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Research

냄새 물질 농도에 따라 향기와 악취로 느끼고 반응하는 동물의 신경학적 원인 규명

  • 조회. 302
  • 등록일. 2022.01.05
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 김규형·문제일 교수 공동연구팀, 농도 의존적 후각행동 전환에 대한 분자적·신경회로적 기작 규명

 

 [(왼쪽부터) 문제일 뇌·인지과학전공 교수, 최우찬 박사과정생, 김규형 교수]

 

 DGIST(총장 국양) ·인지과학전공 김규형·문제일 교수 공동연구팀은 냄새 물질 농도에 따라 같은 냄새물질이라도 향기와 악취로 느끼고 반응하는 동물의 신경학적 기전을 규명했다고 5() 밝혔다. 향후 인간의 복잡한 후각 처리에 대한 연구에 실마리를 제공할 것으로 기대된다.

 향수는 적당히 뿌리면 향기로 느껴지지만 너무 과하면 악취로 느껴지기도 한다. 이처럼 동물들은 여러 가지 후각물질에 대해 특정 농도에서는 이끌리지만 다른 농도에서는 회피반응을 보인다. 하지만 이와 같은 농도에 따른 후각행동 전환의 분자적 기작에 대해서는 알려진 바가 거의 없다.

 김규형·문제일 교수 공동연구팀은 예쁜꼬마선충(이하 선충)을 이용하여 DMTS(다이메틸트라이설파이드:Dimethyl trisulfide)라는 황화물에 대한 선충들의 후각행동에 대해 연구했다. DMTS는 오래된 김치에서 나는 냄새 성분으로 연구팀은 선충들이 저농도 DMTS 냄새에 대해 선호반응을 보이지만 고농도일 경우에는 회피반응을 보임을 확인했다.

 그렇다면 어떻게 선충은 동일한 황화합물의 농도를 구분해내고 농도에 따라 정반대의 행동양상을 보이게 되는 걸까? 연구팀은 이 DMTS 황화합물의 냄새를 맡지 못하는 돌연변이 선충을 찾아냈고 이 돌연변이는 ‘SRI-14’ 이라는 후각수용체가 망가져있음을 확인했다. 이 후각수용체는 선충의 고농도에 대한 회피반응과 저농도에 대한 선호반응 모두에 필요하다는 것을 밝혔다.

 나아가 연구팀은 이 ‘SRI-14’라는 후각 수용체가 어떤 신경세포에서 기능을 하고 있는지를 알아내기 위해 다양한 유전학 및 신경생물학 실험들을 진행했다. 그 결과, 저농도와 고농도의 DMTS를 각각 감지하는 특정 감각신경세포가 존재함을 찾아냈다.

 예쁜꼬마선충 머리에 위치한 개재신경세포는 인간의 대뇌피질처럼 감각정보를 통합하고 조절하는 기능을 한다. 연구팀은 선충의 개재신경 하나가 DMTS를 감지하는 각각의 감각신경세포에 연결되어 있고 저농도와 고농도의 DMTS 신호를 받아 처리하여 궁극적으로 농도에 따른 적합한 행동을 이끌어 낸다는 것을 규명해냈다.

 이로써 김규형·문제일교수 공동 연구팀은 냄새물질의 농도에 따라 각각 다른 수용체가 존재하여 반대되는 후각행동을 유발한다는 기존의 학설을 깨고 한 개의 수용체가 모든 농도를 감지하고 이 정보가 하위신경회로에서 처리되어 후각행동을 야기한다는 사실을 세계최초로 밝혀냈다.

 본 논문의 공동교신저자인 김규형 교수는 이번 연구를 통해 동물이 어떻게 같은 후각물질의 농도를 구분해 내는가에 대한 질문에 단초를 제시한 획기적인 연구결과를 도출했다, “이 연구가 사람이 동일한 냄새물질에 대해 그 강도를 어떻게 구분해 내는가에 대한 연구와 인간의 복잡한 후각 처리에 대한 연구에 실마리를 제공할 것으로 기대된다고 밝혔다.

 한편 본 연구는 DGIST ·인지과학전공의 최우찬 박사과정생이 제1저자로, 김규형·문제일 교수가 공동교신저자로 참여했으며, 20211213일 생물학 분야 최고 권위 저널 Current Biology에 발표됐다.

 

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연구결과개요 

A single chemosensory GPCR is required for a

concentration-dependent behavioral switching in C. elegans

Woochan Choi, Sang Eun Ryu, YongJin Cheon, Yeon-Ji Park, Seoyeong Kim, Eunhee Kim, JaeHyung Koo, Hongsoo Choi, Cheil Moon, and Kyuhyung Kim

(Current Biology, doi.org/10.1016/j.cub.2021.11.035)

 

동물들은 그들의 안녕과 생존을 위해 수많은 환경 화학물질을 감지하고 구분한다. 또한 단일 화학물질에 대해 동물들은 그 농도에 따라 상반되는 행동 반응을 보일 수 있지만, 이러한 농도 의존적 후각행동 전환의 기초가 되는 기작은 잘 밝혀지지 않았다. 연구팀은 예쁜꼬마선충이 농도에 따라 박테리아에서 유래한 dimethyl trisulfide (DMTS) 물질에 대해 선호 또는 회피반응을 보인다는 것을 밝혔다. 이러한 행동 전환은 두 가지 유형의 감각신경에 의해 매개되며, 두 신경 모두 하나의 G 단백질 연결 수용체 SRI-14를 통해서 DMTS를 감지한다. 또한 이 두 신경의 하위 개재신경이 상이한 글루탐산염 수용체를 통해서 감각신경에서 보내진 농도에 대한 정보들을 해석하고 조절하여 예쁜꼬마선충의 농도에 따른 적합한 행동을 일으킨다는 것을 밝혔다. 따라서, 이 연구는 동물이 단일한 물질에 대해 농도에 따라 상반된 행동을 보일 때 1) 어떻게 다른 종류의 감각신경들이 하나의 G 단백질 연결 수용체를 통하여 동일한 물질의 농도를 구분해 내고, 2) 어떤 방식으로 하위 신경에서 이러한 농도 신호를 처리하여 동물이 정교한 농도 의존적인 후각행동을 보이게 되는지를 규명하였다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

우리는 동일한 화학물질인 3-메틸인돌에 대해 고농도일때는 인분냄새로 느끼지만 낮은 농도일때는 꽃향기로 느끼게 된다. 이와 비슷한 현상이 선충과 초파리 그리고 쥐에서도 나타난다. 동물들은 여러가지 후각물질에 대해 특정 농도에서 이끌리고 다른 농도에서는 회피반응을 보인다. 하지만 이러한 농도 의존적 후각행동 전환의 분자적 기작에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 이 연구는 예쁜꼬마선충을 이용하여 동물이 이러한 농도 의존적 후각 행동을 조절하는 분자적 기전과 신경회로에서의 조절 기전을 규명했다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

후각물질 뿐만 아니라 삼투압, 소금, Ph등 여러가지 물질들에 대해서도 동물들은 그 강도를 구분해 내고 그에 맞는 선천적 행동반응을 보이게 된다. 따라서 이 연구의 발견들은 사람을 비롯한 포유류들이 맛이나 냄새를 느낄 때 화학물질들의 농도를 어떻게 구분해내고 그 정보들이 뇌에서 어떻게 통합되는가에 대한 실마리를 제공해 줄 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

사람이 어떻게 다른 농도의 냄새나 맛을 구분해 내는가를 알기 위해서는 각기 다른 농도를 감지하는 후각 수용체들이 확인하는 후속연구가 필요하다. 또한 본 연구를 통해 오래된 김치에서 발생하는 DMTS 황화합물에 대한 후각수용체를 최초로 밝혔다. 이러한 내용은 조향 혹은 식품 산업에 활용할 수 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

예쁜꼬마선충이 어떤 후각물질에 의해 반응을 보이는지 연구하던 도중 황화합물의 하나인 DMTS에 대해 농도에 따라 상반된 행동을 하는 것을 우연히 발견하였고, 어떤 후각 수용체들이 이러한 상반된 행동을 이끌어내는지 확인하면 재미있을 것 같다고 생각했다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

동물이 어떻게 같은 물질의 농도를 구분해 내는가에 대한 질문에서, 동일한 수용체가 두 종류의 신경세포에 발현하면서 서로 다른 종류의 농도를 감지해 낸다는 것을 최초로 밝혔다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

 이 연구가 사람이 동일한 물질에 대해 그 강도를 어떻게 구분해 내는가에 대한 연구와 인간의 복잡한 후각 처리에 대한 연구에 실마리를 제공했으면 좋겠다.

 

 

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그림설명

[그림 1] DMTS에 대한 농도 의존적 후각 행동을 조절하는 분자적, 신경회로적 기전

이 연구는 예쁜꼬마선충은 박테리아에서 분비되는 DMTS 황화합물에 대해 그 농도에 따라 상이하게 반응한다는것을 밝혔다. 
1. 저농도의 DMTS에 대해 예쁜꼬마선충의 AWC 감각신경세포가 SRI-14라는 후각 수용체를 통하여 DMTS를 감지하고, AWC 후각신경으로부터 온 저농도 DMTS의 신호는 글루탐산 전달물질을 통해서 AIB 개재신경에 전달된다. 이때 AWC로부터 온 글루탐산 신호는 GLR-5 글루탐산수용체를 통해 전달되며 이 신호는 예쁜꼬마선충이 DMTS에 대한 선호 행동을 일으키기 위한 하위 신경들로 전달된다.
2. 고농도의 DMTS에 대해서 AWC 감각신경세포와 ASH 감각신경세포가 동시에 SRI-14 후각 수용체를 통해서 DMTS를 감지하고 이 두 신경은 동시에 글루탐산 신호전달물질을 AIB 개재신경에 전달한다. AIB 개재신경은 GLR-1과 GLR-5 클루탐산 수용체를 통하여 두 신경세포에서 신호를 받아들이게 되지만 두 신경세포에서 동시에 신호가 올 때 AIB 개재신경은 ASH 에서 온 고농도에 대한 정보를 우선적으로 처리한다. 그 결과 예쁜꼬마선충은 고농도에 대한 DMTS에 대해 회피반응을 보이게 된다.  

 

 

 

 

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