장기기억 형성에 뇌에서의 유전자 억제 중요

국내 연구팀, 세계 최초 분자적 수준으로 규명







국내 연구진이 장기기억 형성에 뇌에서의 유전자 억제가 중요하다는 사실을 분자적 수준에서 세계 최초로 규명해 주목된다.

2일 미래창조과학부에 따르면 학습을 한 뒤에 학습한 내용이 뇌에 장기기억으로 저장되기 위해서는 유전자로부터 단백질이 생산되는 과정이 정밀하게 조절돼야 하는데 유전자 발현 조절은 DNA의 유전 정보를 전달하는 전령RNA(messenger RNA, 이하 mRNA) 양을 조절하거나 그 mRNA로부터 단백질이 합성되는 ‘번역(translation)’을 조절해서도 가능하다.



또 해마에서의 mRNA와 단백질 합성이 장기기억의 형성에 필요하다는 것은 기존 연구들을 통해 잘 알려져 있었지만, 기억이 형성되는 동안 유전자로부터의 단백질 합성이 어떻게 제어되는지에 대해서는 전체 유전체 수준에서 조망한 연구가 발표된 바가 없어 장기기억 형성의 분자적 원리는 불분명한 상황이다.



그런데 최고 수준의 학술지인 사이언스(Science) 온라인판 10월 2일자에 게재된 서울대 강봉균 교수 연구팀과 기초과학연구원(IBS) 김빛내리 단장 연구팀의 ‘Multiple Repressive Mechanisms in the Hippocampus During Memory Formation’ 논문에서는 장기기억을 형성할 수 있는 강한 학습을 하고 난 생쥐의 해마를 추출, 단백질 합성을 조사하고 수천 개 이상의 유전자의 번역(translation) 상태를 동시에 정량적으로 분석할 수 있는 리보솜 프로파일링(ribosome profiling, RPF) 기술을 도입, 해마의 단백질 합성에 대한 다각적인 분석을 실시했다.



그 결과 해마에서의 단백질 합성이 장기기억 형성 등에 중요함에도 불구하고, 해마에서의 전체적인 단백질 합성 효율은 낮게 유지된다는 점을 발견했다.



그리고 강한 학습 직후 5~10분의 짧은 시간 동안 여러 특정 유전자들의 단백질 합성이 mRNA로부터 단백질이 합성되는 번역 단계에서 억제된다는 것을 처음으로 발견했으며 이 유전자들이 왜 억제되는지 알아보고자 그 중 한 유전자(Nrsn1)의 발현량을 높였더니 생쥐가 장기기억을 잘 형성하지 못한다는 것을 통해 장기기억을 형성할 때 Nrsn1과 같은 단백질은 ‘기억억제자’ 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.



또한 학습 이후 수 시간 동안 억제되는 일부 유전자들을 발견했으며 그 중 많은 유전자들이 공통적으로 에스트로젠 수용체 1(ESR1)을 통해 조절되는 유전자들이었는데 이를 통해 ESR1을 통한 신호 전달이 학습 후에 저하된다는 사실을 알 수 있었으며 그 의미를 알아보기 위해 학습 이후 ESR1 신호 전달을 높였더니 생쥐의 기억 형성이 약화된다는 것을 확인, 결과적으로 ESR1 신호 전달의 억제가 기억 형성에 중요하다는 것을 알아냈다.



이번 연구결과는 장기기억 형성에 관련된 유전자 조절에 관한 데이터베이스를 제공함으로써 관련 연구 분야의 새로운 도약을 위한 발판을 마련한 것으로 장기기억을 형성하기 위해서는 단백질의 생성이 중요하다는 것이 잘 알려져 있었지만 일부 단백질들의 경우 오히려 그 생성이 억제되어야 한다는 점을 보여줌으로써 장기기억 형성 메커니즘의 복잡성을 시사하고 있다.



이는 학습 및 기억과 관련된 다양한 뇌질환(치매, 뇌상후스트레스증후군, 우울증, 불안장애, 마약중독) 치료를 위해 기억 형성 과정에 대한 이해가 중요한데 기억관련 뇌질환 치료를 위한 치료제의 목표가 될 수 있는 세포 내 목표 분자들이 더욱 다양하게 선택될 수 있음을 의미하기도 한다.



강봉균 교수는 “장기기억 형성에 관여하는 새로운 유전자 조절 메커니즘을 처음 규명함으로써 기억 관련 뇌질환 치료에 공헌할 수 있는 토대를 마련했다”고 말했다.



김빛내리 단장은 “생명현상의 기저를 이루는 RNA에 대한 이해와 생물정보학적 연구기술이 기억 형성이라는 뇌 과학적 주제에 접목되어 큰 시너지를 발휘했다”며 “분야를 뛰어넘는 협업정신이 미래 과학기술 경쟁력의 핵심이 될 것으로 기대한다”고 연구의 의의를 밝혔다.



<용어설명>

mRNA

DNA에 담긴 유전 정보는 전사(transcription) 과정을 거쳐 RNA로 전달되는데, RNA의 일종인 mRNA는 단백질을 생성할 수 있는 정보를 담고 있음



전령RNA (Messenger RNA)

DNA에 담긴 유전 정보는 전사(transcription) 과정을 거쳐 RNA로 전달되는데, RNA의 일종인 전령RNA는 단백질을 생성할 수 있는 정보를 담고 있다.



번역 (translation)

DNA로부터 유전 정보를 전달받은 mRNA에 리보솜(ribosome)이 붙어서 유전 정보에 따라 아미노산 중합체인 단백질을 생성하는 과정. 단백질들이 효소 반응과 세포 신호 전달, 세포의 증식과 사멸 등을 결정하기 때문에 단백질의 생성량을 정확히 조절하는 것은 생물체의 기능에 매우 중요하다.



리보솜 프로파일링 (ribosome profiling 혹은 RPF)

대규모 염기서열 분석을 이용한 최신실험기법으로서, mRNA(전령RNA)에 결합된 리보솜의 위치를 분석하여 단백질의 합성(번역) 속도를 측정하는 방법이다. 기존의 실험 기법들과는 달리 수천 개 이상의 전령RNA에 대한 분석을 동시에 실시할 수 있고, 정밀한 측정이 가능해 매우 유용한 최신 실험 기법이다. 본 연구 이전에 세포주 수준이 아닌 동물체의 특정 조직 전체에 대해 위의 실험 기법을 확립시킨 사례는 극히 드물다.