"뇌의 경험 기억에 관여하는 유전자 발견"

미 MIT 연구진, CPG15 유전자 시냅스 제어 확인

뇌 신경세포(뉴런)는 외부에서 지각한 정보를 처리하고 축적하기 위해 끊임없이 신경회로 연결부를 수리한다.

그러나 뉴런의 빈번한 테스트를 거쳐 신경회로에 안정화된 시냅스(뉴런 연접 부위)는 극히 일부에 그친다.

신경회로에 새로 고정될 '흥분 시냅스(excitatory synapse)'는, 외부 자극 경험으로 촉발된 신경 활동에 얼마나 활발히 반응하는지에 따라 선별된다.

하지만 그런 일이 분자 수준에서 이뤄지는 메커니즘은 그동안 베일에 싸여 있었다.

그런데 뇌가 시냅스에 경험을 저장하는 데 관여하는 CPG15이라는 유전자(단백질)를 미국 MIT 과학자들이 발견했다.

MIT 학습·기억 연구소의 엘리 네디비 교수팀은 관련 연구보고서를 저널 '셀 리포츠(Cell Reports)'에 발표했다.

네디비 교수는 이 연구소의 신경과학 석좌교수다.

6일(현지시간) 온라인(링크 [http://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/piam-hbc073019.php])에 공개된 보도자료에 따르면 연구팀은, 유전공학 기술로 CPG15 유전자를 없앤 생쥐와 정상 생쥐를 비교 관찰해, 시각 경험이 새로 생긴 흥분 시냅스에 저장되려면 CPG15 유전자가 필요하다는 걸 입증했다.

연구팀은 생쥐의 시각 피질에서 잠재적인 시냅스, 다시 말해 수상돌기 가시(dendritic spines)가 생겼다가 사라지는 과정을 '다중분광 고해상 이광자(two-photon) 현미경'으로 관찰했다.

시각적 경험의 존재 여부가 반응에 미치는 영향을 보기 위해, 밝은 상태와 어두운 상태로 구분해 실험 조건을 설정했다.

그 결과 CPG15이 결여된 생쥐는 정상 생쥐보다 학습 속도가 훨씬 느린 것으로 나타났다.

CPG15이 없는 생쥐는, 경험을 통해 최상의 효율성을 갖게 된 신경회로 구조를 이용하지 못하고, 우연히 시냅스가 연결된 회로에 의존해야 하기 때문이라고 연구팀은 제안했다.

보고서의 수석저자인 네디비 교수는 "외부 환경에 상시로 적응하고 변화하는 뇌의 종합적인 능력을 명확히 보여주는 게 학습과 기억"이라면서 "CPG15 유전자가 없는 생쥐는 최상의 상태로 신경회로를 이용할 수 없다"고 말했다.

이번에 연구팀은 수상돌기 가시의 발생과 '시냅스 비계(synaptic scaffold)'와 비슷한 PSD95 단백질 작용의 메커니즘을 풀어냈다.

수상돌기 가시가 생기면 그 표면에 흥분 시냅스가 형성된다.

연구팀은 밝은 곳에서 시각 경험을 한 생쥐와 2주간 어두운 곳에서 지낸 생쥐의 시각 피질에서 미리 분자 라벨(label)로 표시한 뉴런의 위치를 추적했다.

밝든 어둡든 상관없이 뉴런의 수상돌기 가시는, 마치 일상적인 일인 것처럼 생겼다가 대부분 같은 비율로 사라졌다.

이는 학계의 믿음과 달리, 수상돌기 가시의 생성에 경험은 상관이 없다는 걸 의미한다.

이와 함께 정상 생쥐의 시냅스에선 어두울 때보다 밝을 때 훨씬 더 많은 PSD95가 관찰됐지만, CPG15이 없는 생쥐는 밝은 데서 시각 경험을 해도 PSD95의 발현도에 차이가 없었다.

다시 말해 CPG15이 결여된 생쥐가 밝은 데 있는 건, 정상 생쥐가 어두운 데 있는 것과 같았다.

CPG15은 또한 밝은 데서 얻은 시각 경험 메시지의 전달에 관여할 뿐 아니라, 어두운 곳에선 시각 경험을 한 것처럼 PSD95를 속여 대체 효과를 일으키는 것으로 관찰됐다.

연구팀은 이런 발견을 종합해 경험에 의존하는 시냅스 안정화 모델을 새롭게 제시할 수 있었다.

네디비 교수는 "경험에 의존하는 시냅스 선별에는 CPG15이 필요하지 않고 그 자체로 충분하다는 걸 보여준다"면서 "시냅스 가소성에 관여하는 다른 모든 분자와 비교하면 매우 독특한 것"이라고 강조했다.

/연합뉴스