)이라고 이름 지었고 기존에는 구현하기 어려웠던 시냅스 형성과 소멸 그리고 역동적인 변화 과정을 실시간으로 추적하고 관찰하는데 성공했다.
 

< 역동적으로 변화하는 시냅스르 관찰하기 위해 시냅스 전 단자와 시냅스 후 단자에 가역적인 결합으로 형광 탐지가 가능한 이합체 의존 형광 단백질 (ddFP)를 발현시켜 시냅스 형성 시 형광신호를 관찰할 수 있음 >

 

허원도 교수 연구팀은 초록과 빨강 형광을 띠는 시냅샷을 디자인해 두 개의 서로 다른 신경세포와 연결된 시냅스를 쉽게 구별하여 관찰할 수 있었다. 또한, 빛으로 분자의 기능을 조절할 수 있는 광유전학 기술과 융합하여 신경세포의 특정 기능을 빛으로 조절함과 동시에 시냅스의 변화를 관찰하는 데 성공했다. 
 

허원도 교수 연구팀이 개발한 시냅샷은 미국 존스홉킨스 의대 권형배 교수 연구팀과 공동연구를 통해 살아있는 생쥐에게 시각적 구별 훈련, 운동 및 마취 등 여러 상황을 유도하고 각 과정에서 시냅스의 변화를 실시간으로 관찰해 각각의 시냅스가 상당히 빠르고 역동적으로 변화될 수 있음을 보였다. 이는 살아있는 포유류의 시냅스 변화를 세계 최초로 관찰한 것이다.
 

< 실제로 실험 쥐의 신경세포를 배양하여 시냅스 센서 (SynapShot)을 발현 시킨 후 시냅스 전 단자와 후 단자가 접했을 때 생성 되는 시냅스와 일정 시간 이후 사라지는 시냅스의 변화를 시냅스 센서 (SynapShot) 의 형광 변화를 통해 관찰한 현미경 사진 >

 

교신저자 허원도 교수는 “우리 연구팀이 국내외 연구팀과 공동연구를 통해 시냅샷 기술로 과거에는 구현하기 어려웠던 시냅스의 빠르고 역동적인 형성과 변화를 직접 관찰할 수 있는 가능성을 열었으며, 이 기술은 뇌과학 연구분야의 연구방법론에 혁신을 가져올 것으로 예상되며 뇌 과학의 미래를 밝히는 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다. 
 

생명과학과 손승규(박사과정), 이진수(박사과정), 존스홉킨스 의과대학 정강훈 박사가 공동 제1 저자로 수행한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘네이처 메쏘드(Nature Methods)’2024년 2월호 인쇄판에 게재될 예정이며, 2024년 1월 8일자로 온라인판에 게재됐다. (논문명: Real-time visualization of structural dynamics of synapses in live cells in vivo). (Impact Factor: 47.99). (DOI: 10.1038/s41592-023-02122-4)
 

< 이합체 의존 형광단백질 (ddFP)은 녹색 형광 뿐만 아니라 적색 형광 단백질도 존재하며, 이를 이용 시 청색광 활성 광유전학 기술과 함께 적용이 가능함. 광유전학 기술로 청색광에 의해 Tropomyosin receptor kinase B (TrkB)를 활성시킨 후 뇌유래신경영양인자의 신호를 통한 시냅스 연결 강화를 적색-SynapShot로 관찰함 >
 

< 녹색-SynapShot과 적색-SynapShot을 동시에 활용하여 하나의 후 단자와 서로 다른 전 단자와의 시냅스를 구별하여 관찰함 >
 

< 세포 수준에서뿐만 아니라 이광자 현미경 (two-photon microscopy)으로 생체 내 이미징 기술을 이용하여 시각적인 훈련을 통해 학습시킨 생쥐의 시각 피질에서 실시간으로 변화하는 시냅스를 관찰한 현미경 사진 >
 

한편, 이번 연구는 KAIST 중견연구자지원사업, KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐다.