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제목 시냅스 조절하는 핵심단백질 구조 규명 등록일 2017.07.08 17:11
글쓴이 에디스젠 조회 1043
김호민 교수(한국과학기술원)·고재원 교수(대구경북과학기술원) 연구팀이 신경세포 연결을 조절하는 핵심단백질인 MDGA1*의 3차원 구조를 규명하여 시냅스* 발달을 조절하는 메커니즘을 제시하였다고 미래창조과학부․한국연구재단은 밝혔다.
    * MDGA1 : 시냅스 내 단백질로 시냅스형성 조절뿐만 아니라 신경세포의 발생과 증식에도 관여
    * 시냅스 : 신경전달물질의 분비와 흡수가 일어나는 신경세포의 접합부위로 학습과 기억, 감각, 운동 등을 조절하는 뇌 활동의 기본단위

김호민 교수(한국과학기술원)·고재원 교수(대구경북과학기술원)의 연구 내용은 뉴런(Neuron) 6월 21일자에 게재되었다.

  - 논문명 : Structural Insights into Modulation of Neurexin-Neuroligin Trans-synaptic Adhesion by MDGA1/Neuroligin-2 Complex
  - 저자정보 : 김호민 교수 (교신저자, 한국과학기술원), 고재원 교수 (교신저자, 대구경북과학기술원), 김정아 박사과정 (제1저자, 한국과학기술원), 김도연 박사(제1저자, IBS 시냅스 뇌질환 연구단)

뇌는 많은 신경세포로 이루어져 있고, 두 신경세포가 연접하면서 형성되는 시냅스라는 구조를 통해 신호를 전달하면서 그 기능을 수행한다.

대표적인 시냅스 접착 단백질*로 알려진 뉴롤리진(Neuroligin)*과 뉴렉신(Neurexin)*은 상호작용을 통해 흥분성 시냅스(excitatory synapse)*와 억제성 시냅스(inhibitory synapse)*의 발달 및 기능을 유지한다.
    * 시냅스접착단백질 : 신경세포 막에 존재하는 단백질이며, 초기 시냅스가 물리적으로 접합되도록 도우며 시냅스 신호전달이 원활하게 일어날 수 있도록 함.
    * 뉴롤리진(Neuroligin) : 시냅스 후막에 존재하는 시냅스 접착단백질
    * 뉴렉신(Neurexin) : 시냅스 전막에 존재하는 시냅스 접착단백질
    * 흥분성 시냅스(excitatory synapse) : 다른 신경세포를 흥분시키는 물질을 방출하는 시냅스
    * 억제성 시냅스(inhibitory synapse) : 다른 신경세포의 흥분을 억제하는 물질을 방출하는 시냅스

연구팀은 뉴롤리진(Neuroligin)과 뉴렉신(Neurexin)의 결합을 조절하는 MDGA1의 3차원 구조와 억제성시냅스(inhibitory synapse)의 형성을 저해하는 메커니즘을 규명하였다.

김호민 교수는 “이번 연구성과는 단백질 구조생물학과 신경생물학의 유기적인 협력 연구를 통하여 시냅스 발달 조절에 핵심적인 MDGA1의 구조와 작용 메커니즘을 규명하였다는데 의미가 있다. 시냅스 단백질들의 기능 이상으로 나타나는 다양한 뇌정신질환의 발병 메커니즘을 폭넓게 이해하는 밑거름이 될 것이다. 향후 뇌신경·뇌정신질환 치료제 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

본 연구는 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었다.

논문의 주요내용

□ 논문명, 주저자정보 

   - 논문명 : Structural Insights into Modulation of Neurexin-Neuroligin Trans-synaptic Adhesion by MDGA1/Neuroligin-2 Complex

   - 저자 정보: 김호민 교수 (교신저자, 한국과학기술원), 고재원 교수 (교신저자, 대구경북과학기술원), 김정아 박사과정 (제1저자, 한국과학기술원), 김도연 박사(제1저자, IBS 시냅스 뇌질환 연구단)  

□ 논문의 주요 내용 

 1. 연구의 필요성 
  ○ 뇌가 발달함에 따라 신경세포 사이에 흥분성 시냅스(excitatory synapse)와 억제성 시냅스(inhibitory synapse)가 만들어 지면서 신경전달이 효율적으로 일어나는데, 두 시냅스 간의 균형이 깨질 경우 다양한 뇌정신 질환(강박증, 자폐증, 정신분열증, 조울증 등)이 발생하는 것으로 알려져 있다. 뉴롤리진(Neuroligin)과 뉴렉신(Neurexin)은 가장 대표적인 시냅스 접착단백질이며, 상호작용을 통해 흥분성·억제성 시냅스 발달 및 기능 유지의 역할을 한다.
  ○ 최근 MDGA1이라는 단백질이 억제성 시냅스(inhibitory synapse)에서 뉴롤리진-2(Neuroligin-2)에 결합하여 뉴롤리진(Neuroligin)과 뉴렉신(Neurexin) 둘 사이의 상호작용을 방해함으로써 억제성 시냅스(inhibitory synapse) 발달을 제어하는 인자로 주목을 받고 있다. 하지만 MDGA1의 구조와 어떻게 뉴롤리진(Neuroligin)/뉴렉신(Neurexin) 결합을 조절하는지에 대한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.
 
2. 연구 내용 

  ○ 연구팀은 단백질결정학* 방법을 활용하여 억제성 시냅스(inhibitory synapse) 발달에 관여하는 핵심 조절복합체(Neuroligin-2/MDGA1)의 3차원 구조를 규명하였고, MDGA1 단백질의 기능적 핵심 부위를 발굴하였을 뿐 아니라, 후시냅스*에 존재하는 MDGA1이 뉴렉신(Neurexin)과 뉴롤리진-2(Neuroligin-2) 사이의 결합을 방해함으로써 억제성시냅스(inhibitory synapse) 형성을 저해하는 분자메커니즘을 최초로 규명하였다. 
      * 단백질결정학 : 순수하게 분리정제된 고농도의 단백질을 결정으로 만들고 여기에 X-선을 쬐어 회절패턴을 분석함으로써 단백질의 3차원 분자구조를 규명하는 생물리화학적 실험기법
      * 후시냅스 : 전달신호를 받는 시냅스(전시냅스 : 전달신호를 주는 시냅스)
  ○ 억제성 시냅스(inhibitory synapse)에서 MDGA1과 뉴렉신(Neurexin)은 경쟁적으로 뉴롤리진-2(Neuroligin-2)와 결합을 할 수 있으나, 뉴렉신(Neurexin) 보다 더 강한 결합 친화도를 가진 MDGA1이 우선적으로 뉴롤리진-2 (Neuroligin-2)와 결합하여 뉴롤리진2(Neuroligin-2)/MDGA1 복합체를 만들어 뉴롤리진2(Neuroligin-2)/뉴렉신(Neurexin) 결합을 방해함으로써 억제성 시냅스 발달을 조절하고 있음을 밝혔다.
  ○ 또한 흥분성 시냅스(excitatory synapse)와 억제성 시냅스(inhibitory synapse)의 대표적인 시냅스 접착단백질인 뉴롤리진-1(Neuroligin-1)과 뉴롤리진-2 (Neuroligin-2) 대한 MDGA1의 선택적 결합을 이해하기 위하여 생체외(in vitro)와 생체내(in vivo) 단백질 결합실험을 각각 수행하였다. 그 결과 실험용 쥐의 뇌에서는 MDGA1이 억제성 시냅스(inhibitory synapse)에 존재하는 Neurolgin-2에만 선택적으로 결합하여 억제성 시냅스(inhibitory synapse) 발달에 선택적으로 작동함을 규명하였다.
 
3. 연구 성과    
  ○ 시냅스 발달을 매개하는 MDGA1과 대표적인 시냅스 접착단백질인 뉴롤리진/뉴렉신(Neuroligin/Nreuxin) 복합체의 새로운 분자적 작동모델을 제시하여, 흥분성·억제성 시냅스 균형이상으로 발생하는 다양한 뇌정신질환의 발병 메커니즘을 이해하는데 필수적인 기초 신경과학 지식을 제공하였다. 
  ○ 시냅스 발달을 제어하는 단백질복합체의 고해상도 구조를 규명함으로써 뇌신경·뇌정신질환 치료제 개발에 활용될 수 있을 것이다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 뇌는 생물체의 내·외부에서 들어오는 모든 정보를 통합하고 처리하여 생명유지에 필수적인 기능과 행동을 조절할 뿐만 아니라 학습과 기억능력을 담당하고 있는 기관이다. 뇌는 수없이 많은 신경세포로 이루어져 있고, 두 신경세포가 연접하면서 형성되는 시냅스라는 구조를 통해 신호를 전달하면서 그 기능을 수행한다.
  ㅇ 발생 중인 태아와 갓 태어난 사람의 뇌에서는 신경세포 사이 접합이 계속 일어나며 흥분성시냅스(excitatory synapse)와 억제성시냅스(inhibitory synapse)가 빠르게 만들어 진다. 두 시냅스는 서로 균형을 맞추어 신경전달이 효율적으로 일어날 수 있게 하는데, 균형이 깨질 경우 자폐증(autism), 조울증(bipolar disorder)을 포함한 다양한 뇌정신질환이 발생한다. 
  ㅇ 2013년 노벨생리의학상을 받은 미국 스탠포드 대학의 토마스 쥐트호프 (Thomas C. Sudhof) 교수에 의해 발견된 뉴롤리진-뉴렉신(Neuroligin-Neurexin)은 대표적인 시냅스 접착 단백질(synaptic adhesion proteins)로 시냅스 발달에 관여하는 중요한 인자로써 잘 알려져 있으나, 구체적인 조절 기전이 명확하게 규명되지 않은 상태이다.
 
2. 연구내용 

  ㅇ 최근 MDGA1이라는 단백질이 뉴롤리진-뉴렉신(Neuroligin-Neurexin) 결합을 방해하는 인자로 제안되었다. 특히 MDGA1은 뉴롤리진-2 (Neuroligin-2)*와 특이적으로 결합하여 억제성 시냅스(inhibitory synapse)의 발달을 선택적으로 억제시킨다고 알려져 있다. 
        * 뉴롤리진-2 (Neuroligin-2) : 시냅스 후막에 존재하는 시냅스 접착단백질
  ㅇ 이 연구는 Neuroligin-2와 MDGA1 단백질 복합체의 고해상도 3차원 구조를 규명하여 작동 모델을 제시하고 다양한 생화학, 세포생물학, 생물리화학, 신경생물학적 이미징 실험 등을 통해 이를 다각도로 검증하였을 뿐만 아니라, 뉴롤리진-뉴렉신(Neuroligin-Neurexin) 결합에 의해 유도되는 시냅스 발달 조절의 새로운 분자메커니즘을 제시하였다.  
  ㅇ 이 연구는 단백질결정학 방법을 활용하여 뉴롤리진-2(Neuroligin-2)와 MDGA1 단백질 복합체를 결정화하고 3차원 구조를 분석하였다. 후시냅스(postsynapse)에 존재하는 MDGA1 단백질의 두 개의 면역글로불린  도메인이 뉴롤리진-2(Neuroligin-2) 이합체 양쪽에 결합하여, 전시냅스(presynapse)에 존재하는 뉴렉신(Neurexin)이 뉴롤리진-2(Neuroligin-2)에 결합하지 못하게 차단함으로써 시냅스 발달을 억제할 수 있음을 세계 최초로 발견하였다.  
  ㅇ 또한 뉴롤리진-2(Neuroligin-2)에 대해서 MDGA1와 뉴렉신(Neurexin)이 경쟁적으로 결합을 할 수 있지만, MDGA1의 결합능력이 뉴렉신(Neurexin)보다 조금 더 우세하여, 억제성시냅스(inhibitory synapse) 형성을 효과적으로 조절할 수 있음을 규명하였다. 
  ㅇ 포유류에는 크게 네 가지 종류의 뉴롤리진(Neuroligin) 유전자(Neuroligin-1, Neuroligin-2, Neuroligin-3, Neuroligin-4)와 두 가지 종류의 MDGA 유전자 (MDGA1, MDGA2)가 존재한다. 이 연구에서는 흥분성시냅스(excitatory synapse)와 억제성시냅스(inhibitory synapse)를 대표하는 Neuroligin-1, -2와 MDGA1, 2 사이의 선택적 결합에 대한 미제를 해결하기 위해서 다양한 생화학적 실험을 수행하였다. 이를 통해 생화학적으로는 뉴롤리진-1 (Neuroligin-1)과 뉴롤리진-2 (Neuroligin-2)가 MDGA1과 MDGA2에 비선택적으로 결합하지만, 실제 마우스의 뇌 속에서는 알려지지 않은 메커니즘에 의해 MDGA1이 뉴롤리진-2(Neuroligin-2)에만 선택적으로 결합하여 억제성시냅스(inhibitory synapse) 발달을 억제한다는 것을 보여주었다.

 3. 기대효과 

  ㅇ 시냅스 형성 억제에 관여하는 MDGA1과 대표적인 시냅스 접착 단백질인 뉴롤리진-뉴렉신(Neuroligin-Neurexin)의 새로운 분자적 작동 메커니즘을 제시함으로써 관련 시냅스 조절 단백질(synaptic regulation molecules) 연구를 선도할 것으로 기대된다. 
  ㅇ 흥분성시냅스(excitatory synapse)와 억제성시냅스(inhibitory synapse) 균형 이상으로 발생하는 다양한 정신질환(자폐증, 정신분열증, 조울증 등) 발병 메커니즘을 이해하는데 활용 될 수 있을 것이다. 
  ㅇ MDGA1와 뉴롤리진-2(Neuroligin-2) 단백질 복합체의 3차원 고해상도 구조를 규명함으로써 뇌신경·뇌정신질환 증상의 완화 및 치료 개발에 활용될 수 있는 기초지식을 제공하였다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
초고령화사회에서 큰 사회적 비용을 양산하고 있는 사회적 문제를 야기하는 여러 신경 및 정신장애 질환의 원인 단백질을 분자적 수준에서 이해하고자 함.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개
MDGA1과 뉴롤리진-2(Neuroligin-2) 복합체를 결정화하고 3차원 구조를 분석하여 이들 상호작용에 핵심적인 아미노산을 동정함. MDGA1이 뉴롤리진-뉴렉신(Neureligin-Neurexin)결합을 저해하는 구체적인 조절 메커니즘을 밝히고, MDGA1,2와 뉴렉신(Neurexin)의 뉴롤리진(Neuroligin)에 대한 결합친화력을 측정. 이전 연구결과와 상이한 결론을 해명하기 위하여 쥐의 뇌를 이용한 MDGA1과 뉴롤리진-2(Neuroligin-2)의 생체 내에서의 선택적 결합을 확인

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
MDGA1과 뉴롤리진-2(Neuroligin-2)의 단백질 복합체를 결정화시키고 고해상도 데이터를 얻는 데까지 많은 어려움이 있었음. 단백질 질량 분석법을 통해 결정화를 방해하는 당화사이트를 확인하고 제거함으로써 결정화에 성공하였고, 결정을 만들고 얼리는 단계를 개선해 나감으로써 고해상도 데이터를 획득하게 되었음.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
억제성 시냅스 형성에 관여하는 대표적인 뉴롤리진-2/뉴렉신(Neuroligin-2/Neurexin) 결합을 조절하는 뉴롤리진-2/MDGA1(Neuroligin-2/MDGA1) 복합체 구조를 최초로 규명하고, 억제성 시냅스 발달을 매개하는 신규 분자 메커니즘 제시

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
흥분성 및 억제성 시냅스에서의  MDGA1, 2의 추가적인 단백질 결합과 구조연구를 통해 시냅스 형성과 억제의 조절기전 이해. 이번 연구에서 제시한 분자모델들을 MDGA1, MDGA2 형질전환모델동물들을 활용하여 검증하고, 궁극적으로 자폐, 정신분열증 등의 정신질환 치료제 개발

시냅스 발달 조절 복합체 구조 규명
(그림 1) 시냅스 발달 조절 복합체 구조 규명
시냅스형성 조절 단백질 구조 연구를 통해 MDGA 단백질에 의해 조절되는 억제성 시냅스 발달에 관여하는 신규 메커니즘을 제시할 수 있었다.  
(위) 시냅스조절단백질 뉴롤리진(Neuroligin)과 MDGA1 결합체 분자구조
단백질결정학을 통해 두 단백질의 결합 및 기능에 중추적인 역할을 하는 핵심적인 부위를 도출할 수 있었다. 
(아래) 뉴롤리진/MDGA 와 뉴롤리진/뉴렉신 복합체의 결합부위 비교
뉴롤리진-2/MDGA1(Neuroligin-2/MDGA1)와 뉴롤리진-1/뉴렉신(Neuroligin-1/Neurexin1β) 결합부위가 부분적으로 중첩되어 이 부분을 통한 MDGA1와 뉴렉신(Neurexin1β)간의 결합경쟁 모델을 제시하였다. 

시냅스 단백질 MDGA1에 의해 조절되는 억제성 시냅스 형성 분자 메커니즘
(그림 2) 시냅스 단백질 MDGA1에 의해 조절되는 억제성 시냅스 형성 분자 메커니즘 
전시냅스의 뉴렉신(Neurexin)과 후시냅스의 뉴롤리진(Neuroligin)은 상호작용을 통해 두 신경세포를 연결하면서 시냅스 발달을 매개한다. 억제성 시냅스에서는 조절단백질인 MDGA1이 뉴롤리진2(Neuroligin-2)에 대한 강한 결합력을 바탕으로 뉴롤리진2(Neuroligin-2)/MDGA1 복합체를 만들어 뉴롤리진2(Neuroligin-2)/뉴렉신(Neurexin) 결합을 선택적으로 방해함으로써 억제성 시냅스 발달을 효과적으로 억제한다.  

출처 : 브릭