시간이 멈춘 뇌 채널, 학습과 사고를 가능하게 하는 화학 물질 흐름 밝혀

과학자들은 뇌 세포가 화학적 메시지를 교환하는 방식을 이해하기 위해 고도로 특수화된 현미경을 사용하여 가장 흔한 신호 분자 중 하나인 글루타메이트가 채널을 열고 하전된 입자의 홍수가 유입되는 방식에 대한 보다 정확한 세부 정보를 포착하는 데 성공했다고 말했습니다.

존스홉킨스 의대 연구자들이 주도한 연구에서 나온 이 발견은 간질과 일부 지적 장애와 같이 다양한 상태를 치료하기 위해 이러한 신호 채널을 차단하거나 여는 새로운 약물의 개발을 앞당길 수 있습니다.

국립보건원의 자금 지원을 받고 UTHealth Houston의 과학자들과 협력한 실험에 대한 보고서는 3월 26일 Nature 저널에 게재되었습니다.

존스홉킨스 대학교 의과대학의 생물물리학 및 생물물리화학 조교수인 에드워드 트워미 박사는 "뉴런은 뇌의 세포 기반이며, 환경을 경험하고 학습하는 능력은 뉴런 간의 [화학적] 의사소통에 달려 있습니다."라고 말합니다.

과학자들은 뉴런 간 통신을 담당하는 주요 분자가 뉴런 사이의 공간에 풍부한 분자인 신경전달물질 글루타메이트라는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다. 뉴런에 글루타메이트가 닿는 곳은 AMPA 수용체라는 통로로, 글루타메이트와 상호 작용한 다음 하전된 입자를 받아들이는 구멍처럼 작용합니다. 하전된 입자의 밀물과 썰물은 뉴런 간의 통신을 형성하는 전기 신호를 생성합니다.

AMPA 수용체의 미세한 움직임(단일 원자 수준)에 대한 세부 사항을 파악하기 위해 연구자들은 통신 과정의 특정 단계에서 이러한 채널을 이미지화하기 위해 매우 강력한 현미경을 사용했습니다. 이 연구를 위해 과학자들은 존스홉킨스 대학교 의대의 시설에서 크라이오 전자 현미경(cryo-EM)을 사용했습니다.

일반적으로 과학자들은 냉각된 세포 샘플을 연구하는 것이 더 쉽다고 생각합니다. 냉각된 세포 샘플은 안정적인 환경을 제공합니다. 하지만 Twomey의 팀은 정상 체온에서 AMPA 수용체와 글루타메이트 활동이 증가하여 cryoEM 이미지에서 이 과정을 포착할 수 있는 기회가 더 많다는 것을 발견했습니다.

이를 위해 과학자들은 신경과학 연구에서 이러한 단백질을 생산하는 데 널리 사용되는 실험실에서 배양한 인간 배아 세포에서 채취한 AMPA 수용체를 정제했습니다. 그런 다음 수용체를 체온(섭씨 37도 또는 화씨 98.6도)으로 가열한 다음 글루타메이트에 노출시켰습니다. 그 직후 수용체를 급속 동결하고 cryoEM으로 분석하여 주요 신호 분자인 글루타메이트에 결합된 AMPA 수용체의 스냅샷을 얻었습니다.

연구팀은 크라이오EM으로 촬영한 백만 개 이상의 이미지를 조립한 후, 글루타메이트 분자가 채널로 가는 문을 여는 열쇠처럼 작용하여 더 넓게 열 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 AMPA 수용체의 조개 껍질 같은 구조가 글루타메이트 주위를 닫아서 아래의 채널을 여는 작용을 통해 발생합니다.

트워미의 이전 연구에 따르면, 간질 치료에 사용되는 페람파넬과 같은 약물은 AMPA 수용체 주위에 문막이 역할을 하여 채널이 열리는 것을 제한하고 간질 환자의 뇌 세포에서 일어나는 것으로 알려진 과도한 활동을 감소시킨다는 사실이 밝혀졌습니다.

트워미는 이번 연구 결과가 AMPA 수용체에 다양한 방식으로 결합해 뇌 세포의 신호 전달 채널을 열거나 닫는 새로운 약물을 개발하는 데 사용될 수 있다고 말했습니다.

"우리는 새로운 발견을 할 때마다 뇌가 기능할 수 있도록 하는 각각의 구성 요소를 알아내고 있습니다."라고 트워미는 말합니다.

이 작업에 기여한 추가 과학자로는 존스홉킨스의 아니시 쿠마르 몬달, UTHealth 휴스턴의 엘리사 카리요와 바산티 자야라만이 있습니다.

이 연구 자금은 미국 국립보건원(R35GM154904, R35GM122528), Searle Scholars Program, Diana Helis Henry Medical Research Foundation에서 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250328134900.htm