촉감에 대한 주요 단백질 센서 확인

포유동물에 있어 촉감을 매개하는 “기계적 수용체(mechanoreceptor)”의 확인으로 신경과학분야의 오랜 수수께끼가 스크립연구소 Scripps Research Institute, TSRI)의 생물학자들이 주도한 연구팀에 의해 풀렸다. 피부 세포와 신경 말단에 Piezo2 이온 채널 단백질(Piezo2 ion-channel protein)이 없는 생쥐는 가벼운 접촉에 대한 감도는 거의 없지만 고통스런 기계적 자극에 대한 감도는 대체로 정상적이다.

포유류에서 Piezo2가 주요 촉감 센서라고 확신할 수 있다는 것이 패더푸티안 (Ardem Patapoutian) 교수의 말이다. 이번 연구 결과는 학술지 Nature 의 12월 4일 호에 실렸다.

<단서 찿기> 1980년 대에는 포유류의 시각 기능을 담당하는 주요 단백질인 광수용체가 확인되었고, 1990년대 초에는 후각과 미각 수용체가 확인되었다. 그러나 촉각을 매개하는 기계적 수용체에 대해서는 더 이상의 진전이 없었다. 기계적 수용체는 극소수의 특수 세포에서 작동되고, 그런 세포에서도 그 수가 많지 않아서, 가능성 있는 단서가 많지 않은 상황에서 이번 연구가 시작되었다고 한다.

이 연구팀은, 4년 전 발달된 유전체 기술의 도움으로, 생쥐 세포에서 두 개의 기계적으로 활성화되는 이온 채널 단백질, Piezo1과Piezo2를 확인했다. 이들 이온 채널이 박혀있는 세포 막을 일그러뜨릴 수 있는 정도의 물리력이면 이 이온 채널을 닫힌 상태에서 열린 상태로 효율적으로 바뀌어, 나트륨을 비롯한 양으로 하전된 전해질(electrolytes)이 안쪽으로 흘러 들어가게 할 수 있다. 그리고 전기적인 신경 자극(electrical nerve impulse)을 촉발할 수 있는 감각 신경에서 물리적 자극이 신경적 자극으로 전환된다.

두 개의 새로이 확인된 이온 채널 단백질 중에 척추의 후근신경절(dorsal root ganglia )을 기반으로 하여 신경돌기가 피부까지 신장될 수 있는 촉감 감지 뉴런에서 Piezo2만이 유의적으로 발현되었다. 이 연구팀은 이를 근거로 포유류의 촉감에 대한 가능한 전도 장치(transducer)로 이 유전자에 집중하게 되었다. 지난해, 패더푸티안 팀은 Piezo2가 머켈 세포에서 촉감센서 역할을 한다는 보고를 했는데, 이 세포는 피부의 접촉 감수성 신경 말단에 위치한 특수 세포로, 생쥐에서 촉감을 증대시킨다.

<한 가지 유형의 접촉에 한 가지 이온 채널> 이번 연구에서 연구자들은 이 선행 발견을 접촉 감수성 신경 말단 그 자체까지 확장했다. 이들 신경은 힘의 서로 다른 종류와 방향을 감지할 수 있도록 만들어져 있기도 하고, 그리고 별도의 민감도를 위해 머켈 세포와 모낭과 같이 다른 힘 반응 구조물에 부착되어 있을 수도 있다. 연구 시작부터 특별한 생쥐가 이용되었는데, 이 생쥐는 이전의 연구에서 머켈 세포 연구를 위해 만들어진 것으로 형광 단백질이 연결된 Piezo2를 생성한다. 이 형광 표식 Piezo2로 인한 발광으로 Piezo2가 광범위한 “낮은 역치의 기계적 수용체 (low-threshold mechanoreceptor)" 신경 말단에서 발현된다는 것이 확인될 수 있었는데, 이는 생쥐 피부의 유모와 무모(hairless) 영역 둘 다에 박혀있었다.

다음 단계의 연구는 Piezo2 유전자를 생쥐에서 절단하여 이 유전자가 발현되지 않아도 촉각에 대해 정상적으로 반응하는지 여부를 관찰하는 것이었다. 하지만, Piezo2가 소실된 생쥐 모두는 사산되었다. 그래서 “조건부 넉아웃”되는 생쥐 라인(conditional knockout mouse line)을 만들었는데, 이 경우 성체에 임박하면, 후면신경절 뉴런과 머켈 세포에서만 Piezo2 유전자가 거의 완전히 소실되도록 만들어졌다.

이들 생쥐로부터 배양된 신경에 대한 전기적 시험에서 일반적으로 가벼운 접촉을 감지하는데 필요한 기계적 자극에 대해 아무런 반응이 없는 것으로 확인되었다. 이 생쥐에서 유래되고 손상되지 않은 피부 신경에 대한 특수 시험에서도 기계적 민감도에 대해 동일하게 심각한 소실이 확인되었다. 신경 말단과 머켈 세포에서 Piezo2가 결핍된 생쥐에서도 정상적 생쥐에 비해 명확한 행위 차이가 확인되었다. 일련의 시험에서 통상적 접촉 자극에 대한 반응성에서 극적인 감소가 관찰되었다고 한다.

이들 접촉 무감각 생쥐에서 더위, 추위 및 꼬집기 같이 보통 고통이 있는 피부 부하 자극에 대한 반응은 확실하게 유지되었다. 꼬집기와 같이 고통이 있는 기계적 감각은 높은 역치의 기계적 수용체 신경 말단에 의해 매개되는 것으로 추측되는데, 이 경우는 더 강한 힘이 있어야 활성화된다. 이들 높은 역치의 기계적 수용체 신경은 Piezo2가 조건적으로 넉아웃되는 생쥐에서는 영향을 받지 않는 것으로 보였다고 한다.

이번 발견이 시사하는 것은 빛, 촉감, 일반적으로 생각하는 무해한 접촉은 Piezo2 이온 채널을 이용한 한 세트의 신경 말단에 의해 주로 매개된다는 것이다. 반대로, 더 강하고 고통을 유발하는 접촉감각은 아직 밝혀지지 않았지만 그들 자신의 이온 채널이 있는 덜 강력한 민감성 세트의 신경 말단에 의해 매개되는 것으로 보인다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 촉감에 대한 주요 단백질 센서 확인