뇌 신호 조절하는 단백질 찾았다!” DGIST, 흥분성 시냅스 기능 제어하는 핵심 단서 규명

DGIST, 흥분성 시냅스를 조절하는 핵심 단백질 수용체 기전 세계 최초 규명

**대구경북과학기술원(DGIST)**이 뇌과학 분야에서 세계적인 성과를 거두었습니다. DGIST 뇌과학과 ‘시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단’은 신경세포의 흥분성 시냅스 기능을 조절하는 핵심 단백질 수용체의 작용 기전을 세계 최초로 규명했다고 밝혔습니다. 이는 뇌 질환의 새로운 치료 타깃이 될 가능성에서 학계의 주목을 받고 있습니다.

• 이번 연구는 신경세포 간 흥분성 정보 전달 과정에서 시냅스 강도를 조절하는 단백질을 발굴하고, 그 기능을 세포 수준에서 정밀하게 분석한 결과입니다.
• 해당 단백질은 특정 리간드(신호분자)와 결합해 흥분성 시냅스의 신호 전달을 강화하거나 억제하는 역할을 합니다.
• 특히 이 단백질은 **글루탐산 수용체(Glutamate Receptor)**와 밀접한 상호작용을 하며, **시냅스 후막(post-synaptic membrane)**에서 작용하는 것으로 밝혀졌습니다.
• 이번 연구는 세포 생리학, 분자생물학, 유전체 분석 기술이 융합된 다학제 연구 성과입니다.
• 해당 발견은 자폐증, 조현병, 뇌전증 등 시냅스 기반 질환의 새로운 치료제 개발로 이어질 가능성이 큽니다.

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시냅스란 무엇이며, 흥분성 시냅스가 중요한 이유는?

**시냅스(Synapse)**는 뇌에서 신경세포가 신호를 주고받는 연결 지점입니다. 그 중에서도 ‘흥분성 시냅스’는 신경 신호를 전달하고 증폭시키는 역할을 하며, 학습·기억·의사결정 등 고차원 뇌 기능에 핵심적입니다.

• 흥분성 시냅스는 주로 글루탐산이라는 신경전달물질을 매개로 작동합니다.
• 이곳에서는 신경세포의 전기적 신호가 화학적 신호로 바뀌고, 다시 전기 신호로 전달됩니다.
• 시냅스 후 수용체의 민감도, 밀도, 반응 속도 등에 따라 신경 회로의 전체 활성 정도가 달라집니다.
• 이 과정이 비정상적일 경우, 정신분열, 주의력결핍장애, 발달장애, 불안장애 등이 발생할 수 있습니다.
• DGIST 연구진은 이러한 시냅스 반응의 정밀한 조절자 역할을 하는 단백질 수용체의 존재와 작용 기전을 세계 최초로 밝혀낸 것입니다.

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규명된 단백질의 역할과 기능적 메커니즘은?

이번에 규명된 단백질은 흥분성 시냅스에서 정보 흐름의 ‘강약’을 조절하는 분자 스위치와 같은 기능을 합니다. 연구팀은 이 단백질이 어떤 경로로 작용하는지를 다각적으로 분석했습니다.

• 해당 단백질은 시냅스 후막의 수용체 복합체와 직접 결합해, 신호전달 효율을 조절합니다.
• 단백질의 활성화는 세포 내 칼슘 유입, 신경세포 전압 변화 등 일련의 생화학적 반응을 유도합니다.
• 유전자 편집을 통해 이 단백질을 억제한 경우, 시냅스 전기 신호의 세기가 현저히 낮아졌습니다.
• 반대로 과발현 시에는 신경 회로 간 연결이 과도하게 흥분되어 뇌 전반에 혼란을 유발했습니다.
• 이 결과는 해당 단백질이 신경과민, 인지장애, 발작 등과 직결되는 생리적 경로에 관여함을 시사합니다.

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어떤 질환 치료에 응용될 수 있을까?

이번 연구는 다양한 신경정신질환 및 신경발달장애의 병리 기전 이해와 치료 전략 수립에 새로운 전환점을 제시합니다. 특히 시냅스 기능 이상과 관련된 질환에 직접적으로 적용 가능성이 있습니다.

• 자폐 스펙트럼 장애(ASD): 시냅스 과흥분 또는 저흥분 상태가 핵심 병인으로 알려져 있으며, 해당 단백질 조절을 통해 균형 회복이 가능할 수 있음.
• 조현병: 시냅스 기능 부조화로 인한 감각 과부하, 사고 장애가 특징인데, 신호 전달 단백질 조절로 증상 완화 가능성.
• 뇌전증(간질): 흥분성 시냅스의 과활성화가 원인인 만큼, 이를 억제하는 조절 단백질은 강력한 치료 타깃.
• 우울증·불안장애: 감정 회로의 시냅스 반응 조절로 인해 정서적 안정 유도 메커니즘으로 활용 가능.
• 알츠하이머병: 시냅스 손실과 신경 전도 이상이 병의 시작점으로, 조기 대응 수단이 될 수 있음.

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향후 연구 방향과 실용화 전략

DGIST 연구진은 이번 연구 결과를 바탕으로, 해당 단백질을 이용한 신경정신질환 맞춤형 치료제 개발과 정밀 진단 바이오마커 탐색에 본격 착수할 예정입니다.

• 후속 연구로 동물 모델 실험을 통해 행동 변화, 인지 기능, 기억력 등을 평가할 예정입니다.
• 뇌영상기술(MRI·fMRI 등)과 병행해, 시냅스 반응의 실시간 시각화 연구도 추진됩니다.
• 단백질 조절 약물의 후보군을 확보하여, 전임상 시험 및 독성 평가로 이어지는 신약 개발 절차에 돌입합니다.
• 유전적 시냅스 질환 환자군을 중심으로 개인화 약물 반응 분석도 병행될 예정입니다.
• 장기적으로는 정신과, 신경과, 재활의학과 분야의 융합 연구를 통해 임상 적용 범위를 넓힐 계획입니다.

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해당 단백질의 구조와 분자적 특성은?

DGIST 연구팀이 규명한 단백질은 단순한 수용체가 아닌, 다중 도메인(multidomain) 구조를 가진 고기능성 조절자 단백질입니다. 그 작용 특성은 다양한 생물학적 타깃을 동시에 통합 제어하는 **‘시냅스 마스터 키’**와 같은 기능을 가집니다.

• 단백질은 **세포막 관통 구조(transmembrane domain)**를 갖고 있어, 세포 외부 자극을 내부로 전달합니다.
• **신경세포 수용체 복합체(NMDA·AMPA 등)**와 선택적으로 결합해, 신호 증폭 혹은 억제 작용을 수행합니다.
• 세포 내에서는 신호전달 인산화 효소(kinase)나 칼슘 채널 조절 단백질과 상호작용해 신경세포의 반응성을 조절합니다.
• 도메인 간 구조 유연성이 높아, 신호 자극의 세기와 지속 시간에 따라 기능이 달라지는 다이내믹한 성격을 띕니다.
• 이러한 구조적 특징 덕분에, 다양한 신경 질환 상황에서 유연하게 대응할 수 있는 치료 타깃으로서의 가치를 가집니다.

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CRISPR 등 유전자 편집 기술과의 접목 가능성

해당 단백질은 특정 유전자에 의해 발현되므로, 정밀 유전자 편집을 통한 뇌질환 조절 전략에도 응용이 가능합니다. 특히 CRISPR-Cas9 기술과의 연계는 미래 치료법 개발에 매우 유망합니다.

• 병리적 과발현 혹은 결함이 있는 유전자를 정교하게 제거·수정할 수 있습니다.
• 뇌세포에 국한된 전달이 가능한 **바이러스 기반 전달 시스템(AAV 등)**을 활용하여, 지역 특이적 조절도 가능합니다.
• 특정 질환(예: 유전성 간질, 유전성 자폐증)의 경우, 환자 맞춤형 유전자 치료법으로 연결될 수 있습니다.
• 줄기세포 기반 뇌 조직 배양 모델에서 유전자 조작 후 반응 실험을 통해, 병리 기전을 더욱 정밀히 규명할 수 있습니다.
• 궁극적으로는 질병 유전자 지도와 해당 단백질의 상관관계를 AI 분석으로 연동해, 새로운 타깃 치료제 후보 도출이 가능해집니다.

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기초 뇌과학 연구에 던지는 새로운 질문

이번 연구는 흥분성 시냅스 기능 조절이라는 고전적인 신경생물학 주제를 다시 한번 되짚으며, 기초 뇌과학 전반에 새로운 관점을 제시합니다.

• 시냅스의 기능적 다양성이 수용체 조합뿐 아니라, 보조 단백질의 정밀 조율에 의해 결정된다는 사실을 강조합니다.
• 특정 단백질이 시간-공간적으로 언제, 어디서 작용하는지를 규명함으로써 뇌 회로의 정밀 지도를 그릴 수 있습니다.
• 기존에 알려지지 않았던 ‘시냅스 메타조절 메커니즘’ 개념이 새롭게 제시되었습니다.
• 뇌 영역별로 이 단백질의 발현 밀도와 형태가 다르다는 점은 뇌의 기능 분화에 대한 이해를 넓혀줍니다.
• 이러한 기초적 발견은 향후 인지 기능의 신경 생리학적 해석, 기억 회로의 구조적 모델링에 큰 영향을 미칩니다.

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다른 신경세포 유형과의 연계성

해당 단백질은 주로 흥분성 시냅스에 관여하지만, 억제성 신경세포(GABA 뉴런), 교세포(astrocyte, oligodendrocyte) 등 다른 신경세포와의 상호작용 가능성도 제기되고 있습니다.

• 억제성 뉴런에서 상호 피드백 조절 회로가 작동할 수 있으며, 이는 뇌 전체의 흥분-억제 균형에 중대한 역할을 합니다.
• 별아교세포(astrocyte)와의 상호작용을 통해 글루탐산 대사와 재흡수 과정을 조절할 수 있습니다.
• 미세아교세포(microglia)에서의 면역 반응 조절 기능이 암시되고 있으며, 염증성 뇌질환 모델 연구로 이어질 수 있습니다.
• 수초 형성 세포인 희소돌기아교세포(oligodendrocyte)의 미엘린화 반응과 시냅스 안정성 유지에도 관여할 가능성이 있습니다.
• 결국 뇌세포 전체가 단백질 네트워크 기반으로 상호 연결된 다층 구조임을 보여주는 단서가 됩니다.

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산업적 활용 가치와 기술이전 가능성

이 단백질 조절 기전은 바이오·제약 산업계에서 매우 높은 관심을 받을 수 있는 기술로, 실제 신약 개발 플랫폼 또는 바이오마커 진단 키트로 활용 가능성이 큽니다.

• 단백질 작용을 조절하는 펩타이드, 저분자 화합물, 항체 기반 신약 후보 물질 개발이 가능합니다.
• 환자의 뇌척수액(CSF) 혹은 혈액에서 해당 단백질의 농도 측정 키트 개발로 조기 진단 가능성이 열립니다.
• 제약사와 공동으로 동물 실험-전임상-임상 단계로 이어지는 파이프라인 설계가 가능합니다.
• AI 기반의 **신약 후보 발굴 시스템(Deep Screening)**에서 핵심 표적 단백질로 설정할 수 있습니다.
• 해외 특허 출원과 기술이전 계약을 통해 글로벌 뇌신약 시장 진출의 교두보가 될 수 있습니다.

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국제 공동 연구와 글로벌 협력의 가능성

DGIST의 이번 성과는 단순 국내 성과에 그치지 않고, 글로벌 신경과학 커뮤니티와의 협력 확대로 이어질 수 있는 잠재력을 가집니다.

• 미국 MIT, 스탠퍼드, 독일 막스플랑크연구소 등 신경회로 연구 특화 기관과의 공동 연구 플랫폼 구축이 가능합니다.
• 국제 뇌지도 프로젝트(IBRO, HBP 등)에 참여하여 기초 뇌 데이터의 국제 표준화에 기여할 수 있습니다.
• 아시아-유럽-미국 간 시냅스 단백질 기능 비교 프로젝트를 통해 진화적 관점에서 기능 차이도 탐색할 수 있습니다.
• 뇌질환 빅데이터 공유 플랫폼에 연구 결과를 반영하여, AI 기반 글로벌 신약 플랫폼과 연결될 수 있습니다.
• 나아가 WHO, UN 등 국제 보건기구와의 협력으로 정신질환 대응 글로벌 정책 수립에 자문 역할도 가능해집니다.

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뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술과의 미래적 연계

해당 단백질의 신호 조절 기능은 궁극적으로 신경 신호의 정밀 제어를 가능하게 하여, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 발전에도 연결될 수 있는 초석이 됩니다.

• BCI 기술은 뇌의 전기 신호를 해석하거나 외부 장치에 전달하는 시스템으로, 신호의 정밀성 확보가 핵심입니다.
• 해당 단백질의 조절을 통해 시냅스에서의 신호 발생 시점, 세기, 패턴을 인위적으로 제어할 수 있습니다.
• BCI 인터페이스 개발 시 신경망 안정화, 오작동 방지, 반응 속도 향상 등 정밀 제어 기술에 응용 가능합니다.
• 향후 로봇 제어, 인공 사지, 인지 강화 시스템에 필요한 생체 신호 조정 기술로 확장될 수 있습니다.
• 궁극적으로는 신경망 기반의 인간-기계 통합 시스템 구현이라는 뇌공학적 비전으로 이어질 수 있습니다.

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