[2018 UGRP 우수연구] '마우스 유전학을 이용한 자폐 신경회로 탐색 및 심화 분석'

2018 UGRP 프랜시스 크릭 코스 '마우스 유전학을 이용한 자폐 신경회로 탐색 및 심화 분석’

연구진, LRRTM3 유전자와 자폐증 연관성 밝혀

2018 UGRP 학술기사 시리즈의 첫번째 주제는 ‘마우스 유전학을 이용한 자폐 신경회로 탐색 및 심화 분석’이다. 이 주제는 프란시스 크릭 코스에서 2018 UGRP 우수주제 상을 수상했다. 신희재, 이혜준, 정진웅 학생(‘16)이 참여했으며 지도교수는 뇌∙인지과학전공 고재원 교수이다.

현대사회와 뇌 질환은 떼려야 뗄 수 없는 관계이다. 2018년 CDC 기관 조사 자폐증 유병률은 약 1.7%(1 in 59)로 꾸준히 증가하는 추세이다. (16년 조사, 유병률 약 1.5%) 더욱이 알츠하이머, PolyQ (무도병) 등 퇴행성 질병은 고령화 사회에서 결코 지나칠 수 없는 병이 되었다. 학자들은 2050년에는 알츠하이머 환자 수가 세계적으로 1억 명을 넘어설 것이라고 전망한다.

알츠하이머, 자폐증 등의 뇌 질환은 시냅스 작용과 연관된다. 전시냅스(pre-synapse) 소포체 안의 신경전달물질(neurotransmetteur)은 후시냅스(post-synapse)로 전달되어 유효한 시냅스를 형성한다. 이때 LRRTM3 단백질 등의 Synaptic Adhesion Molecule(이하 SAM)이 유효 시냅스 형성에 관여한다. SAM은 전-후 시냅스의 연결 및 신경전달물질 전달에 중요한 역할을 하는 분자 구조이다. 하지만 LRRTM3 단백질 등의 SAM을 조절하는 유전자에 문제가 생기면, 이러한 분자적 구조(SAM)가 틀어지고 전-후 시냅스를 연결하는 물질이 분해되면서 유효 시냅스 수가 감소한다. 그에 따라 기억이나 행동에 장애가 생기면서 알츠하이머나 자폐증이 발생한다고 알려져 있다.

이에 본 UGRP 연구팀은 ‘일반인과 환자(퇴행성 뇌질환, 자폐증 발병 환자) 사이의 정상 시냅스의 생성률에 차이가 있을 것이다.’ 라고 가정하였다. 이후 마우스를 이용한 유전자 조작 실험(마우스 유전학)을 통해 연구를 진행했다. 그 방식은 다음과 같다. 각각 ▲ 정상 쥐(Wild-Type, 이하 WT) ▲ LRRTM3 단백질 조절하는 유전자가 결핍된 쥐(Knock-out, 이하 KO)의 전전두엽 부위를 0.05㎛으로 slicing 후, EM(Electron Microscope)을 실시한다. 그리고 각 단층마다 표적으로 선택한 dendrite(가지돌기)와 spine(가지돌기에서 튀어나온 부분으로 시냅스 구성 시 후시냅스를 이룸)을 그린다. 약 300장 정도의 그림이 하나의 dendrite를 이루도록(약 15㎛) Reconstruct 프로그램을 통해 적분한다.

연구 팀은 3D-modeling을 통해 각 dendrite에 대하여 길이를 측정하고, spine 개수와 유효 시냅스를 이루는 spine 개수를 세어 유효 시냅스 spine density를 WT/KO 군에 따라 비교∙분석하였다. 연구는 Group 1,2,3로 나누어 진행하였다. Group은 각각 쥐 한 마리의 dendrite를 의미한다. 표본 수(그려진 dendrite)가 가장 많은 Group1의 경우 ▲ WT 표본 유효 시냅스 spine density는 0.4793 (개/㎛) ▲ KO 표본 유효 시냅스 spine density는 0.4040 (개/㎛)으로 단백질 조절 유전자가 결핍된 KO 타입이 density가 약 16% 낮았다. 

각각 , ▲ Wild-Type (왼쪽) ▲ Knock-out (오른쪽) 표본의 dendrite. 큰 줄기는 dendrite, 가지는 spine, 색깔이 다른 부분는 pre-synapse를 의미한다. <제공=UGRP 팀>

     

이를 통해, UGRP 팀은 LRRTM3 유전자가 유효 시냅스 형성에 유의미한 영향을 미치며, 정상 쥐보다 유효 시냅스 수가 적은 생쥐의 경우 자폐증이 일어날 수 있음을 확인하였다.

신희재, 정진웅 (’16) UGRP 팀에 본 주제를 선택하게 된 계기를 물었다. UGRP 팀은 “자신이 좋아하는 주제를 선택하는 것도 좋다. 우리 역시도 마찬가지였다. 하나 또 중요한 것이 있다. 정말로 롤모델이 될 수 있는 교수를 만나는 것.”이라고 대답하며 “고재원 교수님으로부터 교수님이 어떻게 생활하시고 어떻게 ‘science’를 하시는 지 배울 수 있었다.”라고 말했다.

앞으로 UGRP를 진행할 학부생들에게는 “분명 힘든 과정이겠지만, 특히 영어 논문을 분석하거나 시간이 부족하여 급해지고 싸울 일도 많다.”라는 말과 함께 “하지만 대학원에 진학한다면 어차피 행할 과정이기에 ‘어차피 할 것 열심히 하자’, 중간에 포기하지 않고 끝까지 나아간다면 충분히 할 수 있는 과정이기에 차분하게, 성실히 버티면 좋은 결과를 볼 수 있을 것.”이라고 답했다.

 

임다빈 기자 frankful@dgist.ac.kr