빛으로 세포 단백질 조절, 과도한 기억을 비활성화할 수 있어

빛으로 기억을 조절해 PTSD를 비롯한 기억 관련 질환을 완화하거나 치료할 수 있는 가능성이 열렸다. 한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 허원도 교수와 그 연구팀이 밝혀낸 ‘빛을 사용해 과도한 기억 형성을 억제하는 메커니즘’에 의한 결과다.

연구의 핵심은 이렇다. 기억의 형성 단계에서 특정 단백질이 중요한 역할을 하며, 빛을 사용해 생체 조직의 세포를 조절하는 ‘광유전학 기술’로 이 단백질을 정밀하게 제어함으로써, 기억을 활성화하거나 비활성화할 수 있다는 것이다.

기억의 형성과 소멸

우리는 일상에서 오감을 통해 새로운 경험을 얻는다. 경험한 것들은 새로운 기억이 되기도 하고 소멸되기도 한다. 이 과정은 뇌의 ‘해마(hippocampus)’라는 부위에서 관장한다. 해마는 감각 정보와 경험을 받아들여 통합함으로써 기억을 형성하는 역할을 한다. 단기 기억을 장기 기억으로 바꾸거나 특정 위치, 장소를 기억하는데도 중요한 역할을 한다.

해마는 양성 신호(흥분성 신호)와 음성 신호(억제성 신호)가 균형을 맞춰가며 기억을 유지한다. 만약 양성 신호를 조절하는 인자에 문제가 생기면 기억 형성에 장애가 발생한다. 즉, 새로운 경험을 하더라도 잘 기억하지 못하는 증상이다. 반대로 음성 신호를 조절하는 인자에 문제가 생기면 기억 소멸에 장애가 발생한다. 즉, 특정 기억을 잊지 못하고 계속 되풀이되며 과도한 기억으로 남는 것이다.

‘과도한 기억’으로 인한 정신질환

어떤 기억이 잊혀지지 않음으로써 발생하는 문제, 대표적으로 외상 후 스트레스 장애(Post Traumatic Stress Disorder, PTSD)가 있다. 어떤 사건이 세부사항까지 뇌에 강하게 각인됨으로써, 기억이 매우 생생하게 남게 되는 증상이다. 이들은 종종 그 상황을 다시 겪는 것처럼 느끼는 ‘플래시백’ 증상으로 고통 받는다.

이외에 특정 생각이나 기억이 반복적으로 떠오르는 ‘강박 장애(Obsessive Compulsive Disorder, OCD)’, 여러 가지 작은 일들을 과도하게 걱정하는 ‘범불안 장애(Generalized Anxiety Disorder, GAD)’ 등도 기억이 소멸되지 않아 발생할 수 있는 정신적 문제들이다.

광유전학 기술을 활용한 기억 통제

허원도 교수 연구팀이 개발한 광유전학 기술은 ‘빛으로 특정 단백질을 활성화 또는 비활성화’하는 원리다. 연구팀은 세포 내 신호를 전달하는 PLCβ1 단백질이 기억의 형성과 소멸을 조절하는 과정에 중요한 역할을 한다는 점, 그리고 이 단백질이 해마에서 기억 억제자로 작용함으로써 과도한 기억 형성을 억제하는 역할을 한다는 점을 밝혀냈다.

연구팀은 이와 관련한 동물실험을 진행했으며, 이를 통해 PLCβ1 단백질을 결핍시킨 쥐는 과도한 기억을 형성하며 공포 반응이 증가한다는 것, 반대로 해당 단백질을 활성화시킨 쥐는 과도한 공포 반응이 억제된다는 것을 확인했다.

PLCβ1 단백질 결핍으로 나타난 공포 반응은 PTSD 환자가 보이는 증상과 유사하다. 마찬가지로 PLCβ1 단백질을 활성화시키면 그러한 공포 반응을 감소시킬 수 있다는 것이 연구팀이 내린 결론이다.

이번 연구를 통해 PLCβ1 단백질이 기억 형성 단계에서 중요한 역할을 한다는 점이 입증됐다. 한편, 광유전학 기술을 통한 PLCβ1 단백질 제어가 정신질환의 원인을 규명하고 치료하는 도구로 사용될 수 있다는 가능성도 열렸다.

이번 연구는 생명과학과 이진수 박사가 제 1저자로서 수행했으며, 허원도 교수를 교신저자로 하여 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴스(Sciences Advances’에 제출됐다. 2024년 7월호 인쇄판에 실릴 예정이며, 온라인판에는 지난 6월 28일(금) 게재된 바 있다.