(Sea slugs are used in neuroscience research because of their relatively large neurons and simple nervous systems. Credit: Scott Wiseman for Scripps Research)
미토콘드리아는 산소를 이용해서 진핵 생물이 필요한 에너지를 공급하는 세포 내 발전소라고 할 수 있습니다. 미토콘드리아와 산소 없이도 에너지 생산은 가능하지만, 무산소 호흡으로 얻어지는 에너지 양은 매우 적습니다. 지금처럼 복잡한 다세포 생물이 가능한 이유는 미토콘드리아와 산소 호흡의 진화 덕분이라고 할 수 있습니다. 그리고 알츠하이머, ALS, 헌팅던 무도병 등 다양한 질환이 미토콘드리아 기능 이상과 관련이 있다고 생각되고 있습니다.
스크립스 연구소 (Scripps Research)의 과학자들은 해양 민달팽이 (Sea slug)의 일종인 Aplysia californica이 뉴런을 이용해서 신경 세포에서 미토콘드리아가 어떻게 생성되고 이동하는지를 연구했습니다. 세포의 일생 동안 미토콘드리아는 고정되어 있는 것이 아니라 새로 생성되거나 이동할 수 있는데, 이는 정상적인 생리 과정 뿐 아니라 병적인 상황에서도 일어날 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 이 과정을 잘 이해할 수 있다면 질병의 원인과 치료법에 대한 정보를 얻을 수 있을 것입니다.
연구팀은 이 민달팽이의 뉴런을 배양해서 두 신경 세포가 정보를 전달하는 시냅스의 형성을 관찰했습니다. 이 민달팽이는 단순한 신경망을 가지고 있을 뿐 아니라 뉴런이 큰 편이어서 관찰이 쉽기 때문입니다. 그 결과 흥미롭게도 두 개의 시냅스 연결 부위가 생긴 후 (pre/post synpatic) 미토콘드리아가 생성되고 이동한다는 사실이 밝혀졌습니다. 그리고 이 과정에서 cAMP 경로가 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다.
사실 두 개의 뉴런이 시냅스를 만드는 과정은 단순히 전선 이나 USB 단자를 연결하는 것이 아니라 상당히 복잡한 과정을 수반하며 상당한 에너지가 필요합니다. 이번 발견에 의하면 일단 시냅스의 연결 부위가 형성된 후 미토콘드리아가 이동을 하는 것으로 보이는데, 둘 다 에너지가 많이 들어가는 과정이므로 한 번에 이뤄지지 않는 것으로 보입니다.
물론 이번 연구를 통해서 알 수 있는 것은 시냅스의 형성에서 미토콘드리아가 어떻게 생성되고 이동하는지이고 이것이 시냅스의 기능이 퇴화하는 여러 질환에 대한 치료법을 제공하지는 않습니다. 하지만 이런 기초적인 연구를 통해 우리는 신경과 뇌의 비밀에 점점 다가설 수 있을 것입니다.
참고
Kerriann K. Badal et al. Synapse Formation Activates a Transcriptional Program for Persistent Enhancement in the Bi-directional Transport of Mitochondria, Cell Reports (2019). DOI: 10.1016/j.celrep.2018.12.073
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