1. 배경지식

시냅스는 다양한 단백질의 집합체입니다. 시냅스의 정상발달을 위해서는 단백질들이 적재적소에 발현하여 단백질간의 적절한 상호작용이 있어야합니다. 시냅스 형성 초기에 이와 같은 중요한 역할을 하는 단백질에는 시냅스 접착 단백질이 존재합니다. 전시냅스와 후시냅스의 접착 단백질간의 결합이 이루어지면, 그로 인한 다양한 생화학적인 반응을 통하여 시냅스를 구성하는 시냅스내 단백질들이 자신의 위치를 찾아 배열하게 됩니다. 시냅스 접착 단백질의 종류도 굉장히 다양할 뿐만 아니라, 한 단백질이 발현 위치 혹은 isoform에 따라서 결합하는 단백질의 종류마저도 달라지므로, 아직 뇌의 최소단위인 시냅스를 이해하는데에도 여전히 많은 연구가 필요합니다.

본 연구에서는 전시냅스 접착 단백질로 알려진 PTPd가 시냅스 발달에서 어떠한 역할을 하는지 PTPd 결손쥐를 이용하여 연구하였습니다. PTPd는 intracellular domain에는 인산제거효소 기능을 지니고 있고, extracellular domain은 다른 단백질들과의 결합에 결정적 역할을 하는4에서 6개의 amino acid로 구성된 짧은 mini-exon A (meA) 와 meB가 존재합니다. 이 짧은 sequence의 존재 유무에 따라서PTPd와 결합 단백질들간의 결합세기가 큰 영향을 받습니다. 이에 관한 in vitro 연구는 오랜시간 축적되어 왔으나, 이와 같은 발견이 실제로 in vivo에서 얼마나 중요한 역할을 하는지는 아직 알려진 바가 없었습니다.

또한, PTPd는 자폐증, 조현증, 강박장애, ADHD 그리고 restless leg syndrome등 다양한 신경발달장애와 밀접한 관련이 있음이 여러 환자 유전연구에서 보고된바 있습니다. 이는 PTPd가 발현하는 시냅스들이 존재하는 신경 회로가 위와 같은 신경발달장애에 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 특히 이 중에 눈에 띄었던 것은 많은 경우 신경발달장애 환자들이 비정상적인 수면 패턴을 동반하는 경우가 많다는 것이었습니다. 이와 같이 PTPd와 신경발달장애의 연관성을 동물 모델을 통해 밝힌 연구는 없었습니다.

2. 질문

PTPd 가 발현하는 시냅스 내에서 PTPd가 시냅스 발달 혹은 기능에 어떠한 역할을 하는지 밝히고 싶다는 포괄적인 질문으로 연구를 시작하였습니다.

3. 발견

본 연구에서 크게 세 가지 PTPd 관련한 중요한 발견을 하였습니다. 첫째는 in vitro에서만 확인되었던 PTPd와 후시냅스 접착 단백질의 한 종류인 IL1RAPL1의 결합에 대한 기능을 in vivo에서 밝혔습니다. 특히, meA는 IL1RAPL1와 PTPd간의 결합에 필수조건으로 알려져 있었는데, 본 연구에서 이 결합이 실제로 in vivo에서 PTPd를 통한 시냅스 기능에 직접적 영향을 준다는 사실을 밝혔습니다. meA를 발현하는 PTPd isoform만 결손시켰을때, PTPd 전체 결손 시냅스와 마찬가지로 시냅스내 신호전달이 감소된 것을 발견하였습니다.

이같은 발견은 PTPd가 시냅스 기능에 미치는 연쇄 작용의 일부를 보여주는 발견으로 이어졌습니다. PTPd는 IL1RAPL1와 결합하므로서, IL1RAPL1을 시냅스 변두리가 아닌 중심에 위치하도록 한다는 것을 보여주었습니다. PTPd가 결손될 경우 IL1RAPL1이 올바른 위치에 발현할 수 없게 되고, 이는 IL1RAPL1의 인산화 정도를 감소하는 결과를 초래하였습니다. 본 연구에서 발견한 인산화 site가 어떠한 생화학적 기작과 관여하는지는 밝히지 못하였으나, PTPd와의 IL1RAPL1의 결합이 IL1RAPL1을 후시냅스 발달 기작 안에 위치하게 하므로서 시냅스 발달에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔습니다.

마지막으로, PTPd와 IL1RAPL1의 결합이 존재하는 시냅스가, 많은 신경발달장애에 동반되는 수면장애와 상관관계를 가지고 있다는 것을 밝혔습니다. PTPd를 흥분성 신경세포에서 결손시켰을때, 수면시간이 감소한 것을 관찰하였습니다. 더 나아가 meA를 포함한 PTPd isoform만 전체 결손했을때도 마찬가지로 수면시간이 감소한 것을 관찰하였습니다. 특히 non-REM의 시간이 감소하였습니다. 본 연구에서 직접적 인과관계까지는 밝히지 못하였으나, PTPd를 발현하는 시냅스가 non-REM 수면을 유지 혹은 시작하는데에 기여한다는 것을 밝혔습니다.

 

4. 후속

본 논문에서 집중 조명한 meA와 달리 meB또한 PTPd의 다른 후시냅스 접착 단백질간의 결합에 많은 영향을 미치는 것이 in vitro에서 활발히 연구되어왔습니다. meB를 포함한 isoform이 발현하는 시냅스들은 meA와 마찬가지로 sleep 관련 circuit에 기여할 것인지, 아니면 별개의 시냅스 발달에 기여할 것인지에 대한 in vivo 연구는 전무한 상황입니다. PTPd isoform의 따라 시냅스 발달에 기여하는 기작을 규명하는 일이 흥미로운 후속 연구의 방향성이 될 것이라 생각합니다.

5. 소감

연구와 함께 저도 성장하는 시간이었습니다. 단백질 하나의 역할을 밝히는데에도 이렇게 많은 노력이 필요한 것을 보면 (다 밝히려면 아직 많은 길이 남았음에도 불구하고) 생명의 신비는 끝이 없는 것 같습니다.

6. 기타

본 연구에 함께한 저희 팀원분들께 진심으로 감사드립니다. 또한 논문에 참여해주신 저자분들 모두 본 연구를 완성하는데 꼭 필요한 도움을 주셨습니다. 진심으로 감사드립니다. 마지막으로 7년간 지도해주신 지도 교수님이신 김은준 교수님! 감사드리고, 존경합니다.