[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

도파민은 중추신경계에서 수의운동, 보상행동, 동기 부여, 감정 조절 등 중요한 뇌기능들을 담당하는 조절성 신경전달물질이다. 도파민은 중뇌(midbrain)의 흑질 치밀부(substantia nigra pars compacta, SNc), 복측피개영역(ventral tegmental area, VTA)에 주로 분포하는 도파민 신경세포에서 합성되며, 도파민 신경세포는 기저핵(basal ganglia)의 선조체(striatum) 영역으로 긴 축삭돌기를 뻗어 도파민을 분비한다. 이러한 도파민 합성 및 분비 조절 과정에 문제가 생기면 우울증, 주의력결핍 과잉행동장애(ADHD), 조현병, 파킨슨병, 중독 등의 다양한 뇌질환들을 초래할 수 있다. 따라서 도파민의 합성 및 분비 조절 과정을 이해하는 것은 도파민 이상과 관련한 뇌질환들의 치료법 개발을 위해 반드시 필요한 과정이다. PLCγ1은 외부 자극에 대한 세포 내 신호전달을 매개하는 주요 효소이며, 세포의 증식, 분화, 이동 및 생존에 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 현재까지 PLCγ1의 도파민 신경세포에서의 생리적 기능에 대해서는 보고된 연구가 없었으며, 본 연구팀은 도파민 신경세포에서 PLCγ1의 역할을 규명하기 위해 이 연구를 시작하게 되었다.

2. 연구내용

본 연구에서는 도파민 신경세포 특이적으로 PLCγ1 유전자를 제거하여 세포 내 발현을 억제하였을 때 도파민 신경세포의 구조와 기능 변화 및 도파민 분비와 관련된 다른 단백질들의 변화를 관찰하였다. PLCγ1이 결핍된 생쥐에서 도파민 신경세포의 발달 및 생존, 그리고 세포학적 구조에서는 정상적인 도파민 신경세포와 비교했을 때 차이가 없었다. 그러나 등쪽 선조체 및 측좌핵 중심부에 위치한 도파민 신경세포 축삭 말단에 도파민 분비를 유도하는 전기 및 빛 자극을 주었을 때, PLCγ1 결핍 생쥐에서 도파민 방출량이 유의미하게 증가하였다. 이는 도파민 합성 효소(tyrosine hydroxylase, TH)와 도파민 재흡수 수송체 (dopamine transporter, DAT)에 의한 변화가 아님을 확인하였다. 놀랍게도, 세포질에서 시냅스 소포 (synaptic vesicle)로 도파민을 운반하는 수송체 단백질 (vesicular monoamine transporter 2, VMAT2)이 선조체에 존재하는 도파민 신경세포의 축삭 말단에서 증가했을 뿐만 아니라, 시냅스 소포의 이동에 관여하는 synapsin III 단백질의 양도 유의미하게 증가한 것을 확인하였다. 마지막으로 도파민 신경세포에서 이 단백질들의 발현을 선택적으로 억제하였을 때 선조체에서의 도파민 분비가 감소하는데, PLCγ1 결핍 생쥐에서는 이러한 도파민 분비 감소 경향이 완화되었다. 결론적으로 본 연구팀은 이러한 결과들을 통해 PLCγ1이 도파민 신경세포 내의 시냅스 소포와 관련된 단백질들과 상호작용하여 도파민 분비를 조절한다는 것을 처음으로 밝혔다.

3. 기대효과

도파민과 도파민 신경세포의 기능 이상은 조현병, 파킨슨병, ADHD, 중독 등의 다양한 뇌질환들과 그 생물학적 연관성이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 본 연구는 PLCγ1이 도파민 신경세포의 도파민 시냅스 소포 형성 및 방출 과정에 핵심적인 역할을 한다는 것을 새롭게 규명하였다. 본 연구를 통해 도파민 신경세포가 도파민 분비를 조절하는 원리와 그 분자 기전을 심도 있게 이해할 수 있으며, 더 나아가 PLCγ1을 표적으로 하는 새로운 치료법 개발을 통해 조현병, 파킨슨병, 중독과 같은 도파민 관련 뇌질환들의 치료에 새로운 돌파구를 마련할 수 있을 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 도파민 신경세포(dopamine neuron)

도파민 신경세포는 조절성 신경전달물질 중의 하나인 도파민을 합성하여 분비하는 신경세포이다. 도파민 신경세포는 중뇌(midbrain)의 흑질 치밀부(substantia nigra pars compacta, SNc), 복측피개영역(ventral tegmental area, VTA)에 주로 분포하며, 기저핵(basal ganglia)의 선조체(striatum) 영역으로 긴 축삭돌기를 뻗어 도파민을 분비한다. 이 신경세포는 도파민 분비를 통해 수의운동, 동기 부여, 보상, 학습 및 기억, 감정 조절 등의 중요한 뇌 기능에 관여한다.

2. 포스포리파아제 C 감마 1(phospholipase C gamma1, PLCγ1)

이 효소는 세포 외부의 성장인자를 받아들이는 막수용체에 의해 활성화되며, 세포막 내부에서 인지질인 phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate(PIP2)를 가수분해하여 이차 신호 전달체인 diacylglycerol(DAG)과 inositol 1,4,5-trisphosphate(IP3)를 생성한다. 이러한 이차 신호 전달체들은 세포 내의 복잡한 신호전달 네트워크를 정교하게 조절하여 세포의 생존, 성장, 대사, 이동 등에 중요한 역할을 한다.

3. 고속 스캔 순환 전압계(fast scan cyclic voltammetry, FSCV)

신경계에서 분비된 신경전달물질을 감지하여 실시간으로 농도 변화를 측정하는 전기화학적 방법이다. 미세 탄소 섬유 전극을 뇌의 국소 부위에 삽입해 특정 패턴의 전압을 가하면, 도파민과 같이 산화가 잘 일어나는 신경전달물질이 가진 각각의 고유한 환원 전위를 통해 신경전달물질의 확인 및 농도 변화를 측정할 수 있다.

4. 소포성 모노아민 운반수송체(vesicular monoamine transporter 2, VMAT2)

중추신경계의 도파민 신경세포에 주로 존재하며, 세포질에 존재하는 도파민을 시냅스 소포로 운반 및 축적하는 막수송체 단백질이다. 도파민 신경세포의 축삭돌기(axon)에서 주로 발견된다.

5. 시냅신 III(synapsin III)

시냅신은 시냅스에 많이 분포하는 단백질로 시냅스의 발달, 신경전달물질의 방출 및 신경 말단 형성과 같은 시냅스의 생성 및 신경 가소성에 중요한 역할을 한다. 시냅신 III는 선조체에서 도파민 방출과 관련되어 있는 것으로 알려져 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 도파민 신경세포 특이적으로 PLCγ1의 발현을 유전적으로 억제하였을 때 도파민 신경세포의 축삭 말단에서 도파민 분비가 증가하는 것을 확인함.

(A) PLCγ1 결핍 생쥐의 도파민 신경세포 축삭 말단에서 VMAT2, synapsin III의 증가와 함께 도파민 분비가 정상 생쥐보다 증가한 것을 보여주는 연구결과 요약 그림. (B) 도파민 신경세포의 축삭 말단이 위치하고 있는 등쪽 선조체(dorsal striatum, Dstr), 측좌핵 중심부(nucleus accumbens core, NAc core)를 전기적으로 자극하여 도파민 방출을 유도하고 고속 스캔 순환 전압계(FSCV) 실험으로 시간에 따른 도파민의 농도 변화를 측정하였음. (C) 전기 자극을 주었을 때 등쪽 선조체의 도파민 신경세포 축삭 말단에서 도파민 방출에 따른 전압-전류의 변화 그래프. (D) PLCγ1 결핍 생쥐의 등쪽 선조체에서 도파민 방출이 증가한 것을 확인함. (E) 전기 자극을 주었을 때 측좌핵 중심부의 도파민 신경세포 축삭 말단에서 도파민 방출에 따른 전압-전류의 변화 그래프. (F) PLCγ1 결핍 생쥐의 측좌핵 중심부에서도 도파민 방출이 증가한 것을 관찰하였고, 이를 통해 도파민 신경세포의 축삭 말단에서 PLCγ1의 유전적 발현 억제가 도파민 분비에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였음.

그림2. 도파민 신경세포의 축삭 말단에서 PLCγ1이 결손되었을 때, 도파민 분비를 조절하는 VMAT2, synapsin III의 양이 증가.

(A) 면역조직화학염색법을 이용하여 등쪽 선조체의 도파민 신경세포 축삭에서 시냅스 소포로 도파민을 수송하는 VMAT2의 양을 확인하였음. (B) PLCγ1 결핍 생쥐에서 VMAT2의 양이 증가한 것을 관찰하였고, 이를 통해 시냅스 소포 또는 시냅스 소포로 운반되는 도파민의 양이 증가하였기 때문에 도파민 방출이 증가했음을 알 수 있음. (C) 면역조직화학염색법을 이용하여 등쪽 선조체의 도파민 신경세포 축삭에서 방출 가능한 시냅스로 소포를 운반하는 synapsin III의 양을 확인하였음. (D) PLCγ1 결핍 생쥐에서 synapsin III의 양이 증가한 것을 관찰하였고, 이를 통해 방출 가능한 시냅스에 존재하는 도파민 소포의 양이 증가하여 도파민 방출량이 증가하였음을 간접적으로 확인할 수 있음.