【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST(총장 이건우)는 뇌과학과 시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단(센터장: 고재원)이 뇌의 신경세포 연결 부위인 시냅스의 다양한 특성을 조절하는 단백질의 작동 원리를 밝혀냈다고 24일 밝혔다.

▲ (왼쪽부터) DGIST 김승준 박사, 장규빈 연구원, 고재원 교수  © DGIST

시냅스는 신경세포들이 서로 연결되는 특별한 지점으로, 모든 뇌 기능을가능하게 하는 기본단위이다. 다양한 시냅스 접착 단백질은 이 연결 지점에서 신경 신호를 빠르고 정확하게 전달하여 신경회로의 특성을 결정한다.

고재원 교수 연구팀(시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단)은 2011년부터다양한 시냅스 접착 단백질을 연구해왔다. 특히, 2013년에는 MDGA단백질이 시냅스 구조와 신경 신호 전달을 억제하는 역할을 한다고 밝혔고, 2017년에는 이 단백질의 구조와 작동 모델을 제시했다. 그러나 이후 다른 연구팀들이 상반된 결과를 보고하면서 MDGA 단백질의 정확한 기능에 대해 의문이 제기되었다.

본 연구에서는 특정 시간에 특정 조직에서 유전자가 삭제되도록 조작한(조건부 낙아웃) 생쥐 모델을 사용해, MDGA 단백질이 신경세포에서 어떤 역할을 하는지 조사했다. 연구팀은 공초점 현미경과 전기생리학 기법을 활용해 MDGA 단백질이 흥분성 및 억제성 시냅스에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과, MDGA1 단백질이 삭제되면 억제성 시냅스의 숫자와 강도가 증가하고, MDGA2 단백질이 삭제되면 흥분성 시냅스의 특성이 증가하는 것을 발견했다. 이는 MDGA 단백질이 시냅스에서 특이적으로 작용한다는 것을 보여준다.

다른 연구팀들은 MDGA 단백질을 연구할 때 조건부 낙아웃 모형이 아닌 다른 유전자 조작법을 사용했기 때문에 해석에 어려움이 있었다. 그러나 이번 연구는 신경 세포 외의 MDGA 단백질 기능을 배제하고, 정교한 유전자 삭제 생쥐 모델을 사용하여 MDGA 단백질의 정확한 기능을 밝혀냈다. 특히, MDGA1과 MDGA2 단백질이 서로 다른 방식으로 시냅스를 조절한다는 것을 확인했다. 놀랍게도 두 단백질을 동시에 삭제하면 시냅스 특성 변화가 사라졌는데, 이는 두 단백질이 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스 간의 상호작용에 관여한다는 것을 시사한다.

고재원 연구단장은 “본 연구는 그동안 여러 논란이 많았던 MDGA 단백질의 기능을 조건부 낙아웃 생쥐모델을 이용하여 체계적으로 분석한 최초의 논문이다.”라며, “현재 신경세포 외의 세포들에서의 MDGA 단백질 기능을 연구 중이다”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구성과는 DGIST 뇌과학과 시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단 소속 김승준 박사(DGIST 뇌과학과 석박통합과정 졸업), 장규빈 연구원(DGIST 뇌과학과 석사과정 졸업)이 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 전문학술지 ‘미국국립과학원회보(Proceedings of The National Academy of Sciences of the United States of America) [영향력 지수: 11.1]’에 6월 21일자로 온라인 게재됐다. 아울러 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘리더연구사업’, ‘중견연구사업’, ‘세종과학펠로우쉽’ 등의 지원을 받아 수행됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 DGIST Professor Jaewon Ko's research group identifies the operating principle of proteins that regulate synapse characteristics

] DGIST (President Lee Kun-woo) announced on the 24th that the Neuroscience and Synapse Diversity and Specificity Control Research Group (Center Director: Ko Jae-won) has discovered the operating principle of a protein that regulates various characteristics of synapses, the connection between nerve cells in the brain.

 A synapse is a special point where nerve cells connect to each other and is the basic unit that makes all brain functions possible. Various synaptic adhesion proteins determine the characteristics of neural circuits by quickly and accurately transmitting neural signals at these connection points.

Professor Jaewon Ko's research team (Synaptic Diversity and Specificity Regulation Research Center) has been studying various synaptic adhesion proteins since 2011. In particular, in 2013, it was revealed that MDGA protein plays a role in inhibiting synaptic structure and nerve signal transmission, and in 2017, the structure and operating model of this protein were presented. However, later, different research teams reported conflicting results, raising questions about the exact function of the MDGA protein.

 In this study, we investigated the role of MDGA protein in neurons using a mouse model in which genes were engineered to be deleted in specific tissues at specific times (conditional knockout). The research team analyzed the effects of MDGA protein on excitatory and inhibitory synapses using confocal microscopy and electrophysiology techniques. As a result, it was found that when the MDGA1 protein was deleted, the number and strength of inhibitory synapses increased, and when the MDGA2 protein was deleted, the characteristics of excitatory synapses increased. This shows that MDGA protein acts specifically at synapses.

Other research teams had difficulty interpreting the MDGA protein because they used genetic manipulation methods other than the conditional knockout model when studying the protein. However, this study excluded MDGA protein functions outside of neurons and used a sophisticated gene deletion mouse model to reveal the exact function of MDGA protein. In particular, it was confirmed that MDGA1 and MDGA2 proteins regulate synapses in different ways. Surprisingly, simultaneous deletion of both proteins abolished the change in synaptic properties, suggesting that the two proteins are involved in the interaction between excitatory and inhibitory synapses.

“This study is the first paper to systematically analyze the function of the MDGA protein, which has been subject to many controversies, using a conditional knockout mouse model,” said Research Center Director Jaewon Ko. “Currently, the function of the MDGA protein in cells other than neurons is “We are researching,” he said.

Meanwhile, this research outcome was co-first authored by Dr. Seungjun Kim (graduated from the DGIST Department of Neuroscience and Master's Program) and researcher Gyubin Jang (graduated from the DGIST Department of Neuroscience and Master's Program) from the Synapse Diversity and Specificity Regulation Research Group of the Department of Neuroscience at DGIST as co-first authors, and published in an international academic journal. It was published online on June 21 in the 'Proceedings of The National Academy of Sciences of the United States of America [Impact Factor: 11.1]'. In addition, it was carried out with support from the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea’s ‘Leader Research Project’, ‘Mid-career Research Project’, and ‘Sejong Science Fellowship’.