DGIST 연구팀, 신경전달물질 분비 조절하는 원리 밝혀내

DGIST(총장 국양) 뇌과학과 서병창 교수 연구팀은 신경세포 말단에서 신경전달물질의 분비를 조절하는 중요한 단백질인 ‘전압의존성 칼슘채널’의 활성에 대한 분자적 기전을 규명했다고 23일 밝혔다.

특정 전압의존성 칼슘채널의 활성만 조절하는 시스템 개발로 다양한 정신질환 및 만성통증 같은 신경성 질병을 치료할 수 있는 새로운 연구에 대한 실마리를 제공할 것으로 기대된다.

칼슘이온의 유입을 조절하는 전압의존성 칼슘채널 중 ‘CaV2.2’채널은 신경세포의 축삭말단에 발현해 신경전달물질의 분비를 조절함으로 신경세포간의 신호전달에 중요한 역할을 수행한다.

이러한 CaV2.2의 활성조절에 문제가 생길 경우 조울증, 정신분열증, 자폐증 같은 정신질환이나 뇌전증(간질), 만성통증 등이 발병하는 것으로 알려져 있다.

세포막은 인지질이라고 불리는 물질에 의해 형성되는데, 인지질 중 하나인 PIP2가 전압의존성 칼슘채널의 활성에 중요하다고 알려졌지만, 여러 소단위체들이 결합하고 있는 복잡한 구조로 인해 PIP2가 어떻게 칼슘채널의 활성을 조절하는지는 명확하게 밝혀지지 않았었다.

서병창 교수 연구진은 다양한 수용체 및 이온채널들의 활성에 대한 PIP2의 분자적 기전에 대해 연구해왔다. 특히 연구진은 전압의존성 칼슘채널의 보조 소단위체인 β2 단위체의 세포막 결합 유무에 따라 칼슘채널의 PIP2에 대한 민감도가 달라진다는 것을 규명한 바 있다.

이러한 연구를 바탕으로 본 연구에서는 β2 단위체의 세포막 결합 유무에 따라서 PIP2가 어떻게 CaV2.2의 활성을 다르게 조절하는지에 대한 원리를 분자적 수준에서 규명하고자 했다.

연구팀은 유전자 재조합을 통해 CaV2.2 채널과 β2 단위체의 다양한 변이 모델들을 만들어 전기 생리학 기법으로 확인했다.

그 결과, CaV2.2 채널에서 β2 단위체가 결합하고 있는 ‘I-II loop’ 와 전압감지 도메인 중 하나인 ‘S4II’에 PIP2가 각각 결합하여 채널의 활성을 조절한다는 것을 발견했다.

β2 단위체의 세포막 결합 유무에 따라 I-II loop에 PIP2가 결합하는 것이 결정되고 이로 인해 CaV2.2의 활성이 조절된다는 것을 발견했다.

한발 더 나아가 β2 단위체를 응용해 CaV2.2의 I-II loop에 인위적으로 PIP2의 결합을 조절할 수 있는 시스템을 개발해 실시간으로 CaV2.2의 활성을 조절할 수 있음을 확인했다.

이번 연구결과는 신경세포간의 신호전달에 중요한 역할을 수행하는 CaV2.2 채널 활성의 새로운 작용 기전을 규명한 연구이다. 향후 자폐증, 조울증, 정신분열증 같은 정신질환이나 뇌전증, 만성통증 같은 치명적인 신경성 질병 치료에 중요한 단초를 제시할 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 DGIST 뇌과학과 박천규 박사가 제1저자로, 서병창 교수가 교신저자로 참여했다. 연구결과는 생명과학 분야 저명 학술지 ‘eLife’에 11월 14일 자로 온라인 게재됐다.

아울러 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘중견연구사업’, ‘기초연구실지원사업’, ‘기초연구기반구축사업’의 지원을 받아 수행됐다.