시냅토파이신과 시냅신 간 상호작용이 시냅스소낭의 액체-액체 상분리 현상 일으켜
(A) 비신경세포에 시냅토파이신과 시냅신을 발현시킨 후 광학현미경으로 관찰한 사진(파랑 : 세포핵, 초록 : 시냅토파이신, 빨강 : 시냅신)
세포내에서 동그랗게 뭉친 액체-액체 상분리현상을 볼 수 있다.
(B) 단일 액체-액체 상분리 현상을 투과전자현미경으로 본 모습
하단의 실제 신경세포에서 관찰되는 것과 유사한 소낭들의 응집 구조를 비신경세포에서 재현했다.
출처 : 미국 예일대학교 박대훈 박사후연구원
시냅토파이신과 시냅신에 의한 응집 현상이 고체 상태가 아닌 액체 상태이며 높은 유동성을 가짐을 확인했다.
(A) 시냅토파이신과 시냅신을 발현한 비신경세포에서 나타나는 융합 현상
(B) 광표백 후 나타나는 빠른 형광 회복
(C) 형광 회복의 정량 그래프
(D) 액체-액체 상분리 현상을 특이적으로 저해하는 물질인 1,6-HD(1,6-Hexanediol) 처리에 의한 상분리 저해 현상
출처 : 미국 예일대학교 박대훈 박사후연구원
한국연구재단(이사장 노정혜)은 장성호 교수(서울대학교) 연구팀이 미국 예일대학교 연구팀과의 공동연구로 뇌 속 신경전달물질 주머니 간 응집원리를 규명했다고 밝혔다.
뇌 속 신경세포는 시냅스소낭이라는 작은 주머니에 신경전달물질을 보관하고 있다. 신경세포가 자극을 받으면 이 주머니들이 세포막에 융합해 안에 있는 신경전달물질을 분비함으로써 다음 신경세포로 신경전달이 일어나게 된다.
자극이 없는 평상 시 시냅스소낭들은 서로 무리를 지어 뭉쳐 있는데 어떤 원리인지는 잘 알려지지 않았다.
연구팀은 시냅스소낭들이 서로 단단히 뭉쳐 있음에도 불구하고 유동적으로 움직일 수 있는 것을 토대로 고체 상태가 아닌 액체-액체 상분리 현상(liquid-liquid phase separation)에 의한 응집현상일 것이라 가정하고 연구를 진행했다.
액체-액체 상분리 현상은 물과 기름을 섞을 경우 각자 액체로서의 유동성은 지니지만 그 둘은 섞이지 않고 각각 뭉쳐 있는 현상을 말한다.
최근 이같은 상분리 현상이 살아 있는 세포에서도 일어날 것이라는 여러 증거들이 제시돼 왔다. 이에 연구팀은 일련의 연구를 통해 시냅스소낭에 풍부하게 존재하는 두 단백질인 시냅토파이신 (Synaptophysin)과 시냅신(Synapsin) 간 상호작용이 시냅스소낭의 액체-액체 상분리 현상을 일으키는데 결정적인 역할을 하는 것을 규명했다.
또한, 이러한 원리를 이용해 기존에 신경세포에서만 특이적으로 관찰되던 시냅스소낭 응집 구조를 비신경세포에서 그대로 모사할 수 있는 기술을 개발했다.
시냅스소낭 간 자가 응집 현상을 일으키는 두 가지 중요 단백질을 규명했으며, 이 두 단백질을 활용한 비신경세포에서의 시냅스소낭 응집 구조 재현 기술은 앞으로의 기초신경과학 연구와 관련 신경계 질환 연구에 많은 도움이 될 것으로 기대된다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 박사후국외연수사업의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 1월 11일 논문명 ‘Cooperative function of Synaptophysin and Synapsin in the generation synaptic vesicle-like clusters in non-neuronal cells’, 장성호 교수(교신저자/서울대학교), 피에트로 디 카밀리 교수(교신저자/미국 예일대학교), 박대훈 박사(제1저자/미국 예일대학교) 등으로 게재됐다.