강봉균 교수, 김빛내리 장기기억을 유전자억제 최초규명 메커니즘연구 기억상실등 뇌질환지료~장기기억 위한 유전자 억제 메커니즘 최초 규명 기억상실 등 뇌질환 치료 연구 토대 마련, 미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 장기기억 형성에 뇌에서의 유전자 억제가 중요하다는 사실을 분자적 수준에서 세계 최초로 규명했다고 밝혔다.,

◇ 강봉균 교수, 김빛내리 단장 공동연구팀, 최고수준 학술지 ‘사이언스’에 논문 게재  

◇ 뇌 속 해마에서의 단백질 억제가 장기기억 형성에 영향을 주는 메커니즘 규명

□ 서울대 강봉균 교수 연구팀과 기초과학연구원(IBS) 김빛내리 단장 연구팀은 장기기억을 형성하는 동안 일어나는 유전자 조절 현상에 대한 연구를 미래창조과학부의 기초연구지원사업(리더연구자지원사업)을 통해 수행하였으며, 연구결과는 최고 수준의 학술지인 사이언스(Science) 온라인판 10월 2일자에 게재되었다. 

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

 - 논문명 : Multiple Repressive Mechanisms in the Hippocampus During Memory Formation

 - 저자 정보: 조준 박사후연구원(공동제1저자, IBS연구단, 서울대), 유남경 박사후연구원(공동제1저자, 서울대), 김빛내리 교수(공동교신저자, 서울대, IBS연구단장), 강봉균 교수(공동교신저자, 서울대, 국가과학자)

 □ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성

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

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

 ○ 또한 해마*에서의 mRNA와 단백질 합성이 장기기억의 형성에 필요하다는 것은 기존 연구들을 통해서 잘 알려져 있었지만, 기억이 형성되는 동안 유전자로부터의 단백질 합성이 어떻게 제어되는지에 대해 전체 유전체 수준에서 조망한 연구는 발표된 바가 없어서 장기기억 형성의 분자적 원리는 불분명했다. 

* 해마(海馬, hippocampus) : 뇌의 양쪽 측두엽에 존재하며 서술기억의 형성에 중요하다고 잘 알려져 있는 뇌 하부구조

 2. 발견 원리

 ○ 장기기억을 형성할 수 있는 강한 학습을 하고 난 생쥐의 해마를 추출하여 단백질 합성에 대하여 조사하였다. 

○ 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 통해 크게 세 가지 흥미로운 현상을 발견했다. 

 - 첫째, 해마에서의 단백질 합성이 장기기억 형성 등에 중요함에도 불구하고, 해마에서의 전체적인 단백질 합성 효율은 낮게 유지된다는 점을 발견하였다. 

- 둘째, 강한 학습 직후 5~10분의 짧은 시간 동안 여러 특정 유전자들의 단백질 합성이 mRNA로부터 단백질이 합성되는 번역 단계에서 억제된다는 것을 처음 발견하였으며, 이 유전자들이 왜 억제되는지 알아보기 위하여 그중 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. 

 - 셋째, 학습 이후 수 시간 동안 억제되는 일부 유전자들을 발견하였으며 그 중 많은 유전자들이 공통적으로 에스트로젠 수용체 1(ESR1)을 통해 조절되는 유전자들이었다. 이를 통해 ESR1을 통한 신호 전달이 학습 후에 저하된다는 것을 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 알 수 있었다.

 3. 연구 성과

 ○ 장기기억 형성에 관련된 유전자 조절에 관한 데이터베이스를 제공함으로써 관련 연구 분야의 새로운 도약을 위한 발판을 마련하였다.

 ○ 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.

 □ ‘기억이 어떻게 형성되고 유지되는가’하는 것은 인류 자신에 대한 본질적인 질문이자 신경과학의 주요 연구주제 중 하나이며, 학습 및 기억과 관련된 다양한 뇌질환(치매, 뇌상후스트레스증후군, 우울증, 불안장애, 마약중독) 치료를 위해서도 기억 형성 과정에 대한 이해가 중요하다. 

 o 강봉균 교수는 “장기기억 형성에 관여하는 새로운 유전자 조절 메커니즘을 처음 규명함으로써 기억 관련 뇌질환 치료에 공헌할 수 있는 토대를 마련하였다”라고 밝혔고, 김빛내리 단장은 “생명현상의 기저를 이루는 RNA에 대한 이해와 생물정보학적 연구기술이 기억 형성이라는 뇌 과학적 주제에 접목되어 큰 시너지를 발휘했다. 분야를 뛰어넘는 협업정신이 미래 과학기술 경쟁력의 핵심이 될 것으로 기대한다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.