별세포 활용 '신트로고' 개발…특정 시냅스만 골라 제거
양은 줄고 질은 강화…기억·학습 능력 향상 입증

기초과학연구원(IBS) 기억 및 교세포 연구단과 한국뇌연구원(KBRI) 공동연구진이 별세포를 이용해원하는 특정 시냅스만 선택적으로 제거해 뇌 회로를 재구성하는 '신트로고(SynTrogo)' 기술을 개발했습니다.

이번 연구는 시냅스 제거로 뇌 연결망 자체를 정밀하게 편집한 첫 사례로 자폐·조현병 등 퇴행성 뇌 질환 치료에 새로운 패러다임이 열릴 것으로 기대됩니다.

연구진은 우리 뇌의 기본 구조인 '커넥톰(Connectome)'에 주목했습니다. 수조 개 시냅스가 복잡하게 얽힌 이 회로는 기억과 감정, 판단 등 모든 인지 기능의 토대입니다.

그동안 뇌 연구는 시냅스를 통한 신경세포 간 정보 전달 조절에 집중돼 왔으며, 정보가 흐르는 커넥톰 구조 자체를 바꾸는 것은 불가능한 영역으로 여겨져 왔습니다.

연구진은 면역세포가 상대 세포의 일부분만 마치 뜯어 먹듯 제거하는 '트로고사이토시스' 현상에 착안해 이를 응용한 합성 단백질을 제작했습니다.

신경세포 시냅스에는 녹색 형광단백질(GFP)을, 별세포에는 이를 인식하는 나노바디 수용체를 발현시켜 두 세포가 결합하도록 설계했습니다. 이를 통해 별세포가 신경세포 전체를 손상하지 않고 목표한 시냅스만 선택적으로 제거해 뇌 회로를 편집하는 '신트로고' 기술을 구현했습니다.

실험 결과는 기존 통념을 뒤집었습니다.

생쥐 해마 회로에 기술을 적용하자 시냅스 밀도는 약 27% 감소했지만, 남은 시냅스는 오히려 크기가 커지고 기능이 대폭 강화됐습니다. 가지치기로 남은 가지들이 튼튼하게 자라듯, 살아남은 시냅스의 구조와 기능이 강화돼 학습과 기억 능력이 향상됐습니다. 양적 감소가 질적 향상으로 이어진 셈입니다.

전자현미경 분석 결과, 신경전달물질을 저장하는 소낭 수와 미토콘드리아 부피가 증가하고, 신호 전달 핵심 구조인 스파인 비율이 크게 늘어났습니다.

특히 학습과 기억의 핵심 기전인 장기강화(LTP)가 증가하면서 뇌 회로의 신경 가소성과 회로 전체의 학습 능력이 크게 향상됐습니다.

동물 실험에서도 이러한 변화가 실제 인지 기능 향상으로 이어져 기억 유지력과 학습 유연성이 모두 개선된 것으로 확인됐습니다.

IBS 이창준 단장은 "시냅스 수의 이상으로 발병하는 조현병과 자폐증, 그리고 시냅스 손실이 특징인 퇴행성 뇌 질환 치료에 새로운 플랫폼이 될 수 있다"고 말했습니다.

또 이상규 차세대 연구리더는 "합성생물학적 접급으로 뇌 회로를 시냅스 단위로 편집할 수 있다는 것을 보여준 사례"라며 "이 기술이 ‘커넥톰 편집’이라는 새로운 연구 영역의 출발점이 될 것"이라고 강조했습니다.

연구진은 이번 성과로 단순히 신경 신호를 조절하는 수준을 넘어 뇌 회로 자체를 설계하고 재구성하는 시대가 열릴 것으로 기대하고 있습니다.

이번 연구 결과는 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 4월 15일 자 온라인판에 실렸습니다.