< DGIST 뇌·인지과학전공 엄지원, 고재원 교수, 석박사통합과정 김승준, 김진후, 박동석 학생 >

- DGIST 뇌‧인지과학전공 고재원‧엄지원 교수 공동연구팀, 뇌신경회로 내 억제성 시냅스 신경전달 조절 메커니즘 밝혀내
- 불안장애, 우울증 등 뇌정신질환 치료제 개발을 위한 신규 바이오마커 제시

□ DGIST 뇌·인지과학전공 고재원 교수, 엄지원 교수 공동연구팀이 뇌 신경회로 내 억제성 시냅스 신경전달을 조절해 불안장애를 교정할 수 있는 신규 후보표적을 발견했다고 21일(수) 밝혔다. 이번 연구 성과는 불안장애를 수반하는 뇌 정신질환인 우울증이나 외상 후 스트레스 장애(PTSD) 등 신규 치료제 개발을 위한 새로운 연구 방향을 제시할 것으로 기대된다.

□ 시냅스는 신경정보를 빠르고 정확하게 전달하는 특별한 창구로 작동하며 모든 뇌기능을 관장한다. 시냅스는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 구분되는데, 이들 시냅스는 뇌기능이 정상적으로 작동할 수 있도록 서로 길항적으로 작용해 신경회로 네트워크의 균형을 유지한다. 특히 특정 영역의 억제성 시냅스가 망가질 경우 기억력 감퇴, 자폐증, 우울증 등이 발생하며, 이러한 메커니즘이 어떻게 조절되는지 확립된 분자 원리가 없었다.

□ 이에 고재원‧엄지원 교수 공동연구팀은 지난 2016년 억제성 시냅스 단백질인 IQSEC3를 최초 발굴했다. 또한 지난해에는 IQSEC3가 기억, 학습 등 뇌의 고등기능을 매개하는 부위인 해마 치아이랑(hippocampal dentate gyrus)의 신경회로 활성과 소마토스타틴(somatostatin) 펩타이드 양을 조절해, 억제성 시냅스 발달을 조절하는 핵심 인자임을 규명한 바 있다. 이러한 연구결과를 바탕으로  이번 연구에서는 IQSEC3 단백질이 외부자극에 반응해 억제성 시냅스 발달을 매개하는 핵심 전사인자인 Npas4 단백질의 하위 인자로 작동하면서, 뇌의 해마 영역 내 소마토스타틴을 분비하는 특정 억제성 신경세포의 시냅스 신경전달을 조절함을 증명했다.

□ 또한 연구팀은 화학유전학(chemogenetics) 기법을 통해 상위 인자인 Npas4와 하위인자인 IQSEC3의 작동경로가 뇌 속 억제성 신경세포 활성을 관장해 불안 행동을 조절함을 규명했다. 특히 IQSEC3 단백질이 신경세포들의 활성을 억제하는 신경전달물질인 가바(GABA)의 분비를 촉진하여 해마 내 네트워크 활성 조절을 통한 특정 행동을 제어하는 신규 메커니즘을 제시했다.

□ DGIST 고재원 교수는 “엄지원 교수팀과의 지속적인 공동연구를 통해 IQSEC3 단백질이 뇌 억제성 신경회로 활성을 조절하는 일관된 단서들을 꾸준히 확보하고 있다”라며, “본 연구는 IQSEC3이 흥분성-억제성 균형을 유지하는 핵심 인자로서 작동하는 새로운 규칙을 규명해, 불안장애 등 뇌정신질환의 치료제 개발에 도움을 줄 수 있을 것”으로 소감을 밝혔다.

□ 이번 연구성과는 DGIST 뇌·인지과학전공 김승준, 박동석, 김진후 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 국제학술지 ‘셀 리포트(Cell Reports)’에 20일자 온라인 게재됐다. 아울러 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘뇌과학원천기술개발사업’, ‘중견연구사업’, 그리고 대구경북과학기술원의 ‘미래선도형특성화연구’의 지원을 받아 수행됐다.
 

[그림] 불안행동을 조절하는 억제성 시냅스 단백질 IQSEC3의 작동 기전
감각, 인지, 운동, 사회적 자극을 증가시킬 수 있는 환경 (enriched environment)에 마우스를 사육하면 해마 CA1 영역의 특정 층 (stratum oriens layer)에 위치한 소마토스태틴 억제성 신경세포에서 Npas4 단백질과 함께 IQSEC3 단백질 발현이 증가하여 억제성 신경전달을 촉진시킴. 이를 통해 해마 CA1의 흥분성 신경세포의 활성이 음성적으로 조절되며, 불안행동을 매개함.