^*가바(GABA; Gamma-AminoButyric Acid): 신경신호를 전달하는 물질 중 하나로 억제성 신경전달 물질이다. 가바를 전달받은 세포는 일반적으로 그 기능이 억제된다.

^*형질전환 초파리: 유전자에 돌연변이가 나타나거나 새로운 외래 유전자를 도입함에 따라 일반적인 초파리와 다른 특성을 보이는 초파리를 뜻한다. 이번 실험에서는 칼륨 이온(K⁺)의 통로 단백질 가운데 하나인 셰이커(Shaker) 유전자에 돌연변이가 발생해 수면 행동에 이상을 보이는 초파리를 대상으로 삼았다. 참고로 이 단백질은 신경세포의 막 전위를 휴지기 상태로 되돌리는 데 중요한 역할을 하며, 결핍 시 수면 행동이 억제된다고 알려져 있다.

^*가소성: 신경가소성이라고 하며, 뇌의 신경경로나 그 활성이 외부의 자극, 경험, 학습 등에 의해 구조 기능적으로 변화하고 재조직되는 현상이다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경  

수면은 주변 환경에 영향을 받는 대표적인 생리현상 가운데 하나이며, 기온, 빛, 습도, 소음, 영양 상태 등 다양한 요인에 의해 그 양과 질이 변화하게 된다. 특히 외부 온도에 민감하게 반응하는데, 여름철 이상고온 현상에서 비롯된 열대야로 인한 수면부족을 그 대표적인 예로 들 수 있다. 연구팀은 ‘온도’라는 외부환경 요인에 의한 수면 중추신경 변화를 형질전환 초파리를 이용해 파악하였다. 기온 변화에 따른 동물의 행동패턴을 연구하는 경우, 온도를 감지하는 수용체나 감각신경 네트워크의 기능을 밝히는데 집중한 반면 본 연구는 기온이라는 환경요인이 수면중추 신경세포를 어떻게 변화 시키는데 집중했다.

2. 연구내용

초파리는 사람과 비슷하게 무더운 환경에서 낮 시간동안 활동량을 줄이고 밤 시간동안 잠에 잘 들지 못하는 열대야 수면 패턴을 보인다. 연구팀은 이러한 수면패턴의 변화에 중요한 유전자를 찾아내고자 수면행동에 이상을 보이는 형질전환 초파리를 무더운 여름과 흡사한 환경에서 배양하며 초파리 수면패턴이 어떻게 변화하는지 관찰하였다.

그 결과, 칼륨(K+) 이온 통로 단백질 가운데 하나인 Shaker 유전자에 돌연변이가 발생하면 정상적인 온도에서는 불면증과 유사한 행동을 보이다가 높은 온도에서는 낮 시간의 수면량이 급격히 증가하는 현상을 관찰하였다. 칼륨(K+) 이온 통로 단백질은 신경세포의 막전위를 휴지기 상태로 되돌리는데 중요한 역할을 수행하며, 이 단백질의 결핍은 신경세포를 과도하게 활성화 시켜 수면행동을 억제한다는 사실이 알려져 있다. 하지만 높은 온도에서는 Shaker 유전자 돌연변이에 의한 수면억제 현상이 발생하지 않는 것이다.

연구팀은 신경세포 특이적 유전자 결핍기술을 활용하여 Shaker 유전자 돌연변이가 신경세포 활성 억제 신경전달물질1) 중 하나인 ‘가바’(GABA, gamma-aminobutyric acid)2)를 통한 신호전달과정을 과도하게 활성화시킴을 확인하였다. 정상적인 온도에서는 이온성 가바 수용기(ionotropic GABA receptor)를 지닌 특정한 수면중추신경(dFSB; dorsal fan-shaped body neuron)3)에 억제성 신호를 전달하고, 이를 통해 낮 시간동안 초파리는 깨어있는 상태를 유지할 수 있게 된다. 하지만 기온이 높아지게 되면, 가바를 생산하는 신경세포와 수면을 촉진하는 dFSB 신경세포 간의 시냅스4)(신경세포 간 연결)가 사라지며 가바 수용기를 통한 억제성 신호를 덜 받게 되는 것이다.

또한, 살아있는 초파리 뇌의 칼슘 이온 (Ca2+) 이미징 기법5)을 이용하여 수면중추 신경세포의 흥분성(excitability)이 기온 변화에 따라 매우 선택적으로 조절된다는 사실을 규명하였다. 낮은 기온(21℃)에서는 억제성 신경전달 물질인 가바(GABA)에 의한 수면촉진 신경세포의 흥분성 억제만 관찰되며, 높은 기온(29℃)에서는 또 다른 억제성 신경전달 물질 도파민(dopamine)6)에 의한 수면촉진 신경세포의 흥분성 억제만 관찰되었다. 이는 주변 환경의 온도 변화에 따라 감각신경 뿐 만 아니라, 수면중추 신경회로 역시 능동적으로 반응할 수 있음을 보여주는 결과이다.

나아가 기온 변화에 따른 억제성 가바 신호전달 체계가 도파민의 작용하는 것을 방해함으로써 수면중추 신경의 흥분성을 조절할 수 있음을 증명하였다. 연구진은 도파민 신경전달 과정의 산물인 고리형 아데노신 일인산(cAMP; cyclic adenosine monophosphate)의 세포 내 농도를 측정할 수 있는 형광 단백질을 이용하여, 이온성 가바 수용기에 의한 억제성 신호의 유무에 따른 수면 중추 신경의 도파민 반응성을 측정하였고, 이 결과 가바 신경전달 시냅스가 사라지는 높은 온도에서 수면 중추 신경의 도파민 반응성이 높아짐을 확인하였다.

또한 신경세포 특이적 유전자 결핍기술을 활용하여 이온성 가바 수용체를 수면중추 신경에서 결핍시켰을 때에도 동일한 결과를 관찰하였다.

3. 기대효과 

본 연구는 기온이라는 환경요인이 수면중추 신경세포의 가소성을 어떠한 방식으로 이끌어내며, 이를 통해 수면이라는 복합적인 행동이 어떻게 구현되는지를 신경유전학적으로 설명한 연구이다. 추가적 연구를 통해 춘곤증이나 여름철 열대야 현상 등으로 인한 수면패턴의 변화를 이해하고, 이로 인한 수면장애를 해소할 실마리가 될 수 있을 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 신경전달물질

체내의 신경 세포(뉴런, neuron)에서 방출되며 인접하는 신경 세포나 근육에 정보를 전달하는 물질. 신경세포에는 신경전달물질을 받아들이는 수용기가 있다.

2. 가바 (GABA, gamma-aminobutyric acid)

대표적인 억제성 신경전달물질이다. 가바를 전달받은 세포는 일반적으로 그 기능이 억제된다. 수면을 촉진하는 신경세포가 가바를 전달 받을 경우, 수면이 억제되며, 역으로 수면을 억제하는 신경세포 가바를 전달 받을 경우 수면이 촉진된다.

3. dFSB (dorsal fan-shaped body neuron)

수면을 조절하는 신경 중 하나이다. 수면 촉진 신경으로 알려져 있다. dFSB가 수면을 증가 시키는 경로는 크게 2가지가 알려져 있다. 신경세포 자체의 흥분성을 조절하는 경로와 세포내 아데노신 일인산(cAMP)의 농도변화에 의한 경로이다. dFSB의 흥분성이 높아지면 수면이 촉진되고, cAMP가 증가하면 수면이 억제된다.

4. 시냅스 (Synapse)

신경세포간의 작은 틈으로, 시냅스를 통해 신경전달물질이 방출된다.

5. 칼슘 이온(Ca2+) 이미징 기법

신경세포가 흥분하면 칼슘이온의 양이 증가한다. 따라서 칼슘 이온 양 측정을 통해 수면신경세포의 흥분정도를 알 수 있다. 본 실험에서는 dFSB의 칼슘량 증가는 수면 촉진으로 이어졌다.

6. 도파민 (Dopamine)

학습, 인지, 운동조절 등에 관여하는 신경전달물질 가운데 하나로, dFSB에 작용하여 수면을 억제한다. 이번 연구에서는 낮은 온도에서 가바전달 경로가 도파민의 신호경로를 방해함에 따라, 높은 온도에서의 dFSB 활성 제어에 선택적으로 작용 한다는 사실을 밝혀내었다.

[붙임] 그림설명

그림1. 기온 변화에 의한 ‘가바(GABA) 생성 신경세포’과 ‘수면촉진 신경세포(dFSB)’ 간의 시냅스 가소성: 신경세포의 활성 시냅스를 정량적으로 시각화할 수 있는 형질전환 유전자(syb: GRASP)를 이용하여 억제성 가바 신경(GAD1)과 수면촉진 신경세포(dFSB neuron; 23E10) 간의 신경전달이 낮은 기온(21℃)에서만 활성화되는 것을 발견함. 이와는 대조적으로, 또 다른 억제성 신호로 작용하는 도파민 신경(TH)과의 시냅스 활성은 기온에 의해 영향을 받지 않음.

그림2. 기온 변화에 따른 수면행동이 ‘수면촉진 신경세포(dFSB)’의 ‘가바 수용체(Rdl)’를 통해 조절되는 현상 규명: 칼륨 이온(K⁺) 통로를 만드는 셰이커(Shaker) 유전자의 돌연변이에 의한 ‘가바(GABA) 생성 신경세포’의 활성화와 수면 억제 효과가, ‘수면촉진 신경세포’의 가바 수용체를 통한 억제성 가바 신호전달에 의해 일어남. 

(a) 형질전환 초파리를 활용해 열대야에 따른 수면 행동 변화를 모델링했으며, 이를 통해 기온 상승에 따라 ‘셰이커(Shaker) 유전자 돌연변이 초파리’의 불면증이 억제되는 현상을 발견함.

(b) 신경회로의 행동유전학적 스크리닝을 통해 기온 변화에 따른 수면 행동 조절에 중요한 초파리 뇌의 특정한 수면촉진 신경세포(dFSB; dorsal Fan-Shaped Body neuron)를 규명했으며, 이를 형광 리포터 단백질과 공초점 현미경을 통해 시각화.

(c) 형질전환 유전자를 이용해 수면촉진 신경세포(dFSB)에 존재하는 억제성 가바 수용체의 기능을 억제함으로써 기온 변화에 따른 셰이커(Shaker) 돌연변이 초파리의 불면증이 완화되는 것을 증명함.

그림3. 기온 변화에 따른 억제성 가바 시냅스 형성을 통해 수면 패턴을 조절하는 신경유전학적 기전 모델

(a) 살아있는 뇌의 칼슘 이온(Ca²⁺) 이미징 기법을 이용해 수면촉진 신경세포(dFSB neuron; 23E10)의 흥분성(excitability)이 기온 변화에 따라 매우 선택적으로 조절된다는 사실을 규명함. 즉, 낮은 기온(21℃)에서는 억제성 신경전달 물질인 가바(GABA)에 의한 수면촉진 신경세포의 흥분성 억제만 관찰되며, 높은 기온(29℃)에서는 또 다른 억제성 신경전달 물질 도파민(DA)에 의한 수면촉진 신경세포의 흥분성 억제만 관찰됨.

(b) 기온 및 빛에 의한 수면 중추 신경회로의 시냅스 활성 변화와 열대야 수면 행동의 조절 모델.