[신경과학] 6.1 : 신경전달물질의 기본적인 특징과 연구방법

 

 

이번 포스트에서는 신경전달물질(neurotransmitter)의 기본적인 특징과 연구방법들에 대해 알아보도록 하자.

 

 

neurotransmitter(NT)는 neuron 내부에서 합성되며 synapse에서 release됨. 그리고 이렇게 release된 NT는 postsynaptic cell, 혹은 presynaptic terminal에 있는 특정 receptor와 결합할 수 있음.

 

 

 

 

NT는 위와 같이 크게 3종류로 나누어짐. 이 중 amino acid 계열은 vesicle을 통해 release되며 대표적인 예로는 glutamate, glycine, GABA(gamma-aminobutyric acid)가 있음. 다음으로 amine 계열은 vesicle을 통해 release되며 대표적인인 예로는 dopamine, epinephrine, norepinephrine, serotonin 등이 있음. 마지막으로 peptide 계열은 secretory granule(dense core vesicle)에 의해 release되며 대표적인 예로는 dynorphin, enkephalin 등이 있음.

 

 

 

 

 

흔히 neurotransmitter system이란 위 그림에 나타나 있는 것들을 다 통칭하는 것임. 즉 NT가 합성되고, vesicle로 transport되고, 이후 저장되다가 synapse로 분비되고, postsynaptic neuron에 의해 인지되고, 이후 signal이 전파되는 과정까지가 다 이 system에 포함됨.

 

 

이 때 neuron을 통해 신호가 전달될 때 사용되는 NT의 종류에 따라서 NT system의 이름을 다르게 붙일 수 있음. (e.g. cholinergic system(acetylcholine이 작용), noradrenergic system, glutamatergic system, GABAergic system, peptidergic system) 비슷한 원리로 특정 NT를 이용해 신호를 전달하는 neuron을 -ergic neuron이라 이름붙일 수 있음.

 

 

 

먼저 neurotransmitter system을 study할 수 있는 방법들에 대해 알아보자.

 

 

 

 

위 그림에는 immunocytochemistry(세포 염색)에 사용되는 antibody를 얻기 위한 step들이 나타나 있음. 이 경우 transmitter-synthesizing enzyme을 인지할 수 있는 antibody를 이용해 면역염색을 수행하여 ELISA, dot blot 등으로 antibody의 양을 측정하고, 결과적으로 enzyme(혹은 NT)의 양을 측정할 수 있는 것임.

 

 

 

이 때 우리가 원하는, enzyme 혹은 특정 NT에 결합하는 항체를 얻기 위해 위와 같이 antigen을 rabbit에 넣고, 이후 시간이 경과한 후 이 rabbit의 혈청 내에 포함되어 있는 항체를 분리하게 됨. 그 다음에 추가적인 boost를 위해서 한번 더 항원을 rabbit에 유입해준 뒤 antibody를 추가적으로 얻게 됨. 이후 이렇게 얻어진 antibody를 affinity purification(특정 antigen 이용) 등을 이용해 정제하면 이제 immunocytochemistry에 사용할 수 있는 antibody가 얻어짐.

 

 

 

 

이렇게 만들어진 antibody를 이용하면 위와 같이 immunocytochemistry 혹은 immunohistochemistry를 수행할 수 있음. 이 때 종종 secondary antibody를 이용할 수도 있음.

 

 

이를 이용할 시 위 그림 오른쪽과 같이 특정 enzyme, 혹은 NT가 neuron의 어디에 발현되어 있는지를 확인할 수 있음.

 

 

 

 

다음으로 위 그림에는 세포 내의 mRNA를 detect하는 방법인 in situ hybridization이 나타나 있음.

 

 

이 방법의 경우 우리가 detect하고자 하는 mRNA와 antisense 관계에 잇는 서열을 세포 내에 넣어서 hybridization시켜주게 됨. 이 때 그냥 antisense 서열을 동위원소로 만든 뒤 autoradiography를 통해 관찰할 수도 있고, 그 밖에 형광을 붙여서 관찰할수도 있음.

 

 

 

위 그림에 나타나 있는 것이 형광을 사용한 방식임. 이 경우 antisense 서열에 형광 tag를 붙였음. 이와 같은 방식을 fluorescence ISH(in situ hybridization), 혹은 FISH라 부름.

 

 

 

일단 NT를 연구하려면, 세포로부터 NT를 얻어야 할 것임.

 

 

 

 

PNS에서 주로 사용되는 acetylcholine은 위 그림과 같은 Loewi's experiment에 의해 처음으로 identify됨. 보면 두 개의 chamber에 frog heart를 넣어줌. 이후 electrical signal을 줄 시 1번 심장은 천천히 뛰게 되고, 시간이 어느 정도 지나면 2번 심장도 천천히 띄게 됨. 결국 Loewi는 심장을 천천히 띄게 하는 chemical이 존재할 것이라 생각함. 이후 이 물질은 ACh로 밝혀짐.

 

 

한편 CNS의 경우 brain slice를 만든 후 buffer를 넣어줘서 잠깐동안 살아있게 만들어주게 됨. 그 상태에서 synapse를 stimulate시키게 되면 그 결과 release되는 chemical을 얻을 수 있음.

 

 

 

 

위 그림은 presynaptic neuron이 없을 때도 마치 NT를 분비해 준 것과 같은 효과를 부여하는, 즉 다시말해 synaptic mimicry를 하는 방법들을 나타내주고 있음. 보면 micropipette를 이용해서 drug 형태로 neuron을 자극해줄 수도 있고 그 밖의 방법으로도 이 녀석을 자극해주는 것이 가능함. 이 때 실제로 postsynaptic neuron이 자극받았는지를 알기 위해서 soma에 electrode를 꽂아서 전기신호를 측정하는 방법을 사용할 수 있음.

 

 

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다음으로 NT가 결합할 수 있는 receptor들에 대해 알아보자. 일단 이 receptor들을 구분할 때 쉽게 사용할 수 있는 지표 중 하나가 바로 neuropharmacology임.

 

 

 

 

우선 위 그림 왼쪽에는 ACh가 결합할 수 있는 두 종류의 receptor인 nicotinic receptor와 muscarinic receptor가 나타나 있음. 이 중 nicotinic receptor에는 nicotine이 agonist로, curare이 antagonist로 결합할 수 있으며, muscarinic receptor에는 muscarine이 agonist로, atropine이 antagonist로 결합할 수 있음. 이 중 nicotinic receptor는 대부분 skeletal muscle에 존재하며 muscarinic receptor는 주로 cardiac muscle에 존재함.

 

 

 

다음으로 위 그림의 오른쪽에는 glutamate receptor 중 3가지인 AMPA receptor, NMDA receptor, Kainate receptor가 나타나 있음. 이들의 경우 각각 AMPA, NMDA, Kainate의 다른 agonist를 가지기에 이와 같이 분류 가능함. 이들 각각은 일단 모두 glutamate와 결합하므로 glutamate binding site는 conserve되어있겠지만 나머지 부분은 다 다를 것이고, 그 결과 이들 각각의 function도 달라짐.

 

 

 

 

위 표에는 neuropharmacology적인 접근을 바탕으로 NT receptor를 분류한 몇 가지 예시가 나타나 있음. 참고로 GABA의 경우에도 GABA_A, GABA_B로 subtype이 나누어지며 이들 둘은 전혀 다른 구조를 가지고 있음. 그 밖에, ATP도 NT로 기능할 수 있다는 사실도 알고 넘어가자.

 

 

 

다음으로 receptor들에 대해 ligand를 바탕으로 분석하는 방식에 대해 알아보자. 이 경우 radioactive ligand(radioactive NT)를 이용해서 ligand-binding의 결과 receptor들의 분포를 확인하는 방식으로 사용될 수 있음.

 

 

 

 

이에 대한 예시 결과가 위와 같음. 주로 이런 연구방식은 초창기에 각종 환각성 마약류의 receptor들을 identify하는데 많이 사용됨.

 

 

 

마지막 방식은 receptor들을 receptor structure에 따라 분류하는 것임.

 

 

 

 

위 그림에는 앞서 말했던 GABA_A, GABA_B의 구조가 나타나 있음. 이 중 GABA_A는 alpha1, beta2, gamma2 2, 2, 1개씩의 5개의 subunit이 모여 pore를 형성하고 있는 구조임. 한편 GABA_B는 metabotropic receptor의 일종으로 G protein과 연계된 후속 반응에 의해 비교적 느리고 지속적인 반응을 매개함. (결과적으로 여러 단계의 반을을 거쳐 K+ channel이 열리게 됨) 보면 이 예시들의 경우 구조가 상당히 다르다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

 

앞서 NT의 경우 위와 같이 분류된다 했었음. 이들의 경우 대부분 amino acid의 derivative라는 것을 알 수 있음. 그런데 하나의 예외가 있음. 바로 acetylcholine인데, 이 녀석의 경우 acetyl CoA로부터 유래함.

 

 

 

 

위 표에는 각종 category에 따른 NT들이 다시금 정리되어 있으므로 참고할 것.

 

 

 

한편 한 neuron이 오직 한 종류의 NT만 분비한다고 생각한 사람이 바로 Dale이며, 그래서 이를 Dale's principle이라 부름. 그러나 실제로는 그렇지 않은 경우도 종종 있는데, 한 nerve terminal에서 두 종류 이상의 NT가 분비되는 Co-transmitter들이 최근에는 많이 발견됨.

 

 

 

다음 포스트에서는 이제 본격적으로 다양한 neurotransmitter들에 대해 알아보도록 하자.