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수면부족이 뇌의 기억능력을 심각하게 저하시킨다.
- 유승식(兪勝植) KAIST 바이오시스템학과 겸직교수 겸 하바드의대 교수, MRI를 통한 관련 실험결과 논문이 네이처 뉴로사이언스 온라인판에 게재
- 성장기 아동의 무리한 과외 스케줄에 의한 수면 부족은 생물학적인 학습능력 저하 낳을 수 있어 사람이 잠을 잘 못 자고 나거나, 밤을 샌 다음날에 일어난 일은 왜 잘 기억이 나지 않을까? MRI를 통한 실험결과, 수면부족이 뇌의 기억능력을 심각하게 떨어뜨린다는 내용의 논문이 美 유명잡지에 게재됐다.
KAIST(총장 서남표)는 KAIST 바이오시스템학과 겸직교수이자 美 하바드 의대 교수인 유승식(兪勝植, 37) 교수의 관련 논문이 네이처(Nature) 자매지인 네이처 뉴로사이언스(Neuroscience)의 2월12일자 온라인판에 게재되었다고 밝혔다.
兪 교수는 “수면부족 상태에서의 인간 기억능력 저하(A deficit in the ability to form new human memories without sleep)“라는 제목의 발표논문에서 기능 MRI(fMRI, Functional MRI)를 통한 연구결과,"잠을 잘 못 자고 나거나, 밤을 샌 다음날에 일어난 일은 왜 잘 기억이 나지 않을까?"라는 단순하면서도, 충분히 이해가 갈 만한 현상에 대하여, 부족한 수면은 새로운 기억의 생성/유지에 필요한 뇌의 마(Hippocampus)의 기능을 일시적으로 저하시킨다는 현상을 발견했다. 수면이 기억과 학습에 있어 필요한 기억강화(Consolidation)에 중요한 역할을 한다는 사실은 알려져 있었지만, 지금까지 새로운 정보(일화적 기억: Episodic Memory)를 습득함에 있어서의 수면의 역할에 대한 연구는 없었다.
兪 교수팀은 18세에서 30세사이의 건강한 피험자 28명을 14명씩 2개의 집단으로 나눈 후, 한 집단은 35시간 이상 수면을 취하지 못하게 하고 여러 개의 영상(사진)을 보여주며, 뇌기능을 fMRI를 통하여 관찰했다.
또 다른 대조 집단은 평상시대로 7시간에서 9시간의 충분한 수면을 취하게 한 후, fMRI실험에 참가시켰다. 이틀 후 이들은 다른 사진이 섞인 영상에서 자신이 보았던 사진을 구별할 수 있는 지를 검사했는데, 수면이 부족한 피험자들은 수면부족 상태에서 본 사진을 잘 기억하지 못했다. 정상 수면자에 비해 기억능력이 19%나 떨어지는 것으로 나타났다. 기억 습득 당시에 실시된 fMRI 결과는 수면부족이 해마의 기능을 일시적
으로 저하시킴을 보여줬다. 아울러 뇌의 시상(Thalamus)과 뇌줄기(brain stem, 뇌간)가 저하된 해마의 기능을 보조하는 현상도 목격됐다.
연구결과는 35시간 동안이라는 일시적 수면부족과 기억의 상관관계를 도출했지만, 장기간에 축적된 수면부족도, 인간의 기억(memory),그리고 전반적인 학습 (Learning)에 영향을 줄 수 있다는 가능성을 보여 주고 있다. 인간은 사회적 환경에 의해 수면을 줄일 수 밖에 없는 형편에 처해 있으므로, 연구결과가 내포하고 있는 잠재적 의미는 되새겨 볼만하다. 예로써, 성장기에 있는 아동들의 무리한 과외 스케줄에 의한 수면 부족은 바로 생물학적인 학습능력 저하를 낳을 수 있다는 것이다. 또한, 고령화 사회에서 수면장애에 기인하는 기억능력 감퇴 문제의 해결을 위해서도 수면에 관한 과학적이고 체계적인 연구와 능동적 대책을 필요하게 한다.
兪 교수는 “지난 2003년, KAIST 바이오시스템학과와 KAIST 뇌과학연구 센터의 협력하에 공동실험에 참가한 바 있다“며, ”KAIST가 보유하고 있는 MRI 환경하의 뇌파실험(EEG)가동 기술은 진보된 수면연구에 절대적으로 필요한 기술이다. 국제적 공동연구 환경 조성과 연구기금의 확보가 KAIST의 관련 연구역량을 널리 알릴 수 있는 초석이 될 것이다“라고 밝혔다.
뇌과학분야 연구는 그 중요성에도 불구하고 지금껏 한국에서는 관련 논문을 접하기가 쉽지 않았다. KAIST 겸직교수로 있는 兪 교수의 이번 네이처 자매지 논문발표는 KAIST가 국내 뇌과학 연구분야에서 중요한 역할을 하게 되는 계기가 될 것으로 보인다. 兪 교수는 매년 여름학기에는 KAIST에 머물면서 강의를 하고 있으며, 학생들과 같이 연구업무를 수행하고 있다. 현재 KAIST 바이오시스템학과 박사과정 학생의 지도교수도 맡고 있다.
용어설명
1) 해마 : 뇌의 밑부분에 위치하며, 인간의 기억과 학습에 있어 외부자극을 기억과 관련된 정보로 바꿔주고, 다른 중요한 뇌부분(뇌전엽)에 연결해 주는 중요한 역할을 한다.
2) 일화적 기억(Episodic Memory) : 개인의 경험과 밀착된 기억, 누구를 보았다든지, 무슨 소리를 들었다는 등의 기억. 의미기억(Semantic memory, 대상의 관계나 단어의 의미기억)과는 구별되지만, 해마는 일반적으로 모든 장기적 기억에 관련된다.
3) 시상(THAlamus) : 뇌 회로연결에서의 스위치보드로서, 뇌의 전반적 회로 연결체계를 통제한다.
4) 뇌 줄기(Brain stem): 말그대로 척추와 뇌를 연결하여주며, 소뇌(cerebellum)와 연결되어 인간의 기본적이고 원초적인 기능을 수행하게 도와준다.
2007.03.01 조회수 22882 -
김은준교수팀, 시냅스 생성 단백질 발견
- 흥분성 시냅스 생성 촉진하는 새로운 단백질‘엔지엘’발견
- 정신분열증을 비롯한 다양한 뇌질환 발병 원리 추정 가능
- 네이처 뉴로사이언스誌 9월호 게재
사람의 뇌에서 시냅스의 생성을 촉진하는 새로운 단백질이 국내 연구진에 의해 발견됐다.
KAIST(총장 서남표) 생명과학과 김은준(金恩俊, 42 / 시냅스생성 창의연구단 단장) 교수팀이 ‘엔지엘(NGL)’ 단백질이 흥분성 시냅스의 생성에 관여한다는 새로운 사실을 발견, 오는 18일 발표되는 신경과학 권위지인 ‘네이처 뉴로사이언스誌(Nature Neuroscience)" 9월호에 게재된다고 밝혔다.
金 교수팀은 後시냅스에 위치한 ‘엔지엘’이란 막단백질이 前시냅스의 네트린지(netrin-G)라는 다른 막단백질과 연결되면서 가교 역할을 하여 새로운 시냅스 생성을 촉진하는 것을 발견했다.
‘엔지엘’은 뉴로리긴(neuoroligin)에 이어 세계에서 두 번째로 새롭게 발견된 시냅스 가교 단백질이다. 이 새로운 단백질의 발견으로 시냅스 생성 원리와 다양한 뇌질환 발병 원인을 추정할 수 있게 되었다.
우리 뇌는 약 1000억개 이상의 신경세포와 각 세포당 1만 여개의 시냅스로 신경회로망을 구성하고 있다. 시냅스는 신경세포 사이에 신경전달이 일어나는 장소다. 시냅스의 생성은 신경회로의 생성으로 연결되고, 신경회로는 정상적인 뇌발달이나 뇌기능뿐만 아니라 다양한 뇌질환과도 관련이 깊다.
金 교수는 “엔지엘과 연결되어 있는 네트린지(netrin-G)가 정신분열증 (schizophrenia)과 관련이 있고, 엔지엘과 비슷한 기능을 가진 다른 시냅스 가교 단백질인 뉴로리긴이 정신지체(mental retardation) 및 자폐증(autism)과 관련이 깊은 만큼, 엔지엘도 정신분열증을 비롯한 다양한 뇌질환과 관련이 있을 것으로 보인다"라고 말했다.
<첨부사진 설명>
■ 사진 1: 엔지엘의 시냅스 생성 능력 확인 실험 1
표면에 엔지엘을 발현하고 있는 일반세포(녹색)와 신경세포를 섞어 준다. 축색돌기(axon)가 약 10시 방향에서 가운데 위치해 있는 엔지엘(일반세포)쪽으로 뻗어 나오다가 엔지엘을 만나게 되는데, 이 때 엔지엘은 접촉하는 축색돌기 안에 前시냅스(붉은색)의 형성을 유도한다. 前시냅스의 형성 여부는 시냅신(Synapsin)이라는 前시냅스 단백질의 형광 염색(붉은색)으로 알 수 있다.
- 그림a-b : 엔지엘에 의한 시냅스 형성
- 그림c-d : 시냅스 생성능력이 소멸된 변형 엔지엘은 시냅스 생성 못함
■ 사진 2: 엔지엘의 시냅스 생성 능력 확인 실험 2
표면에 엔지엘을 코팅시킨 구슬을 신경세포 위에 뿌려주면 구슬이 신경세포의 축색돌기와 접촉하게 된다(구슬들은 가운데 패널의 위상차 이미지에서 명확히 보임). 이때 엔지엘은 축색돌기 안에 前시냅스(붉은색)의 형성을 유도한다. 전시냅스의 형성 여부는 시냅토파이진(SynPhy; a 패널) 또는 비글룻(VGlut1; b패널)이라는 前시냅스 단백질의 형광 염색(붉은색)으로 알 수 있다.
2006.09.19 조회수 16917 -
KAIST 고규영교수팀, 당뇨병 족부궤양 치료단백질 개발
손발이 부패하는 당뇨병 합병증을 치료하는 획기적인 신물질
KAIST 의과학센터와 바이오벤처 제넥셀세인(주)의 고규영 교수와 조정현 박사 연구팀은 혈관생성을 촉진시키는 치료단백질인 콤프앤지원 을 개발하여 이 단백질이 당뇨병 합병증인 족부궤양을 획기적으로 치료한다는 것을 당뇨병 실험동물을 통해 밝혔다.
이번 연구 결과의 자세한 내용은 세계적인 학술지인 미국국립학술원회보지(Proceedings National Academy Sciences, 일명 PNAS)에 조기출간 (2006년 3월 셋째주)으로 게재된다. 미국국립학술원에서는 이 내용의 중요성이 당뇨병 족부궤양 환자에게 희망을 줄 것이라는 판단 하에 이례적으로 일반인을 대상으로 하는 월드사이언스뉴스 홍보물로 채택하였다.
이 연구내용을 근거로 하여 콤프앤지원 치료단백질의 물질 및 임상응용 특허권을 가지고 있는 제넥셀세인(주)는 현재 전임상 실험을 진행하고 있으며 조만간에 상처 합병증이 있는 당뇨병환자를 대상으로 임상실험을 실시하여 실용화할 예정이다.
우리나라를 비롯한 서구 선진국 국가에서 당뇨병의 환자수는 현재 2억명 으로 추산되며 급속도로 증가하여 2020년도에는 3억명에 이르면서 "당뇨대란“이 일어 날것이라고 의학자들은 예고하고 있다. 말기 당뇨병 환자의 약 10%는 손발의 상처가 낫지 않고 썩어 들어가서 결국 손발을 잘라내야 하는 족부궤양에 시달리게 된다.
당뇨병성 족부궤양은 장기 당뇨병에 의한 족부의 미세혈관이 망가져 피부상처가 회복되지 않고 궤양으로 진행되는 치료가 어려운 질환이다. 따라서 이 족부 상처 부위의 망가진 미세혈관에 콤프앤지원을 투여하여 건강한 혈관생성을 촉진 시켜 준다면 상처와 궤양의 회복을 촉진할 것이라는 확신을 하게 되었다.
당뇨병성 생쥐의 꼬리에 궤양과 동일한 상처를 낸 후 콤프엔지원을 전신투여 하거나 상처부위에 국부투여하여 탁월한 상처치유 효과가 있다는 것을 확인하였다. 조직학적 검사를 해보니 콤프앤지원이 상처부위의 건강한 미세혈관과 임파관 생성을 촉진할 뿐만 아니라 혈류량도 증가시켜 상처치유 효과를 일으킨다는 사실을 알게 되었다. 아직까지 이러한 족부궤양을 치료할 수 있는 치료제가 없었으나 이번에 고규영 교수팀의 연구 결과로 인해 손발을 잘라내지 않고 콤프앤지원을 국부투여하여 족부궤양을 치료할 수 있는 길이 열린 것이다.
콤프앤지원 (COMP-Ang1)은 고규영 교수 연구팀이 2년전에 최초로 개발한 건강한 혈관생성촉진 단백질이다. 콤프앤지원은 건강한 혈관생성을 촉진하므로 혈관질환이 동반하는 심장병 (심근경색과 심장허혈증)과 뇌졸중 치료에 적용할 목적으로 제넥셀세인(주)은 현재 전임상 실험을 진행하고 있다. 콤프앤지원은 연간 2조원 이상이 될 것으로 추정되는 세계 혈관형성 촉진제 시장을 석권할 최초의 단백질 치료제가 될 것으로 기대된다.
그림설명: 당뇨병성 생쥐의 꼬리에 궤양과 동일한 상처를 낸 후 콤프엔지원을 투여 하고 상처치유정도를 날짜 별로 사진을 찍음. 대조약물을 투여받은 생쥐의 꼬리 상처는 8가 지나도록 치유가 되지 않는 반면, 콤프앤지원을 투여 받은 생쥐의 꼬리 상처는 4-8주 사이에 거의 완치됨.
2006.03.15 조회수 17490 -
생명과학과 김학성 교수, 사이언스誌에 논문 발표
“생명요소인 단백질도 설계, 제조한다”
- 단백질의 자연 진화과정을 밝혀 신 기능 단백질 설계 기술 개발
- 의약용 단백질 및 산업용 효소 창출 등 생명공학 분야에서 광범위하게
활용될 수 있는 기반 기술
- 사이언스誌에 중요 논문 중 하나로 소개 : 별도“Perspective"란에
자세한 연구 내용 설명
KAIST 생명과학과 김학성(金學成, 48) 교수 / 박희성(朴熙成, 35) 박사팀이 개발한 ‘신 기능 단백질 설계 기반 기술’이 세계적 학술지인 사이언스 誌에 1월 27일자로 발표했다.
“기존에 존재하는 단백질 골격을 이용한 신 기능 단백질의 설계와 창출 (Design and evolution of new catalytic activity using an existing protein scaffold)“이라는 제목으로 발표되는 이 기술에 대해 사이언스誌는 별도의 “Perspective"란에 연구 내용을 자세히 설명하여, 그 중요성과 파급 효과를 강조하고 있다.
金 교수팀은 자연계에서 단백질이 진화해온 복잡한 과정을 단순화시켜 새로운 기능을 가진 단백질을 효율적으로 설계하고 제조하는 기반 기술을 개발하였다. 이 기술은 의약용 단백질 및 산업용 효소의 개발 등 생명공학 분야에서 광범위하게 활용될 수 있으며 바이오기술(BT)의 산업화라는 점에서 주목된다.
생물체내에는 5만 종류 이상의 다양한 기능을 수행하는 단백질이 존재한다. 자연 진화 과정에서 생성된 다양한 단백질들은 기존 유전자의 염기서열이 변형된 것뿐만 아니라 임의의 길이나 염기서열을 갖는 유전자 조각들이 오랜 시간에 걸쳐 삽입, 제거, 재조합 등의 복잡한 과정의 단계를 거쳐서 만들어진 것으로 밝혀지고 있다.
단백질은 20개의 아미노산으로 구성된 고분자물질로 생명체가 살아가는데 필수적인 역할을 수행한다. 예를 들어 p53 이라는 단백질은 암을 억제하는 기능을 하고, 많은 효소는 우리가 섭취한 음식물로부터 우리 몸에 필요한 복잡하고 다양한 물질과 에너지를 효율적으로 생산하는 역할을 한다. 이러한 단백질은 의약용, 치료용 혹은 산업용으로 광범위하게 사용되고 있다.
특히, 단백질의 일종인 효소(Enzyme)는 최근 선진국을 중심으로 대대적인 연구개발 및 산업화가 추진되고 있는 화이트 바이오테크(White Biotech)분야의 핵심으로 부각되고 있다. 세계적 화학기업, 제약기업, 생명공학 기업들이 산업 목적에 맞는 효소의 개발에 집중적으로 투자하고 있다. 그러나 대부분의 단백질은 특이성, 리간드와의 친화성, 안정성, 활성 등이 실제 의약용이나 산업적으로 사용하기에는 많은 한계점을 가진다. 이를 해결하기 위해 목적에 맞는 특성이나 새로운 기능을 지닌 단백질을 설계하고 창출하는 연구가 지속적으로 진행되어 왔지만 아직까지 만족할 만한 연구 결과는 보고되지 않았다.
金 교수팀은 생물체내에는 수많은 종류의 단백질이 존재하지만 기본적인 골격의 수는 한정되어 있어 서로 다른 기능을 수행하는 단백질들의 경우라도 그 골격은 유사하거나 동일한 경우가 많다는 점에 착안, 새로운 기능을 가진 단백질 설계에 필요한 요소를 기존의 단백질 골격에 동시에 조합적으로 삽입함으로써 신 기능 단백질을 제조할 수 있는 기술을 성공적으로 개발할 수 있었다.
개발된 신 기능 단백질 설계 기술은 앞으로 새로운 단백질 의약품 개발, 산업용 효소 개발, 합성 생물학, 화이트 바이오테크놀러지(White Biotechnology), 생유기 합성 및 단백질 공학 분야에서 광범위하게 활용되어 생명공학의 산업화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
또한, 이번 연구결과는 자연계에서 단백질이 어떠한 진화 과정을 거쳐 현재와 같은 다양한 단백질이 존재하게 되었는지에 대한 중요한 해답을 주고 있어 기초 생명과학 분야에서도 매우 획기적인 연구결과로 인식되고 있다.
사이언스誌 투고의 주역인 金 교수는 최근 국제공학회(ECI)에서 주관하는 국제학술대회인 제 18차 효소공학 학술대회(Enzyme Engineering)를 지난해 10월 국내에 유치하여 성공적으로 개최하는 등 국제적으로도 활발한 활동을 펼치고 있다.
2006.01.27 조회수 21765