【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST 연구진이 신경세포 간 정보 전달에 중요한 역할을 하는 칼슘 채널의 조절 원리를 밝혀 뇌 질환 치료제 개발을 위한 새로운 가능성을 제시했다.

▲ (좌측부터) 뇌과학과 서병창 교수, 우진녕 학석박연계과정생  © DGIST

DGIST(총장 이건우)는 뇌과학과 서병창 교수 연구팀이 ‘N형 전압 개폐성 칼슘 채널(CaV2.2)’이 열리고 닫히는 과정에 관여하는 분자 수준의 작동 원리를 세계 최초로 규명했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)’에 게재됐다.

신경세포는 전기 신호를 화학 신호로 변환해 다른 세포로 정보를 전달하며, 이 과정에서 칼슘 채널을 통한 칼슘 이온의 이동이 핵심적인 역할을 한다. 연구팀은 그동안 명확히 밝혀지지 않았던 칼슘 채널 조절 과정에 주목했다.

특히 연구팀은 칼슘 채널에 결합하는 보조 단백질인 ‘베타(β) 소단위체’가 채널의 활성 상태를 어떻게 변화시키는지 분석했다. 베타 소단위체의 종류에 따라 채널이 열려 있는 시간이 달라지지만, 그동안 이러한 차이가 발생하는 구조적 원리는 밝혀지지 않았다.

연구팀은 여러 베타 소단위체 모델을 비교하는 과정에서 채널 내부 특정 부위인 ‘R370’에 주목했다. 분석 결과, 이 부위가 중심축처럼 작용해 채널 구조를 변화시키며, 결합하는 베타 소단위체에 따라 칼슘 채널의 개폐 특성이 달라진다는 사실을 확인했다.

연구팀은 이를 ‘분자 레버’ 작동 방식으로 설명했다. 특정 부위의 구조 변화가 칼슘 채널의 움직임을 조절하고, 결과적으로 신경세포의 신호 전달 과정에도 영향을 미친다는 것이다.

▲ 전압 개폐성 칼슘 채널 구조와 베타 소단위체 의한 조절  © DGIST

또한 전기생리학적 측정과 동역학 모델링을 통해 해당 구조 변화가 실제 신경 신호 전달 조절과 연관된다는 점도 확인했다.

이번 연구는 칼슘 채널 이상과 관련된 신경병증성 통증, 뇌전증, 자폐 스펙트럼 장애, 알츠하이머병 등 다양한 뇌 질환 치료제 개발 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

서병창 DGIST 뇌과학과 교수는 “베타 소단위체 결합에 따른 칼슘 채널의 구조적·기능적 변화 원리를 구체적으로 규명했다”며 “이번 연구가 향후 뇌 질환 치료제 개발을 위한 새로운 연구 기반이 되길 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실, 뇌과학선도융합기술개발, 핵심개인기초연구 사업 지원을 받아 수행됐다. DGIST 우진녕 학석박연계과정생이 제1저자로 참여했으며, 김정은 연구원이 공동연구자로 참여했다.

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

DGIST Research Team Uncovers ‘Operating Principles of Calcium Channels’ Regulating Brain Nerve Signals

A research team at DGIST has revealed the regulatory principles of calcium channels, which play a crucial role in the transmission of information between nerve cells, presenting new possibilities for the development of treatments for brain diseases.

DGIST (President Lee Kun-woo) announced that a research team led by Professor Seo Byung-chang of the Department of Brain Science has, for the first time in the world, identified the molecular-level operating principles involved in the opening and closing processes of ‘N-type voltage-gated calcium channels (CaV2.2).’

The results of this study were published in the international academic journal *Proceedings of the National Academy of Sciences*.

Nerve cells convert electrical signals into chemical signals to transmit information to other cells, and the movement of calcium ions through calcium channels plays a key role in this process. The research team focused on the calcium channel regulation process, which had not been clearly elucidated until now.

In particular, the team analyzed how ‘beta (β) subunits,’ which are auxiliary proteins that bind to calcium channels, alter the channel's active state. Although the duration of channel opening varies depending on the type of beta subunit, the structural principles behind these differences have remained unknown until now.

During the process of comparing various beta subunit models, the research team focused on ‘R370,’ a specific region within the channel. Analysis revealed that this region acts as a central axis to alter the channel structure, and that the opening and closing characteristics of the calcium channel vary depending on the beta subunit that binds to it.

The team explained this as a ‘molecular lever’ mechanism. This implies that structural changes in this specific region regulate the movement of the calcium channel, thereby influencing the signal transmission process within neurons.

Furthermore, through electrophysiological measurements and dynamic modeling, they confirmed that these structural changes are linked to the actual regulation of neural signal transmission.

This research is expected to be utilized in the development of treatments for various brain diseases associated with calcium channel abnormalities, such as neuropathic pain, epilepsy, autism spectrum disorder, and Alzheimer's disease. Professor Seo Byung-chang of the Department of Brain Science at DGIST stated, “We have specifically elucidated the principles behind the structural and functional changes in calcium channels resulting from the binding of beta subunits,” adding, “We hope this research will serve as a new foundation for the development of treatments for brain diseases in the future.”

Meanwhile, this research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea’s Basic Research Laboratory, Brain Science Leading Convergence Technology Development, and Core Individual Basic Research programs. Woo Jin-nyung, a student in the combined undergraduate, master’s, and doctoral program at DGIST, participated as the first author, and Researcher Kim Jung-eun participated as a co-researcher.