1. 배경지식

신경세포는 발달과정동안 여러 개의 미성숙 신경 돌기를 가지는 다극성 상태로부터 여러 개의 수상 돌기와 하나의 축삭을 가지는 극성 상태로 모양적인 변화를 나타내게 됩니다. 이 과정 중 하나의 신경돌기가 다른 신경돌기들보다 길고 빠르게 자라나게 되어 축삭이되고 나머지는 수상돌기로 발달됩니다. 극성화가 진행되고 있는 신경세포에서는 ‘액틴파’ 라는 매우 독특한 세포 골격 구조가 형성된다고 알려져 있고, 특히 이 액틴파는 축삭이 될 가능성이 큰 신경돌기에서 더 널리 퍼질 뿐만 아니라 축삭 형성에 핵심이 되는 단백질의 수송을 증가시킨다고 알려져 있습니다. 하지만 축삭의 형성을 촉진시키는 액틴파의 상위 메커니즘에 대해서는 아직 잘 알려지지 않았습니다. 본 연구에서는 이 과정에 또 다른 축삭분화에 중요한 역할을 한다고 알려진 TrkB 수용체가 상위 메커니즘으로 작용할 수 있다는 것과, 그로 인해 하나의 신경돌기가 축삭의 특성을 가지도록 유도될 수 있음을 밝혔습니다.

2. 질문

신경세포의 발달과정 중 어떻게 하나의 신경돌기가 축삭으로 결정되고 발달되는 것인지, 그리고 그것을 유도하는 상위 신호전달체계가 무엇인지 밝히고자 하였습니다.

3. 발견

우리 연구팀은 신경세포에서 광유도 신경영양인자 수용체의 활성을 시공간적으로 조절함으로써 신경세포의 발달과정동안 형성되는 세포 극성 (수상돌기와 축삭의 형성)의 새로운 상위 신호를 규명하였습니다.

첫번째로 488nm 파장의 빛에 의해 활성화 되는 TrkB 수용체인 Opto-cytTrkB를 이용하여, 신경돌기 말단에서 국소적으로 활성화된 TrkB가 액틴파를 유도할 수 있다는 것을 발견하였습니다. 액틴파는 아직 극성이 정해지지 않은 다극 상태의 신경돌기에서 형성되는 것으로, 신경돌기사이의 경쟁을 촉진시키며 하나의 축삭을 결정짓는데 중요한 역할을 하게 됩니다. 또한 이 기술을 이용하여 실제 액틴파를 일으키는 데에 TrkB의 세가지 표준신호전달경로 중 PI3K/AKT 경로가 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였습니다. 그리고 PI3K의 하위 전달물질로서 액틴의 형성과 배열을 조절한다고 알려진 Rac1과 Cdc42가 액틴파의 형성과 방향성에 각각 영향을 준다는 것을 확인하였고, 이러한 다른 기능은 각각의 내생적인 위치 차이에 의해 기인된다는 것을 밝혔습니다.

두번째로 하나의 신경돌기에서 TrkB 수용체 활성화에 의해 그 방향으로 액틴파가 집중되고 축삭형성의 핵심 단백질들이 (AnkyrinG, Tau, EB3 등) 이동하는 것을 관찰하였고, 이를통해 TrkB가 결국 축삭의 특성을 유도할 수 있음을 밝혔습니다. 이 결과들을 토대로, 국소적으로 활성화된 TrkB 수용체가 액틴파를 형성시킴으로써 축삭을 결정지어 신경세포의 극성을 유도한다는 새로운 분자적 메커니즘을 제안하고 있습니다.

4. 후속

TrkB 수용체로 액틴파를 유도함으로써 축삭 단백질의 축적을 확인하였는데, 이 뿐만 아니라 극성화의 또다른 핵심 인자들이 이동되는지 확인할 필요가 있을 것이라고 생각합니다. 또한 지속적으로 오랜 기간 빛을 주었을 때 축삭으로 정말 발달이 되는지, 다양한 신경세포에서 하나 또는 두개의 축삭을 원하는 대로 유도할 수 있는지 확인하고자 합니다.

5. 소감

입학 후 수년 동안 신경세포를 다루어 본 적이 없었고 일반적인 섬유아세포나 암세포만을 다루어 왔었습니다. 이 연구를 위해 정말 급하게 신경세포 배양을 배우게 되었는데, 그 기간 동안 연구실 구성원들의 친절한 도움과 조언으로 연구를 잘 마무리 할 수 있었습니다. 연구실 구성원들께 정말 감사드립니다.

6. 기타

이 연구를 좋은 방향으로 지도해 주신 허원도 교수님께 감사드립니다. 그리고 아낌없는 조언 해 주신 김대수, 이대엽, 최길주, 박용근 교수님께 감사드리고, 연구를 함께 진행한 우도연 박사님과 연구실 선후배들께 진심으로 감사드립니다.