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- 시냅스, 긴 연장선인 축색 돌기에 위치, 신경화학적 신호를 이웃 세포의 수상돌기로 전달
- 전달 물질 접촉 부위의 약 36%에서 세로토닌이 축삭에서 섬모로 전달되는 것으로 나타나
- 그들의 발견; 신경 세포가 환경과 자극에 반응할 수 있는 완전히 새로운 방식 보여줘.
- 섬모 시냅스는 자극이 세포의 유전자 활성에 직접 작용하는 일종의 "세포핵의 안테나" 역할

새로운 유형의 시냅스 발견
우리 뇌 세포의 섬모 접촉점은 충동을 세포핵으로 직접 전달한다.

놀라운 발견:
연구원들이 우리의 신경 세포에서 이전에 알려지지 않은 유형의 시냅스를 발견했다. 이러한 신경 전환점은 잘 알려진 신경 과정이 아니라 세포 표면의 작은 털 모양의 섬모에 있다. 이 시냅스가 세로토닌과 같은 신경 전달 물질에 의해 활성화되면 이는 세포핵에서 직접 변화를 촉발하고 DNA 판독에 영향을 미칠 수 있다. 

▲ 뉴런 표면의 섬모(노란색)와 이웃 세포의 축삭(파란색) 사이에 새로 발견된 접점 모델. © HHMI, Sheu et al./Cell

일반적인 통념에 따르면 신경 세포의 시냅스는 긴 연장선인 축색 돌기에 위치한다. 이들은 신경화학적 신호를 이웃 세포의 수상돌기로 전달한다. 즉, 약간 더 짧고 뿌리 모양의 분지된 세포 확장이다. 이 축삭-수지상 전환 지점에서 뉴런의 전기 신호는 그곳에 저장된 소포에서 메신저 물질의 방출을 촉발한다. 이 신경 전달 물질은 시냅스의 수상 돌기 쪽 수용체에 도킹한 다음 수용 세포에서 전기 신호를 다시 촉발한다.

섬모의 수수께끼

그러나 지금까지 보인 바와 같이 이 일반적인 그림은 불완전하다. 보스턴에 있는 Howard Hughes Medical Institute의 Shu-Hsien Sheu가 이끄는 연구원들이 발견한 것처럼 우리의 신경 세포에는 다른 유형의 시냅스가 있다. 그들의 연구 목적은 실제로 일부 세포에서 소위 일차 섬모의 구조와 기능을 밝히는 것이었다. 이 작고 머리카락 같은 관은 세포에서 불과 몇 마이크로미터 돌출되어 있으며 우리의 단세포 조상의 편모에 해당한다.

일부 세포, 예를 들어 호흡기나 정자에서 섬모는 운동과 수송에 중요한 기능을 한다. 그들은 또한 세포 분열에서 중요한 역할을 하지만 대부분의 세포에서 다시 분해된다. "따라서 대부분의 뉴런이 더 이상 분열하거나 분화하지 않는 성숙한 뇌에서 일차 섬모가 어떤 기능을 하는지는 명확하지 않다"고 Sheu와 그의 동료들이 설명했다. 그럼에도 불구하고, 그것들은 여전히 ​​대부분의 뉴런과 뇌의 신경교세포에 존재한다.“

섬모와 축삭의 접촉

이를 명확히 알기 위해 연구팀은 특수한 형태의 전자현미경인 미세이온빔 주사전자현미경(FIB-SEM)을 사용했다. 이 경우 샘플은 전자 대신 이온으로 스캔된다. Sheu와 그의 팀은 섬모에 특이적으로 도킹하는 항체와 결합해 인간과 쥐의 해마에서 얻은 신경 세포 배양물에서 이러한 세포 확장과 이들의 접촉점을 분석할 수 있었다.

놀라운 것은 뇌 세포의 섬모 중 약 80%가 자유 세포외 공간으로 돌출되었을 뿐만 아니라 이웃 세포의 축삭에도 닿았다는 것이다. "이것은 이 신경 섬모가 축삭과 특수화된 접촉을 형성할 수 있는지 여부와 이것이 신경 정보 전달 부위인지 여부에 대한 질문을 제기했다"고 과학자들은 보고했다. 이를 알아내기 위해 그들은 특별한 바이오마커를 사용하여 이 접점에 시냅스의 전형적인 소포 및 기타 구조가 있는지 조사했다.

▲ 신경 전달 물질 세로토닌 및 기타 구조로 채워진 소포는 생화학적 정보가 섬모와 축색 돌기의 접점에서 전달된다는 것을 증명한다. © HHMI, Sheu et al./Cell

새로운 유형의 시냅스

사실, 분석 결과 섬모와 축색 돌기 사이의 접촉점이 시냅스의 모든 특성을 보여주었다는 것이 밝혀졌다. "축색 돌기에서 소포는 원형질막에서 볼 수 있으며 그 중 일부는 막과 결합하거나 병합되며 이는 물질의 방출을 나타낸다"고 연구자들은 설명했다. 형광 수명 현미경(FLIM)은 관찰된 신경 전달 물질의 접촉 부위의 약 36%에서 세로토닌이 축삭에서 섬모로 전달되는 것으로 나타났다.

"정말 게임 체인저였다"고 Sheu는 말했다. 이는 연구팀이 신경 세포 사이의 완전히 새로운 유형의 전환점인 액와섬 시냅스를 발견했기 때문이다. 이전에 생각했던 것과는 달리, 우리의 뉴런은 수상돌기와 축삭 사이의 전환점을 통해 통신할 뿐만 아니라 축삭에서 섬모를 통해 직접 신경 세포 내부로 연결되는 연결을 통해 통신한다.

신경세포의 유전자 활성에 직접적인 영향

새로 발견된 시냅스에는 기능적 특징도 있다. 자세히 분석하면 이러한 접점이 정상적인 시냅스와 같이 수용 세포에서 전기 신호를 유발하지 않는다는 것이 밝혀졌다. 대신, 그들은 세포 핵에 도달하는 생화학적 캐스케이드를 촉발해 히스톤과 염색질에 변화를 일으키며, 유전 물질의 "패키징"은 DNA 판독 방식에 결정적인 영향을 미친다.

"염색질이 세포의 많은 다양성을 형성하기 때문에 이것은 중요하다"며 "이 특별한 시냅스는 세포핵에서 전사되는 것에 영향을 줄 수 있는 신호 경로를 나타내며 이는 전체 유전자 프로그램을 변경할 수 있다"고 Sheu의 동료 David Clapham은 설명했다. 정상 시냅스의 단기 자극과 달리 새로 발견된 액와 시냅스는 유전자에 몇 시간 혹은 몇 년 동안도 지속 될 수 있는 유전자와 세포 활동의 장기적으로 변화에 원인이 된다.

"세포핵의 안테나“

연구팀에 따르면, 그들의 발견은 신경 세포가 환경과 자극에 반응할 수 있는 완전히 새로운 방식을 보여준다. 섬모 시냅스는 자극이 세포의 유전자 활성에 직접 작용하는 일종의 "세포 핵의 안테나" 역할을 한다. Sheu와 그의 동료들은 "이것은 일차 섬모가 전사 프로그램을 환경 자극에 적응시키는 후성적 조절자로서 작용할 가능성을 높인다"고 설명했다.

다음으로 연구팀은 새롭게 발견된 겨드랑이 시냅스가 세로토닌 이외의 다른 신경전달물질에도 반응하는지 여부를 조사하려고 한다. 그들의 분석이 이미 보여주듯이 뇌 세포의 섬모에는 다른 메신저 물질에 대한 수용체가 적어도 7~10개 있기 때문이다. 또한 뇌 이외의 장기에 있는 세포의 섬모에도 신호 전달 기능이 있는지 여부는 아직 불분명하다.
"우리의 발견은 우리가 전에는 생각하지 못했던 많은 가능성을 열어준다"고 Clapham은 말했다.
(Cell, 2022; doi: 10.1016/j.cell.2022.07.026)

[더사이언스플러스=문광주 기자] "Green Soul, Beautiful Science"

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