skkwon@kist.re.kr
KIST 분자세포 신경생물학 실험실은 2018년 3월에 시작한 신생 실험실로 서울 KIST 뇌과학연구소에 속해 있습니다. KIST는 1966년에 세워진 대한민국 최초의 정부출연연구소로서 반도체, 로봇, 의공학, 뇌과학, 에너지 등 다양한 분야의 종합 연구를 수행하고 있습니다. 저희 KIST 뇌과학연구소에는 신경회로, 인지 및 운동기능, 퇴행성 신경질환, 약물 개발, 마이크로 엔지니어링 등 다양한 배경을 가진 연구자분들이 모여 세계적으로 경쟁력있는 연구들을 진행하고 있습니다. 특히 제가 속한 기능커넥토믹스연구단의 경우, 미국, 일본, 중국, 캐나다 등 다양한 국적을 가진 Principal Investigator (PI)분들이 계셔서 자유로운 분위기의 연구환경을 가지고 있습니다.
저희 실험실(https://kwonlab.wixsite.com/mysite/)에서는 신경세포에서의 세포내 소기관이 칼슘 조절을 통해 시냅스에 어떠한 영향을 주는지를 다양한 실험 방법을 통해 규명하고자 하고 있으며, 현재 박사 후 연구원 1명, 석사과정 학생 1명, 인턴연구원 1명과 함께 연구를 진행 중입니다. 재밌는 주제에 대한 탐구를 더 많은 분들과 함께하기 위해 석사 및 박사과정 학생, 포스닥분들을 찾고 있으니 관심있으신 분들은 언제든 연락주세요.
아래에 저희의 연구 배경 및 주제를 설명 드리겠습니다.
우리 몸의 기능이 심장, 간, 뇌와 같은 다양한 기관(organ)들에 의해 조절이 되듯이 각각의 세포들도 여러가지 세포내 소기관(intracellular organelle)들에 의해 기능이 조율됩니다. 신경세포에도 이러한 세포내 소기관들이 존재하고 있으며, 특히 이들 중 에너지 생산, 즉 ATP 생산에 관여한다 알려진 mitochondria (마이토콘드리아)와 단백질 합성 등에 관여하는 endoplasmic reticulum (ER, 소포체)이 큰 볼륨을 차지하고 있습니다. 이들 소기관은 세포내 칼슘을 흡수하거나 내보냄으로써 농도를 조절할 수 있는데 이러한 칼슘 농도는 신경세포 기능에 굉장히 중요한 기능을 하고 있습니다. 이에 더해 ER과 mitochondria는 서로 구조적으로 연결되어 mitochondria-ER contacts (MERCs) 혹은 mitochondria-associated ER membrane (MAM)이라 불리우는 구조를 형성하는데 이는 지질(lipid) 합성, mitochondria 모양 조절 및 칼슘 이동 등에 관여한다고 알려져 있습니다[1-3]. 이러한 연결은 여러 신경퇴행성 질환에도 연관되어 있음이 지속적으로 보고 되고 있지만 아직 신경세포에서 이들 소기관의 칼슘 조절이 시냅스 기능에 미치는 영향에 대한 연구는 기술적인 한계로 많이 진행되지 않아 저희 연구실에서는 이러한 소기관들의 시냅스에서의 역할을 활발히 연구하고 있습니다.
신경세포는 신호를 주는 axon (축삭돌기)와 신호를 받는 dendrite (수상돌기)가 cell body (세포체)로부터 가지 모양으로 뻗어나온 독특한 polarized structure를 가지고 있습니다. 이에 더해 세포내 소기관 또한 axon과 dendrite에서 완전히 다른 모양을 보여줍니다 (그림 1). Axon에서의 mitochondria는 작고 둥근 모양을 하고 있으며, dendrite에서는 긴 튜브모양을 하고 있습니다. 이러한 mitochondria의 모양은 fusion과 fission에 의해서 조절될 수 있는데요, 알츠하이머나 파킨슨 등 퇴행성 신경질환에서 mitochondria가 작게 쪼개진 모양들로 존재하는 것이 관찰되어 왔습니다[4-6]. 하지만 이들 모양이 정상적인 조건에서 어떻게 유지되는지에 대한 연구는 부족했었습니다.
저희 실험실에서는 dendrite에서 길고 axon에선 작은 mitochondria 모양에 근거하여 dendrite에서는 mitochondrial fusion이 axon에서는 mitochondrial fission이 dominant하다는 가설을 세우고 연구를 진행했습니다. 이를 위해 mitochondrial fission과 관련한 단백질 중 신경세포에 많은 MFF를 타겟으로 삼아 먼저 knockdown을 진행해 보았습니다. 놀랍게도 dendrite의 mitochondria 모양은 변화가 없었지만 axonal mitochondria가 길어진 것을 관찰하였습니다그림 2A-B)[7]. 이러한 모양 변화가 어떠한 결과를 가져오는지를 이해하면 왜 mitochondria가 axon 특히 presynapse (전시냅스)에서 작게 유지가 되어야하는지를 이해할 수 있을 것이라 생각해 다음 연구를 진행하였습니다.
기존 연구들에서 뇌에 존재하는 많은 신경세포들이 하나의 axon에 여러 개의 presynaptic release site를 갖고 있는 것이 알려졌으며, 흥미롭게도 50% 이하의 presynaptic site만 mitochondria와 겹쳐있는 것이 관찰됐습니다. Presynapse에서 action potential에 따른 Ca2+ influx가 presynaptic vesicle exocytosis를 유도하게 되는데 위와 같은 mitochondria의 존재 유무가 Ca2+ uptake를 통해 release 차이를 줄 수 있는지는 의문이었습니다. 각 presynapse의 release를 이미징 기술을 통해 살펴보았을 때, 놀랍게도 mitochondria가 없는 곳에서 presynaptic Ca2+과 release가 더 올라가 있음이 보여졌습니다[8].
Mff knockdown neuron에서는 길어진 presynaptic mitochondria가 Ca2+의 over-uptake를 유도하고 이로 인해 presynaptic release가 줄어드는 것이 관찰되었습니다(그림 2C). 또한 synaptic activity에 큰 영향을 받는 axon branching이 현저히 줄어들게 하는 결과를 가져왔습니다. 따라서 presynaptic mitochondria에 의한 Ca2+ 조절이 synaptic release property 및 axon branching development에 굉장히 중요하며, presynapse의 mitochondrial size를 작게 유지하는 것이 정상적인 presynaptic function에 필수적임을 알 수 있었습니다(그림 2D)[7].
앞서 언급한 바와 같이 비신경세포에서 mitochondria-ER contact의 다양한 기능들이 보고 되어왔습니다. Mitochondria와 ER은 모두 Ca2+을 흡수하고 방출하는 기능을 하는데 mitochondrial calcium uniporter (MCU)의 경우 Ca2+ affinity가 낮아 ER에서 방출된 Ca2+이 ER-mitochondria 연결을 통해 전달이 될 때 채널이 열리면서 mitochondria로의 흡수가 이루어질 수 있다는 보고들이 있었습니다[9, 10]. 하지만 이것의 직접적인 관찰은 최근에 들어서야 새로운 sensor 개발로 가능하게 되었습니다. 살아있는 세포내의 Ca2+ dynamics를 보기 위해 다양한 chemical 혹은 genetic Ca2+ sensor들이 개발되었고, 특히 적은 양의 Ca2+에 대한 민감도(sensitivity)를 올리기 위해 이들의 Ca2+ affinity는 높아지는 방향으로 진행되었지만 ER의 resting Ca2+ 농도의 경우 1mM에 이를 정도로 높아 기존의 Ca2+ sensor로 측정하기에는 saturation으로 인한 한계가 있었습니다. 따라서 최근 ER의 Ca2+ dynamics를 측정하기 위해 affinity가 낮은 ER-targeted genetically-encoded Ca2+ sensor들이 개발되었습니다[11, 12].
신경세포에서 Ca2+은 시냅스의 기능 조절, 전사 조절 등 다양한 역할을 하고 있으며, ER에서의 Ca2+ 방출이 시냅스 자극시에 일어난다는 보고가 있었으나 mitochondria와의 상호작용에 대해서는 알려져 있지 않았습니다[13-17]. 저희는 최근 연구에서 처음으로 신경세포에서 ER과 mitochondria의 Ca2+ dynamics를 새로이 개발된 다른 파장의 형광을 내는 genetically-encoded Ca2+ sensor (G-CEPIA1er for green, mito-RCaMP1h for red)를 통해 동시에 측정하였습니다. 흥미롭게도 다른 세포와 같이 신경세포의 dendrite (수상돌기)에서 mitochondria의 Ca2+ 흡수가 ER에서의 Ca2+ 방출에 의존한다는 것을 발견하였고, ER-mitochondria contact에 관여하는 PDZD8이라는 단백질도 새로 찾아, PDZD8 knockdown 조건에서는 이러한 Ca2+ 이동이 저해되어 있음을 관찰하였습니다(그림 3). 이는 신경세포의 ER에서 mitochondria로의 Ca2+이동 및 관련 단백질을 처음으로 보여준 연구라 할 수 있겠습니다. 이에더해 cytosolic Ca2+ 증가가 보여져 ER에서 방출된 Ca2+이 mitochondria로 가지 못할 경우 cytosol로 새어나감을 알 수 있었습니다그림 3)[18]. 이 연구는 향후 dendrite에서 Ca2+ 조절 메커니즘을 이해하는데 ER-mitochondria contact이 반드시 고려되어야 함을 제시해 주고 있습니다.
이러한 연구들을 바탕으로 저희 실험실에서는 axon과 dendrite에서 ER과 mitochondria의 상호작용에 의한 시냅스 가소성 영향 및 신경회로에 따른 소기관의 영향에 대해서 다양한 분자/세포 생물학적인 기술을 통해 in vitro와 in vivo에서 연구를 진행하고 있습니다. 이러한 연구들은 교과서에 새로운 내용을 더해줄 것이라 생각하며, 향후 퇴행성 신경질환의 병리적 특성을 밝히는데 핵심 요소로 적용될 것입니다.
Kornmann, B. and P. Walter, ERMES-mediated ER-mitochondria contacts: molecular hubs for the regulation of mitochondrial biology. J Cell Sci, 2010. 123(Pt 9): p. 1389-93.
Rowland, A.A. and G.K. Voeltz, Endoplasmic reticulum-mitochondria contacts: function of the junction. Nat Rev Mol Cell Biol, 2012. 13(10): p. 607-25.
Kornmann, B., The molecular hug between the ER and the mitochondria. Curr Opin Cell Biol, 2013. 25(4): p. 443-8.
Zhang, L., et al., Altered brain energetics induces mitochondrial fission arrest in Alzheimer's Disease. Sci Rep, 2016. 6: p. 18725.
Song, W., et al., Mutant huntingtin binds the mitochondrial fission GTPase dynamin-related protein-1 and increases its enzymatic activity. Nat Med, 2011. 17(3): p. 377-82.
Wang, X., et al., LRRK2 regulates mitochondrial dynamics and function through direct interaction with DLP1. Hum Mol Genet, 2012. 21(9): p. 1931-44.
Lewis, T.L., Jr., et al., MFF-dependent mitochondrial fission regulates presynaptic release and axon branching by limiting axonal mitochondria size. Nat Commun, 2018. 9(1): p. 5008.
Kwon, S.K., et al., LKB1 Regulates Mitochondria-Dependent Presynaptic Calcium Clearance and Neurotransmitter Release Properties at Excitatory Synapses along Cortical Axons. PLoS Biol, 2016. 14(7): p. e1002516.
Rizzuto, R., et al., Close contacts with the endoplasmic reticulum as determinants of mitochondrial Ca2+ responses. Science, 1998. 280(5370): p. 1763-6.
Csordas, G., A.P. Thomas, and G. Hajnoczky, Quasi-synaptic calcium signal transmission between endoplasmic reticulum and mitochondria. iBO J, 1999. 18(1): p. 96-108.
Suzuki, J., et al., Imaging intraorganellar Ca2+ at subcellular resolution using CEPIA. Nat Commun, 2014. 5: p. 4153.
de Juan-Sanz, J., et al., Axonal Endoplasmic Reticulum Ca2+ Content Controls Release Probability in CNS Nerve Terminals. Neuron, 2017. 93(4): p. 867-881 e6.
Yeckel, M.F., A. Kapur, and D. Johnston, Multiple forms of LTP in hippocampal CA3 neurons use a common postsynaptic mechanism. Nat Neurosci, 1999. 2(7): p. 625-33.
iptage, N., T.V. Bliss, and A. Fine, Single synaptic events evoke NMDA receptor-mediated release of calcium from internal stores in hippocampal dendritic spines. Neuron, 1999. 22(1): p. 115-24.
Nishiyama, M., et al., Calcium stores regulate the polarity and input specificity of synaptic modification. Nature, 2000. 408(6812): p. 584-8.
Finch, E.A. and G.J. Augustine, Local calcium signalling by inositol-1,4,5-trisphosphate in Purkinje cell dendrites. Nature, 1998. 396(6713): p. 753-6.
Lee, K.F., et al., Correlated Synaptic Inputs Drive Dendritic Calcium Amplification and Cooperative Plasticity during Clustered Synapse Development. Neuron, 2016. 89(4): p. 784-99.
Hirabayashi, Y., et al., ER-mitochondria tethering by PDZD8 regulates Ca(2+) dynamics in mammalian neurons. Science, 2017. 358(6363): p. 623-630.
KAIST, 학사
KAIST, 박사
The Scripps Research Institute, La Jolla, postdoc
Columbia University, postdoc
KIST 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단, 선임연구원
