Brain Sciences

Department of Brain Sciences Department of Brain Sciences

It contributes to improving human welfare and disease treatment by uncovering the basic principles of brain formation, action, and maintenance and identifying the pathological mechanisms of various brain diseases.

Notice from DBS

DGIST 뇌과학과 "슬기로운 뇌!생활" 제 3편 Feb 26, 2024

뇌과학과 홍보 프로그램_제 2편 " 슬기로운 뇌생활 " 안내 Nov 24, 2023

뇌과학과 홍보 프로그램_ " 서울 간다" 안내 Oct 26, 2023

뇌과학과 홍보 프로그램_제 1편 " 슬기로운 뇌생활 " 안내 Sep 26, 2023

ResearchNews We will guide you through a seminar in the Department of Brain Sciences.

2023년 하반기 삼성미래기술육성사업 과제 선정 -DGIST뇌과학과 신경재생 및 퇴행연구실 조용철 교수님-2023년 하반기 삼성미래기술육성사업 과제 선정연구 과제 제목:레귤로노쎄라피(Regulonotherapy)개념 도입을 통한 생명기전조작 및 유전자치료제 개발연구 개요:단일 유전자의 기능 탐구를 통해 얻을 수 있는 지식의 한계를 극복하고자,특정 생명현상에 참여하는 일군의 여러 유전자의 생물정보 흐름,통제 방식 및 제어 인자를 발굴하여,원핵세포(prokaryote)의 오페론(operon)에 상응하는 진핵세포(eukaryote)의 레귤론(regulon)가설 모델이 적용될 수 있는 생명현상을 특정하고,해당 현상의 이상과 연관된 질병을 레귤론병증(regulonopathy)으로 해석하여,유전자변이에 의한 발병 기전을 새로운 관점에서 재정의함을 목표로 함.리보솜병증(Ribosomopathy)등과 같이,단일 기능의 수행에 참여하지만 각각 다른 염색체에 위치하고 각각의 프로모터/인핸서(promoter/enhancer)제어를 받는 개별 유전자들의 서로 다른 변이가,유사한 병증의 표현형으로 귀결되는 경우를 모델로 삼아,개별 유전자들의 대사 및 활성을 관리하고 통제하는 단일 제어인자(modulon)조절을 통한 생명현상 조작 및 응용 기술을 제시하고자 함.2023년12월 선정, 5년간2028년11월까지 수행. May 2, 2024

[대한민국 과학자]고재원 DGIST 뇌과학과 교수 “시냅스 연구로 뇌질환 치료 실마리 찾겠다” 신경세포와 신경세포간 정보를 주고받는 장소인 시냅스가 어떻게 만들어지고 작동하는지, 그리고 시냅스에 문제가 생기면 어떤 뇌질환이 생기는지에 관한 기초신경과학 연구에 매진하고 있습니다.고재원 대구경북과학기술원(DGIST) 뇌과학과 교수는 2000년 한국과학기술원(KAIST) 대학원에 진학한 뒤 김은준 생명과학과 교수(현 석좌교수) 연구실에 합류, 시냅스 연구를 시작하면서 지난 24년간 뇌질환 치료의 실마리를 찾기 위해 외길만을 걸어온 신경과학분야 석학이다.고재원 대구경북과학기술원(DGIST) 뇌과학과 교수고 교수는 KAIST 학부시절 생물학을 전공했지만 대학원에 진학하며 신경과학에 깊이 빠지게 됐다. 신경과학은 당시 국내 연구자가 몇명 안 될 정도로 적고 초기연구단계지만 생물학, 심리학, 화학, 공학, 물리, 철학까지 다양한 분야 융복합 연구가 뒷받침되어야 한다는 점에서 흥미를 끌었다고 한다.시냅스 연구는 박사후 연구원으로 미국 스탠퍼드 의과대학에 재직하면서부터였다. 2013년 인간 생명 활동에 필수인 세포의 물질 운송 메커니즘을 규명해 노벨생리의학상을 수상한 시냅스 연구 권위자 토마스 쥐트호프 교수와 함께 일을 하며 연구에 탄력이 붙었다.국내로 돌아온 그는 연세대 생명시스템대학 생화학과 조교수와 부교수를 거쳐 2017년 2월 DGIST에 부임하면서 자신만의 시냅스 연구를 본격적으로 시작했다. 2022년 6월 과학기술정보통신부가 지원하는 리더연구사업에 선정된 후 시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단도 꾸렸다. 최대 9년간 70억원 내외 연구비를 지원받는다.연구단은 뇌기능을 매개하는 핵심 단위인 뇌 신경세포간 특수 접점구조인 시냅스가 어떻게 만들어지고, 유지되며, 또 변화하는지를 이해해 궁극적으로 뇌 네트워크 특성을 결정하는 법칙을 도출하려고 합니다.고 교수는 신경과학분야에서 오랫동안 풀지 못한 난제에 대한 해답찾기에 나섰다. 시냅스의 구조와 기능을 조절하는 분자 기전을 밝혀냄으로써 알츠하이머, 조현증, 자폐 등 뇌 관련 질환의 발병을 이해하고 더 나아가 치료방법을 발굴하는 궁극적 목표를 달성하겠다는 것이다.조금씩 의미있는 성과가 나오고 있다. 고 교수가 이끄는 연구단은 최근 뇌 신경회로를 구성하는 분자암호가 특정 흥분성 시냅스 특성을 조절해 새로운 사물 위치 기억에 관여한다는 사실을 밝혀냈다. 특성 시냅스 특성을 조절하는 분자 기전을 규명하는 후속연구가 진행되고 있지만 고 교수는 특정 흥분성 시냅스 특성을 정교하게 조율해 관련 뇌발달 장애 치료제 개발에도 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.그는 시냅스의 기능을 조절하는 유전자를 찾기는 매우 어렵다. 단일 시냅스에만 1000~2000개의 유전자가 있고, 유전자 하나를 연구하는데만 수십년이 걸린다. 뇌 연구가 어렵고 많은 시간이 걸린다고 하는 이유라면서 뇌영역과 신경회로, 시냅스에서 보편적으로 적용할 수 있는 분자법칙을 찾는 중장기 목표를 실현할 것이라고 말했다.고 교수는 2011년 청암펠로우십, 2014년 아산의학상 젊은의학자상, 2016년 제20회 젊은과학자상, 2017년 DGIST 최우수학술상, 2022년 DGIST 최우수연구상 등을 수상했다. 차세대 한국과학기술한림원 운영위원 등 다양한 학술단체에서 봉사직책을 맡고 있다.* 원문출처 :https://www.etnews.com/20240314000316 Mar 18, 2024

신경 시냅스 구성 단백질 상분리 거동 규명 (사진)서울대학교 기계공학부 신용대 교수, 대구경북과학기술원 뇌과학과 고재원 교수, 부산대학교 화학과 최정모 교수, 서울대학교 기계공학부 이계현 박사과정(1저자).연구 필요성세포 내부에는 단백질, 핵산과 같은 여러 생체분자들이 모여 응집되는 현상이 자주 관찰된다. 최근 이러한 응집 현상이 물과 기름이 분리되는 것과 유사한 상분리에 의해 이루어짐이 밝혀지고 있다. 세포 내 생체분자들이 상분리하여 이루는 구조를 응집체라고 하며, 응집체는 수십에서 수백 개의 상이한 생체분자들로 구성되어 있다. 특히 신경세포의 시냅스에는 이러한 단백질 응집 현상들이 다양하게 관찰된다. 그러나 응집체를 이루는 각 구성 요소들이 어떻게 상분리 현상에 관여하며, 응집체 형성을 조절하는지에 관한 자세한 기전은 밝혀지지 않았다.연구성과/기대효과본 연구팀은 억제성 시냅스를 구성하는 주요 단백질들을 모델로 하여 여러 생체분자로 구성된 상분리 시스템이 어떻게 열역학적으로 조절되고, 나아가 이러한 거동이 어떻게 억제성 시냅스 형성 과정에 기여하는지 규명하였다. 우선 억제성 시냅스를 이루는 핵심 골격 단백질인 gephyrin의 상분리 거동을 단백질 도메인 단위에서 분석하여, 상분리에 기여하는 주요 분자 기전을 밝혔다. 또한 다른 억제성 시냅스 구성 단백질들이 gephyrin의 상분리 거동을 열역학적으로 각각 상이하게 조절함을 정량적인 수준에서 규명하였다. 본 연구에서 사용한 접근법은 세포 내 다양한 응집체를 분석하는데 적용될 수 있으며, 향후 신경세포 시냅스를 기능적으로 조절하여 관련 뇌질환 치료에 활용할 수 있는 신규 약물을 개발하는데도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.□ 억제성 시냅스 상분리 거동 규명o 서울대학교 공과대학 기계공학부 신용대 교수 연구팀은 대구경북과학기술원(고재원 교수) 및 부산대학교(최정모 교수) 연구진과 함께 신경세포 시냅스의 응집 현상을 일으키는 단백질 상분리 조절 원리를 규명하였다고 밝혔다.o 신경세포 억제성 시냅스에는 골격 역할을 수행하는 gephyrin 단백질, 신경전달물질 수용체 및 접착단백질 등이 국소적으로 응집되어 있다. 본 연구팀은 이들 억제성 시냅스의 주요 구성 요소들의 상분리 거동을 분자 단위에서 분석하였다.o 연구팀은 gephyrin 단백질의 비정형 링커 도메인이 액체-액체 상분리 현상에 중요함을 밝혔다.o 추가적인 신경생물학 실험 및 분자 시뮬레이션을 통하여 링커 도메인에 의한 상분리 조절이 분자 내, 혹은 분자간 전기적 상호작용과 이를 통한 gephyrin 단백질의 구조적 변형에서 발생한다는 사실을 발견하였다.□ 결합 단백질에 의한 스캐폴드 상분리 조절o 연구진은 억제성 시냅스 수용체 등의 구성 요소들과 gephyrin 단백질간의 상호작용 세기 및 방식에 따라 gephyrin 상분리의 열역학적 안정성이 상이하게 조절됨을 밝혔다.o 한발 더 나아가 연구진은 생쥐 뇌 신경세포에서 광유전학적 상분리 제어 시스템을 활용하여, gephyrin 결합 단백질의 국소적인 분포에 의해 신경세포 세포막에 접착된 gephyrin 단백질 상분리가 유도될 수 있음을 입증하였다.o 세포 내부의 다양한 상분리 응집체들이 세포의 대사 및 기능 조절에 핵심적으로 작용하기 때문에, 이번 성과는 향후 이러한 상분리 응집체들의 형성 및 조절 원리를 이해하는데 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.o 본 연구결과는 미국 국립과학원에서 발행하는 세계적인 학술지인 PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)에 게재되었다.□ 연구결과Thermodynamic modulation of gephyrin condensation by inhibitory synapse componentsGyehyun Lee, Seungjoon Kim, Da-Eun Hwang, Yu-Gon Eom, Gyubin Jang, Hye Yoon Park, Jeong-Mo Choi*, Jaewon Ko*, and Yongdae Shin*(Proceedings of the National Academy of Sciences, in press)본 연구팀은 신경세포의 억제성 시냅스에서 핵심적인 골격 단백질로 작동하는 gephyrin의 상분리 거동을 단백질 도메인 단위에서 분석하였다. Gephyrin의 비정형 링커 도메인이 분자 내, 또는 다른 분자 도메인과의 정전기적 상호작용을 통해 상분리에 핵심적인 역할을 수행함을 밝혔다. 나아가 gephyrin과 다른 억제성 시냅스 요소들과의 공발현을 통해 gephyrin의 상분리 거동이 조절될 수 있음을 발견하였다. 또한 광유전학적 상분리 제어 시스템을 이용하여 gephyrin 결합 단백질의 국소적 축적에 의해 gephyrin 상분리가 신경세포 세포막에 유도될 수 있음을 입증하였다.* 원문출처 :https://www.ibric.org/s.do?auggQugnGL Mar 13, 2024

“뇌 신경회로를 구성하는 분자암호를 밝혔다”시냅스 유전자 마이크로 엑손에 의한 흥분성 시냅스 특성과 기억 인지 조절 기전 발견 (왼쪽부터) 고재원 교수, 한경아윤택한 박사- DGIST 고재원 교수 연구단, 시냅스 접착단백질 LAR-RPTP에 의한 신경회로 신호패턴을 구성하는 분자암호인 마이크로엑손 발굴- 단백질 복합체를 대상으로 하는 신규 뇌질환 치료제 개발에 중요한 단서 제공할 것으로 기대돼DGIST(총장 이건우) 뇌과학과 시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단 (센터장: 고재원)은 뇌 신경회로를 구성하는 분자암호를 프로파일링하고, 이 분자암호가 특정 흥분성 시냅스 특성을 조절하여 새로운 사물 위치 기억에 관여함을 발견했다고 27일(화) 밝혔다. 특정 흥분성 시냅스 특성을 정교하게 조율하여 관련 뇌발달 장애 치료제 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.시냅스는 두 신경세포 간의 특수한 연결 부위로, 뇌 기능의 기본 단위이다. 시냅스 단백질은 이러한 연결 부위에서 신경정보를 전달하며, 신경회로를 조절하는 역할을 한다. 특히, 이번 연구에서 집중한 시냅스 접착단백질은 뇌 발달 및 기능에 큰 영향을 미치는 핵심 요소이다.과거에는 시냅스 접착단백질이 어떻게 결합하고, 이 결합을 어떻게 조절하는지에 대해 명확한 이해가 부족했다. 특히, 이러한 단백질이 뇌의 다양한 부분에서 어떤 원리로 작용하며, 뇌 기능에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 정보가 부족했다.고재원 교수 연구팀(시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구단)은 2011년 이후 시냅스 접착 단백질을 중점적으로 연구해왔다. 특히, 전시냅스 접착단백질인 LAR-RPTP 단백질군의 작용 원리와 구조에 대한 연구를 수행해왔다. 이전 연구에서는 특정 마이크로엑손의 상호작용과 구조에 대한 기초를 마련하였으나, 이들이 뇌의 다양한 부분에서 어떻게 작용하는지는 명확하게 알려지지 않았다.본 연구에서는 RNA 시퀀싱(RNA-seq)을 통해 LAR-RPTP 유전자의 핵심 마이크로엑손 두개가 다양한 뇌 영역과 세포 타입, 신경회로에서 어떻게 발현되는지 분석했다. 특히, 기억과 관련된 활동에서 특정 마이크로엑손 레벨의 급증이 관찰되어, 실험쥐가 새로운 환경에 대한 정보를 학습할 때 LAR-RPTP 단백질에 의한 시냅스 접착 경로가 변형됨을 확인했다. 이로써 LAR-RPTP 단백질에 의한 시냅스 접착 경로를 통해 뇌의 특정 기능을 조절할 수 있다는 가능성을 시사했다.LAR-RPTP 단백질은 기존 연구를 통해 다양한 뇌질환들과 연관되어 있는 것으로 확인되었다. 특히, 신경계 유전자들의 마이크로엑손은 기능에 이상이 생길 경우 자폐와 같은 뇌발달 질환을 유발할 수 있다. 본 연구에서 규명한 바에 따르면, 신경회로 특이적 마이크로엑손 변화에 의한 사물 위치 기억 저하는 이러한 뇌발달 질환과 관련이 있을 수 있다. 따라서, 본 연구결과는 LAR-RPTP 마이크로엑손과 연관된 다양한 후시냅스 단백질 복합체를 대상으로 한 신규 뇌질환 치료제 개발에 중요한 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.고재원 연구단장은 본 연구는 핵심 시냅스 조절자인 LAR-RPTP가 실제로 다양한 신경회로 맥락에서 마이크로엑손 분자암호를 활용하여 특정 시냅스 특성을 조절하는지에 대한 핵심단서를 제공한 최초의 논문이다라며, 해당 마이크로엑손 레벨을 정교하게 조절하는 분자 기전을 규명하기 위한 후속연구를 진행하고 있다라고 밝혔다.한편, 이번 연구성과는 DGIST 뇌과학과 한경아 연구교수, 윤택한 박사(뇌과학과 석박사통합과정 졸업)가 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 전문학술지 네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications) [영향력 지수: 16.6]에 2월 22일자로 온라인 게재됐다. 아울러 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구사업, 세종과학펠로우쉽, 그리고 대구경북과학기술원의 미래선도형특성화연구 등의 지원을 받아 수행됐다.연구결과개요Specification of neural circuit architecture shaped by context-dependent LAR-RPTP microexonsKyung Ah Han, Taek-Han Yoon, Jinhu Kim, Ju Sung Lee, Ju Yeon Lee, Gyubin Jang, Ji Won Um, Jong Kyung Kim and Jaewon Ko(Nature Communications, 22th February, 2024)LAR-RPTPs are evolutionarily conserved presynaptic cell-adhesion molecules that orchestrate multifarious synaptic adhesion pathways. Extensive alternative splicing of LAR-RPTP mRNAs may produce innumerable LAR-RPTP isoforms that act as regulatory codes for determining the identity and strength of specific synapse signaling. However, no direct evidence for this hypothesis exists. Here, using targeted RNA sequencing, we detected LAR-RPTP mRNAs in diverse cell types across adult male mouse brain areas. We found pronounced cell-typespecific patterns of two microexons, meA and meB, in Ptprd mRNAs. Moreover, diverse neural circuits targeting the same neuronal populations were dictated by the expression of different Ptprd variants with distinct inclusion patterns of miniexons. Furthermore, conditional ablation of Ptprd meA+ variants at presynaptic loci of distinct hippocampal circuits impaired distinct modes of synaptic transmission and xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-objection-location memory. Activity-triggered alterations of the presynaptic Ptprd meA code in subicular neurons mediates NMDA receptor-mediated postsynaptic responses in CA1 neurons and xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-xss-objection-location memory. Our data provide the evidence of cell-type- and/or circuit-specific expression patterns in vivo and physiological functions of LAR-RPTP microexons that are dynamically regulated.연구결과문답Q. 이번 성과 무엇이 다른가본 연구는 LAR-RPTP 단백질과 다양한 리간드 단백질들과의 결합을 조절하는 기전으로 알려진 대체 스플라이싱을 매개하는 마이크로엑손 발현을 세계 최초로 다양한 뇌영역, 세포 타입, 그리고 신경회로 별로 체계적으로 프로파일링한 연구임. 특히 LAR-RPTP 단백질군 중 PTP의 특정 마이크로엑손이 해마 CA1 영역 내 서로 다른 신경회로에서 특정 흥분성 시냅스 특성을 조절하고, 신규 사물 위치를 기억하는 인지 활동에 관여함을 확인함.Q. 어디에 쓸 수 있나본 연구에서 심화연구했던 PTP 마이크로엑손 관련 생쥐모델과 유사한 형질전환생쥐들을 추가 제작하여 해마 외 다른 뇌영역에서도 유사한 방식으로 분자 암호로 작동하는지 중요한 가이드라인이 될 수 있음.Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는본 연구는 기초연구과제로 실용화를 현재 단계에서 가늠하기는 어려움Q. 연구를 시작한 계기는본 연구단은 지난 10여년간 LAR-RPTP 단백질군의 시냅스 기능을 지속적으로 연구하여 2013 PNAS, 2014 Nat Commun, 2015 PNAS, 2018 J Neurosci, 2020 J Neurosci, 2020 iScience 등의 국제학술지에 관련 내용을 보고하였음. 기존 연구를 통해 LAR-RPTP 단백질군에 의한 시냅스 접착경로를 조절하는 핵심 기전인 선택적 스플라이싱의 심화연구 필요성이 강하게 대두되었음. 2018년 연구단에 박사과정으로 합류한 윤택한 박사가 DNA-PAGE 기법을 최적화하여 RNA-seq 결과를 신뢰도 높게 해석하는 것이 가능하게 되었음. 이를 바탕으로 연구단이 기존에 보유하던 PTP 관련 낙아웃 및 낙인 생쥐를 활용하여 신경회로 특이적으로 PTP 마이크로엑손을 삭제한 효과를 분석할 수 있었음.Q. 어떤 의미가 있는가LAR-RPTP 단백질군은 Neurexin 단백질과 함께 전시냅스 신경세포에서 시냅스 조직을 관장하는 핵심 접착단백질임. 해당 인자가 다양한 후시냅스 접착단백질들과 신경회로 특성을 결정하는데 관여할 것으로 예상되어진 마이크로엑손이 분자암호임을 증명하고, 그 생리학적 중요성을 실제 in vivo 수준에서 최초로 규명한 연구임. LAR-RPTP 단백질 군 내 서로 다른 단백질들의 마이크로엑손의 다양한 발현 패턴 확인은 해당 분자 암호가 뇌복잡성을 설명할 수 있는 핵심 단서가 될 수 있음을 강하게 시사함.Q. 꼭 이루고 싶은 목표는시냅스 조직화를 구성하는 핵심 인자들을 중심으로 다양한 신경회로/시냅스의 특성을 통합적으로 결정하는 핵심 분자 법칙들을 규명하고자 함.그림설명[그림 1](그림설명)해마 이행부에서 해마 CA1 영역으로 연결되는 신경회로에서 PTP의 특정 마이크로엑손(meA)을 해마 이행부 전시냅스 신경세포에서 삭제시키면 해마 CA1 후시냅스 신경세포의 NMDA 수용체 활성이 증가함. 또한 이러한 NMDA 수용체 활성 변화로 신규 사물 위치를 기억하는 인지 변화가 매개됨. 동물에 특정 공포기억 자극을 가하면 PTP의 meA 마이크로엑손을 포함한 스플라이싱 변이(splicing variant)가 증가하며, 이를 통해 후시냅스 접착단백질과의 시냅스 신호전달 경로가 변경되어 특정 신경회로 내 시냅스 특성을 조절함. 즉, meA 마이크로엑손은 LAR-RPTP 전시냅스 접착단백질이 시냅스/신경회로/특정 행동을 조절하는 핵심 분자암호임.[그림2]뇌 신경회로를 구성하는 분자 암호를 밝혔다 [본 이미지는 Chat GPT 4.0에 의해 생성됨 Feb 28, 2024

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