장기 기억 및 회상에 시냅스 운송 네트워크 분자 필요성

두뇌는 학습을 위해 뉴런으로 연결되어 있다. 각 경험과 함께 우리의 뉴런은 새로운 연결을 만들기 위해 분기되어 장기 기억의 회로를 구축한다. 과학자들은 뇌가 경험에 따라 적응하고 변화하는 특성을 가소성(plasticity)이라고 부른다.

가소성이 발생하려면 뉴런 시냅스를 지속적으로 리모델링하고 적응해야 한다. 스크립스 연구소(The Scripps Research Institute) 신경과학자 사티아 푸탄베틸(Sathya Puthanveettil) 박사 연구실의 새로운 연구는 뉴런 시냅스 가소성의 기본 역학을 더 명확하게 밝혔다.

과학자들은 시냅스 가소성(synaptic plasticity)이 뉴런의 세포체에서 수상돌기 팔과 시냅스 접합부에 이르는 복잡한 부분을 필요로 한다는 것을 확인했다. 고속도로 네트워크처럼, 미세소관과 내부 운송 시스템은 세포의 중요한 화물을 가장 먼 곳까지 운반한다. 수송된 물질은 리보솜 소기관이 조립하고 다양한 RNA 지침을 읽고 수상 돌기에서 필요에 따라 새로운 단백질을 만들 수 있도록 한다.

7월 13일(현지시각) Cell Reports에 발표된 연구에서 Puthanveettil의 팀은 운송 네트워크 분자 중 Kinesin 계열의 두 구성원인 KIF5C와 KIF3A가 있다고 보고했다. 연구팀은 KIF5C가 녹아웃되면 수상돌기를 분기하고 입력을 받는 버섯 가시를 형성하는 뉴런의 능력이 저하된다는 사실을 발견했다. Kif5C에 대한 기능 향상은 이러한 특성을 개선한다.

연구의 제1 저자인 Puthanveettil 연구소의 연구원 Supriya Swarnkar 박사는 이러한 과정의 세부 사항을 식별하는 것이 신경 장애의 가능한 원인을 가리키고 치료에 대한 새로운 방향을 제시한다고 말한다.

그는 “기억을 형성하는 능력은 세포체에서 시냅스까지의 뉴런의 장거리 수송 시스템의 적절한 기능에 달려 있다. 그리고 많은 연구에서 지적 장애, 자폐증 및 ALS를 포함한 신경 장애와 Kifs 돌연변이 사이의 연관성이 보고됐다”고 설명했다.

구조적으로 많은 Kinesin 계열 단백질은 물질을 운반하기 위한 플랫폼과 미세소관을 따라 앞으로 걷는 동작으로 앞뒤로 움직이는 두 개의 다리 모양의 부속물을 가지고 있다. 사실, 그들은 분자 기계로 불린다. 이 놀라운 보행 로봇은 시냅스 목적지에 도착하여 패키지를 보관할 때까지 화물을 짊어지고 움직인다.

Puthanveettil은 서로 다른 유형의 화물을 운반하는 데 특화된 46가지 종류의 분자 기계가 있다고 말한다. 과학자들은 어떤 Kifs가 어떤 물질을 운반하는지 알아가기 시작했다.

Puthanveettil의 팀은 KIF5C의 운반물에 다양한 RNA가 포함될 것으로 예상했다. 유전자를 암호화하고 핵에 상주하는 DNA의 사촌인 RNA는 DNA에서 전사되고 유전적 지시를 세포의 세포질로 전달하고 유전자에 의해 암호화된 단백질을 만들고 세포 활동을 조절하는 데 도움을 준다. 각각의 다른 RNA는 다른 역할을 한다.

KIF5C와 그 화물의 복합체를 분리한 다음 RNA를 시퀀싱해 KIF5C 전달자에 의존하는 약 650개의 서로 다른 RNA를 문서화했다.

의미심장하게도 여기에는 EIF3G라고 하는 단백질 구축을 시작하는 코드를 제공하는 RNA가 포함됐다. 필요한 때와 장소에 나타나지 않으면 시냅스 가소성에 필요한 화합물이 만들어지지 않는다. 즉, 경험으로 시냅스를 개조하고 학습하는 능력이 손상됐다.

장기 기억 저장 및 회상에서 Kifs의 역할을 더 잘 이해하기 위해 팀은 세포와 생쥐 모두에서 기능 상실 및 획득 연구를 모두 수행했다. 여러 형태의 학습에 관여하는 등쪽 해마 CA1 뉴런에 초점을 맞췄다.

연구는 KIF5C의 손실이 공간 및 공포 관련 기억을 감소시키는 것으로 나타났다. 반면에 등쪽 해마에서 KIF5C가 증폭되면 기억력이 향상되고 증폭된다. 세포는 시냅스 전달의 향상, 수상돌기 팔의 arborization, 뉴런의 팔과 같은 확장 및 신호 수신 버섯 가시의 분출을 보여주었다. 버섯 가시 밀도는 기억 및 시냅스 가소성과 상관관계가 있다.

이 연구는 다양한 신경 정신 질환을 치료하기 위한 새로운 아이디어를 제공한다. 지능 장애, 우울증, 간질, 알츠하이머병 등 뉴런의 수상돌기에서 핵심 단백질의 더 많거나 적은 발현으로 혜택을 볼 수 있는 모든 것이 이러한 분자 전달자를 증가시키거나 감소시키는 데 반응할 수 있다는 설명이다.