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RNA의 변화, 학습과 기억의 과정 돕는다
2019-01-30 09:45:42
김효은

수십 년 동안 뇌의 신경과 그 기능에 대한 이해 판도가 바뀌었다. 사람들은 뇌가 정적 기관이며 죽을 때까지 변화를 겪지 않으리라고 믿어왔으나, 최근 뇌가 신경가소성을 통해 구조를 재구성한다는 점을 새롭게 이해하게 되었다. 최근 연구에 따르면, 인간의 뇌는 성인기에도 새로운 뉴런을 생성한다. 지금까지도 연구원들은 새로운 뉴런들이 왜 형성되는지, 또 그 역할은 무엇인지에 관한 정확한 정보를 가지고 있지 않다. 그러나 몇몇 연구진은 새로 형성된 뉴런이 학습과 기억 형성에 필수적이라고 언급한다.

학습은 상대적으로 영구적인 행동 변화를 가져오는 과정이다. 기억은 과거에 일어난 일들을 기록으로 남겨둔다. 시카고대학 의료센터의 연구에 따르면, 학습과 기억에 관련된 특정 생물학적 이론과 뇌 구조들이 존재한다는 점을 시사한다. 그 과정 중 하나는 RNA 변형이다. 연구원들에 의하면, RNA는 세포의 기능을 수행하는 단백질 생산을 조정하기 위해 DNA에 암호화된 지시 사항을 담고 있다. 그러나 이 과정은 때로는 매우 어려우며, DNA나 RNA의 화학적 변형은 유전자가 유전자 서열을 조작하지 않고도 발현되는 방식에 영향을 미칠 수 있다. 변화가 후생적 또는 후전사 과정인 경우, 신경계 개발, 면역 체계 반응, 비만 및 암과 같은 많은 생물학적 과정에 영향을 미칠 수 있다.

해마

해마는 내측 측두엽에 위치하며 학습과 단기 및 장기기억을 담당하는 뇌의 일부이다. 내측 측두엽을 외과적으로 제거한 환자는 순행성 기억상실증과 조어증을 경험한다. 즉, 새로운 기억과 말을 만드는데 어려움을 겪는다는 것이다. 그러나 이 수술은 절차 기억, 말하기, 읽기 또는 쓰기에 영향을 미치지 않는다. 좋은 소식은 바로 뇌에 두 개의 해마가 왼쪽과 오른쪽에 하나씩 있다는 것이다. 어느 쪽이든 손상되면, 다른 하나는 그대로 유지되어 환자의 기억이 정상적으로 기능을 발휘할 수 있다. 해마에서 일어나는 장기 증강은 공간 학습에 관여한다.

▲인간의 두뇌는 학습 및 기억에 관여하는 기관인 해마를 두 개 가지고 있다(사진=ⓒ123RF)

중앙내측 시상

시상은 뇌의 중계소 역할을 수행한다. 만약 시상의 중앙 내측 영역이 손상되면 서술 기억을 잃고 절차 기억은 손상되지 않는다. 이러한 현상은 만성 알코올 환자에게서 볼 수 있다.

메틸화

기억의 형성은 뇌 구조의 섬세한 변화가 필요하다. 학습과 기억이 시냅스의 변형 결과이기 때문에 가능한데, 시냅스들은 신경 세포들이 서로 통신할 수 있도록 효율적인 연결을 제공한다. 이러한 과정 전체에 개입하는 장기적 분자 변화들이 있는데, 이러한 변화들은 메신저 RNA들에 의해 암호화되어 있으며, RNA들은 필요한 구역에서 특정 단백질의 합성을 프로그램하기 위해서는 적절한 시냅스에 전달되어야만 한다.

RNA에 일어나는 변화들은 대부분 이 과정을 통해 일어난다. 메틸화는 메틸기(하나의 탄소와 2개의 수소 원자)라고 불리는 화학 분자가 RNA 또는 DNA 분자에 첨가되는 생화학적 과정이다. 메틸기를 부착시키는 단백질은 쓰기도구, 메틸기를 제거하는 물질은 지우개라 불린다. 메틸화 과정은 변화를 식별할 수 있는 ‘읽기’ 단백질이 없다면 생물학적 효과를 가질 수 없다.

N6-메틸아데노신(m6A)

아데노신 염기의 6번 질소 위치에서의 메틸화를 나타낸다. 꽤 오래 전부터 포유류에서 일어나는 메신저 RNA에 대한 가장 일반적인 변형 형태로 알려져 왔다. 연구 결과에 의하면, 포유류에서는 각 mRNA마다 약 3~5개의 m6A 변형이 발견되고 있다. 최근 다양한 후생유전학적 표지들에 대한 관심이 증가하면서 연구원들은 m6A의 역학 및 포유류에서의 역할을 조사하게 되었다. 신경계에서 주로 발견되는 이 변형은 단백질의 YTH 계열에 있는 독자 단백질을 통해 작용함으로써 신경계의 협응에 도움이 된다는 것이 발견되었다 .

학술지 네이처에 발표된 연구에서 과학자들은 YTHDF1이 학습 및 기억 과정에서 중요한 역할을 하는 방식을 보여주려고 노력했다. YTHDF1은 m6A를 특별히 인식하는 YTH 유전자의 한 인자다. m6A가 학습에 응답하여 어떻게 번역되고 신경세포의 활성을 유도하는지 보여주기 위해 시카고대학 과학자들은 YTHDF1 유전자를 실험쥐에게서 불활성하기 위해 초정밀 유전자 가위 CRISPR/Cas9 유전자 편집 도구를 사용했다.

결과는 정상적인 생쥐와 해당 유전자가 불활성화한 생쥐의 장기기억과 학습에 차이가 있음을 보여주었다. 이것은 m6A 메틸화가 YTHDF1을 통한 학습과 기억에 중요한 역할을 한다는 분명한 지표가 되었다. 변형된 mRNA와 해당 mRNA들이 단백질로 번역되는 과정들은 신경계의 자극에 반응해 증가한다. 이 자극-유도성 번역의 장점은 바로 이 과정이 면역체계와 같은 인체의 다른 시스템에도 적용될 수 있다는 것이다.


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