신경세포에서 일어나는 국부적 단백질합성(local protein synthesis)은 활성 의존적인 시냅스 변화와 손상에 의해 유도되는 축삭(axon) 재생 과정에 중요한 역할을 하고 있다(1). 이러한 국부적 단백질합성은 시냅스 활성이나 외부 자극에 의해 mRNA가 특정 구조물에 갇히게 되거나 분해됨으로써 음성적으로 조절될 수 있으며 RNA 과립(granule)의 일종인 processing body(이하 P-body)가 이와 같은 조절기능을 수행할 가능성이 제기되어 왔다(2). P-body란 번역이 억제된 mRNA와 분해(degradation) 및 구획화(compartmentalization)에 특수화된 단백질들의 집합체(aggregation)이다. 지금까지 알려진 P-body의 주요 구성물로는 mRNA의 decapping과 관련된 단백질, 5’-3’ mRNA 분해와 관련된 단백질, nonsense-mediated mRNA decay (NMD), microRNA 또는 siRNA에 의한 mRNA 조절과 번역억제 단백질 등이 보고되었다(3, 4). 최근 연구에서 P-body에서 유출된 mRNA가 번역시스템으로 들어가고 다시 P-body로 삽입될 수 있다는 결과가 보고되었다(5). 포유류 신경세포의 가지돌기와 세포체에서 P-body가 발견되었고, decapping과 관련된 단백질 등 다른 세포에서 발견된 단백질을 일부 포함한다는 결과도 보고되었다(6).

신경세포 내 특정부위로 mRNA 이동은 transport ribonucleoprotein (RNP)라는 RNA 과립을 통해 이뤄지며, 그 이동과 분포는 시냅스의 활성에 의해 조절된다. 그리고 키네신 모터단백질의 일종인 KIF5A가 모터단백질로 분리되었다(1). 이와 유사하게 신경세포의 P-body 또한 신경세포에 대한 다양한 자극에 의해 이동이 조절된다고 보고되었다(7). 그럼에도 불구하고 신경세포에서는 P-body의 이동, 구조와 기능 등 많은 부분이 연구과제로 남겨져 있었다. 이번 연구를 통하여 신경세포에서 P-body의 이동과 관련된 모터단백질을 분리하고 그와 관련된 조절기전과 국부적 단백질합성에서 P-body의 역할에 대해 규명하고자 하였다.

신경세포에서 P-body의 이동과 관련된 단백질을 분리하기 위해 transport RNP의 주요성분인 Staufen1/2를 포함하는 RNP가 Dcp1a-body (P-body, Dcp1a를 P-body의 마커단백질로 사용함)와 일부 함께 존재하고 있음을 확인하고, transport RNP의 모터 단백질인 KIF5A와 Dcp1a와 상호작용을 면역침전법(immunoprecipitation)과 면역형광염색법(immunostaining)을 이용하여 조사하였다. 그 결과 두 단백질간의 상호작용뿐 아니라 KIF5A와 P-body의 신경세포 가지돌기 부위에서 함께 존재하고 있음을 확인하였다(그림 1).

또한 키네신(WT, KIF5A)의 과발현은 P-body의 양을 증가시켰으나 모터 부위가 제거된 돌연변이(ΔMD)의 과발현은 증가시키지 못하였다(그림 2).

배양된 신경세포를 이용하여 P-body의 위치와 시냅스후부위(postsynaptic region)의 마커단백질인 PSD-95와의 위치를 비교함으로써 가지돌기에 존재하는 P-body의 좀 더 세밀한 위치를 확인하였다. 결과 GFP-Dcp1a의 약 42%가 PSD-95와 함께 존재하였고, 약 36%의 endogenous Dcp1a가 PSD-95와 함께 존재하는 것을 확인하였다(결과는 생략). 이러한 결과는 Cougot et al. (7)의 결과와 일치하였다. 그렇다면 이러한 P-body의 시냅스로 이동이 신경세포 활성에 의해서는 어떻게 변화되는지를 확인하고자 하였다. 신경세포에 활성을 유도하기 위해 60 mM의 KCl을 10분간 처리하여 탈분극을 유도한 후 PSD-95와 상대적 위치를 조사하였다. 그 결과 탈분극에 의해 유도되는 신경세포의 활성은 시냅스로의 P-body 이동을 유의하게 증진시켰다(그림 3).

다음으로 P-body의 활성 의존적인 시냅스 이동의 역할을 조사하고자 하였다. P-body는 mRNA가 저장되거나 분해되는 장소이기 때문에, 과도한 P-body의 형성에 의한 효과를 확인하고자 신경세포에서 Dcp1a를 과발현시킨 후 가지돌기 가시(spine)의 구조를 조사하였다. 그 결과 Dcp1a의 과발현은 PSD-95의 양은 변화시키지 않았으나 가지돌기에서 F-actin의 양을 현저히 감소시킨다는 것을 확인하였다(결과 생략). 이러한 결과를 바탕으로 P-body에 존재하는 mRNA를 분리하고자 하였다. 이를 위해 먼저 면역침전으로 P-body를 분리하고 다시 RNA를 분리하였다. 이어서 actin cytoskeleton의 조절에 관여하는 mRNA들에 대한 RT-PCR을 수행함으로써 각 mRNA에 대한 존재 유무를 조사하였다. 실험결과 actin filament의 stabilizer인 Nd1과 nucleator인 Arp2의 mRNA가 존재함을 확인하였다. 또한 P-body에 존재하는 Nd1 mRNA는 신경세포 활성에 의해 P-body로부터 유출되는 것을 확인할 수 있었다(그림 4).

위의 결과에서처럼 P-body는 actin cytoskeleton의 조절과 관련된 mRNA들의 저장장소로 기능하고 있었고, 신경세포에 자극을 가하면 이들 mRNA들이 P-body로 부터 유출되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 P-body의 과발현은 가지돌기 내 F-actin의 양을 감소시켰다. 신경세포의 활성이 P-body 과발현으로 인한 가지돌기 내 F-actin의 감소를 억제할 수 있는 확인하기 위해 Dcp1a를 과발현시킨 신경세포에 KCl을 처리하여 신경세포를 자극하였다. 그 결과는 예상대로 신경세포의 활성은 가지돌기에서 Dcp1a의 과발현에 의한 F-actin의 감소를 회복시켰다(그림 5). 이러한 결과는 신경세포의 자극에 의해 유출된 actin cytoskeleton의 조절에 관련된 mRNA들이 다시 번역계로 들어가 단백질합성에 사용되었음을 간접적으로 시사한다.

본 연구를 통하여 신경세포에서는 잘 알려지지 않은 P-body의 신경세포 내 이동과 분포에 대한 정보와 특히 시냅스 가소성에서의 역할을 제시하였다. 먼저 신경세포의 P-body 이동을 위한 모터단백질로 KIF5A를 분리하였다. P-body는 시냅스 부위에 존재하였고 신경세포의 자극에 의해 시냅스 부위로 이동이 증가하였다. 본 연구에서 또 하나의 중요한 성과는 이동과 분포에 이어 시냅스로 이동된 P-body의 기능적 역할을 규명한 것이다. P-body는 가지돌기 내 actin cytoskeleton의 조절과 관련된 mRNA의 저장장소로 사용되고 있으며 이들 mRNA들을 저장하거나 유출함으로써 가지돌기의 구조적 가소성을 조절하고 있다는 것을 밝혔다. 즉 시냅스 가소성의 중요한 기전 중 하나인 국부적 단백질합성(local protein synthesis)에서 P-body에 의한 조절 기전을 제시한다. 더 나아가 이러한 결과들은 학습과 기억과의 분자기전을 밝히는데도 기여하게 될 것이다.