불면증, 우울증…뇌 속 작은 조절기 고장난 탓 [사이언스 브런치]

실내 온도를 조절하는 장치가 있는 건물에서 온도조절기가 고장 난 상태를 상상해 보자. 무더운 여름에는 에어컨이나 환기 장치가 제대로 작동하지 않아 바깥보다 더 찜통 같은 상태가 될 것이다. 겨울에는 냉동고와 다름 없는 실내가 될 지도 모른다. 그런데 우리 뇌 안에 있는 온도조절기가 고장 나면 어떻게 될까.

스페인 바르셀로나 폼페우 파브라대, 바르셀로나 과학기술연구원, 스위스 바젤대, 포르투갈 상팔리무드 재단, 프랑스 소르본대, 영국 런던대(UCL) 공동 연구팀은 신경 유전자의 아주 작은 조각인 마이크로엑손의 발현 변화가 각성 상태를 조절하는 일종의 뇌 속 온도조절기를 고장 내 불면증, 우울증 등을 유발할 수 있다고 22일 밝혔다. 이 연구 결과는 기초과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’ 6월 19일 자에 실렸다.

동물이 생존하기 위해서는 내·외부 자극에 적절하게 반응할 수 있어야 한다. 흔히 각성이라고 부르는 중추신경계의 활성화는 동물계 전반에 걸쳐 고도로 보존된 기능 중 하나다. 적절한 각성 조절은 졸음, 반응성 저하, 불면증, 감각 과민성 사이에서 균형을 유지하도록 해 준다. 이런 기능이 중요한 이유는 스트레스와 신경발달장애와 밀접한 관계가 있기 때문이다.



생물체는 발달 시기와 성체 단계에서 각성을 적절히 조절하기 위해 대체 스플라이싱을 통해 생성되는 매우 다양한 단백질을 필요로 한다. 이 과정은 하나 이상의 마이크로엑손 존재 유무에 따라 아미노산 서열이 유사하지만 동일하지 않은 기능적으로 구분되는 두 가지 단백질을 생성할 수 있는 메커니즘이다. 마이크로엑손은 3~27개의 뉴클레오티드로 이뤄진 매우 짧은 엑손 조각이다. 또 대체 스플라이싱은 전사된 메신저RNA(mRNA)가 여러 방식으로 절단되고 재조합돼 하나의 유전자에서 기능이 다른 여러 단백질이 만들어지는 과정을 말한다.

연구팀은 동물 실험에 많이 쓰이는 제브라피시를 이용해 몇 가지 실험을 했다. 수정 후 5~8일이 지난 유충의 운동량, 수면, 불안과 스트레스 지표인 벽 붙기를 자동 추적하고 고속 영상으로 꼬리 움직임의 종류와 운동역학까지 분석했다. 칼슘 지시자인 GCaMP6s를 모든 뉴런에 발현시킨 뒤 이광자 칼슘 이미징으로 빛·어둠·다가오는 점 자극에 대한 뇌 영역별 신경 활동을 측정했다. 이어 신경세포를 분리해 RNA 시퀀싱으로 어떤 미세엑손이 잘못 됐는지, 어떤 유전자 발현이 바뀌었는지 살폈고, cAMP 신호를 올리거나 내리는 약물을 처리해 행동·전사체가 어떻게 바뀌는지 인과관계를 확인했다.

그 결과, 신경 마이크로엑손 발현 변화는 과각성 상태를 유발해 수영 패턴이 변하고 수면 시간이 감소하는 것으로 나타났다. 행동 변화 외에도 잘못된 스플라이싱이 신경 세포 활동을 조절하는 세포 내 신호물질인 cAMP 수치를 변화시켜 세포의 흥분성을 높이거나 낮춘다는 사실을 발견했다.

화학 억제제로 cAMP를 감소시키면 돌연변이 물고기의 활동이 정상 수준으로 돌아오는 반면 약물로 합성을 유도하거나 분해를 감소시켜 정상 물고기의 cAMP 수치를 높게 유지하면 과각성 행동을 보이는 것으로 나타났다. 즉 cAMP가 각성 행동을 주도하는 핵심 요소임을 확인해 주는 것으로 cAMP가 인체의 각성 상태를 조절하는 온도조절기 역할을 한다는 의미다.

연구를 이끈 마누엘 이리미아 스페인 폼페우 파브라대 교수는 “이번 연구에서 밝혀낸 메커니즘이 인간에게도 똑같이 적용될지는 추가 연구가 필요하지만 수면 장애, 감각 과민성은 자폐스펙트럼증후군이나 조현병 같은 신경학적 장애에서 흔히 나타나며 마이크로엑손 조절에 문제가 생기면서 나타난다고 알려졌다”라고 밝혔다. 이리미아 교수는 “cAMP 매개 각성 경로가 불안증, 우울증과도 연관이 있는 것으로 알려져 있는 만큼 이번 연구로 사람의 각종 신경 장애에 대해서도 새로운 치료법을 발견할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

유용하 과학전문기자