시냅스는 신경계 내에서 정보 전달과 의사소통을 가능하게 하는 뉴런 사이의 중요한 접촉점입니다.
시냅스의 구조와 기능은 일반적으로 잘 알려져 있습니다.
하지만 시냅스가 처음에 어떻게 형성되는지는 오랫동안 미스터리로 남아있었습니다.
최근에 발표된 획기적인 새로운 연구 덕분에 과학가 바뀔 수 있습니다.
연구팀은 CRISPR 유전자 편집 기술과 인간 줄기세포를 사용하여 살아있는 인간 세포에서 시냅스가 발달하는 순간을 처음으로 관찰할 수 있었습니다.
그들이 발견한 것은 시냅스 형성, 단백질이 시냅스 형성 부위에 도달하는 방법 등에 대한 과학자들의 이해를 바꿀 수 있습니다.
뉴런 간의 시냅스 연결
시냅스는 전체 신경계뇌와 척수에서 근육과 땀샘에 이르기까지 모든 신경세포가 시냅스를 형성합니다.
즉, 신경 세포가 있는 곳이면 어디든 시냅스도 존재합니다.
시냅스는 신경계의 적절한 기능에 필수적이며 많은 신경학적 과정과 장애에서 중요한 역할을 합니다. 인간의 뇌에는 1,000억 개의 뉴런이 서로 연결되고 소통할 수 있는 접점인 시냅스 연결만 1,000조 개가 넘습니다.
이러한 접점, 즉 시냅스는 축삭 말단, 시냅스 전 뉴런, 시냅스 후 뉴런으로 구성됩니다.
시냅스가 형성되는 방법
라이프니츠 분자 약리학 연구소(FMP)의 연구진은 뇌에서 시냅스가 어떻게 형성되는지 관찰한 새로운 연구를 사이언스(Science )에 발표했습니다.
이를 위해 연구팀은 크리스퍼 유전자 가위를 사용하여 형광 단백질을 인간 줄기세포에 삽입한 다음 이렇게 변형된 줄기세포를 이용해 뉴런을 생성했습니다.
연구팀은 형광 표지자를 통해 살아있는 신경 세포에서 시냅스가 형성되기 전의 발달 과정을 실시간으로 관찰할 수 있었습니다.
연구팀의 발견은 심오하며, 어떤 경우에는 과학자들이 전 시냅스 형성에 대해 가졌던 이전의 가정을 무효화하는 것으로 보입니다.
프리시냅스에 대한 새로운 이해
시냅스 전 단계는 스캐폴딩 단백질, 칼슘 채널, 시냅스 소포의 세 가지 필수 요소로 구성됩니다.
각 요소에는 고유한 유전자가 포함되어 있으며 고유한 단백질 분자로 만들어집니다.
과학자들은 오랫동안 세 가지 요소 각각이 다른 두 요소와 결합하여 기능적 시냅스를 형성하기 전에 고유한 경로를 거친다고 믿어 왔습니다.
연구진의 관찰 결과는 다른 이야기를 들려줍니다.
연구 그룹의 리더인 볼커 하우케 교수는 이렇게 말합니다, 설명“시냅스 소포 단백질과 소위 ‘활성 영역’의 단백질, 그리고 시냅스를 서로 붙잡는 접착 단백질도 같은 버스를 공유합니다.
논란이 많았습니다.
하지만 배양된 인간 뉴런의 데이터는 매우 명확해 보입니다.” 또한 연구팀은 축삭 수송이 키네신으로 알려진 운동 단백질에 의해 매개된다는 사실을 발견했습니다.
이러한 단백질 중 이 과정의 주요 동인은 말초 신경계 및 뇌의 신경 장애와 관련된 운동 단백질인 KIF1A입니다.
KIF1A의 돌연변이는 KIF1A 관련 신경 장애(KAND), 유전성 경련성 마비, 운동 실조증과 같은 다양한 신경 질환과 관련이 있으며, 이는 시냅스 전 단백질 수송에 있어서의 역할이 중요하다는 것을 시사합니다. 연구진은 또한 이러한 단백질을 운반하는 축삭 수송 소포가 뚜렷한 분자적 정체성을 가지고 있음을 발견했습니다.
골지체에서 유래한 다른 소포체와는 달리, 이 소포체들은 운송 소포체는 소포체 시스템과 마커를 공유합니다.
소포체 시스템은 일반적으로 비신경세포에서 결함이 있는 단백질을 분해하는 데 관여하므로, 이 발견은 신경세포가 축삭 수송을 전담하는 독특한 종류의 소기관을 ‘발명’했다는 것을 시사합니다.
앞으로의 전망
축삭 수송과 관련된 메커니즘을 더 잘 이해하면 광범위한 임상 응용이 가능할 수 있습니다.
뉴런 사이의 접점은 노화, 부상 또는 질병으로 인해 손실되거나 손상될 수 있습니다.
이 분야에 대한 더 많은 연구가 필요하지만 호크 박사는 희망을 품고 있습니다.
“이상적으로는 축삭 수송을 복원하거나 강화하여 신경세포 재생을 촉진하거나 노화에 대응할 수 있을 것입니다.”라고 그는 말합니다.
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