화학 시냅스의 고해상도 크라이오 전자 단층 촬영 연구: 마우스 해마의 글루타메르기성 시냅스

Core Concepts

화학 시냅스의 분자 구조와 조직을 고해상도로 이미징하여 시냅스 전달 및 가소성의 구조적 기반을 밝히고자 하였다.

Abstract

화학 시냅스는 신경계에서 주요 통신 지점이며 흥분성 또는 억제성 신호 전달을 매개한다.
흥분성 시냅스에서 글루타메이트는 주요 신경전달물질이며, 전presynaptic 소포에서 방출되어 postsynaptic 글루타메이트 수용체(AMPA, NMDA 수용체)에 결합한다.
연구진은 마우스 해마 조직에서 글루타메르기성 시냅스를 표적화하고 AMPA 수용체를 금 나노입자로 표지하는 방법을 개발하였다.
이를 통해 고압 냉동 처리된 조직 내 시냅스의 고해상도 크라이오 전자 단층 촬영을 수행하였다.
시냅스 전후 막, 시냅스 틈새, 금 나노입자로 표지된 AMPA 수용체 등 화학 시냅스의 핵심 구조적 특징을 관찰할 수 있었다.
이 방법은 고정되지 않고 화학적으로 염색되지 않은 원래 상태의 뇌 조직에서 시냅스 구조를 고해상도로 이미징할 수 있게 해준다.

Stats

시냅스 틈새의 너비는 약 20-30 nm이다.
AMPA 수용체와 결합한 금 나노입자 간 거리는 주로 40-100 Å 범위에 분포한다.
AMPA 수용체는 시냅스 후 막으로부터 약 196 ± 22 Å 떨어져 있고, 시냅스 전 막으로부터는 약 70 ± 29 Å 떨어져 있다.

Quotes

"화학 시냅스는 신경계 발달과 기능에 중추적인 역할을 하며 신경학적 질병 및 기능 장애와 관련되어 있지만, 시냅스의 분자 구조는 여전히 잘 알려져 있지 않다."
"이 방법은 고정되지 않고 화학적으로 염색되지 않은 원래 상태의 뇌 조직에서 시냅스 구조를 고해상도로 이미징할 수 있게 해준다."

Key Insights Distilled From

Cryo-electron tomographic investigation of native hippocampal glutamatergic synapses

by Matsui,A., S... at www.biorxiv.org 04-01-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.01.587595v2

Deeper Inquiries

화학 시냅스의 분자 구조와 기능 간의 관계를 더 깊이 있게 이해하기 위해서는 어떤 추가 연구가 필요할까?

화학 시냅스의 분자 구조와 기능 간의 관계를 더 깊이 이해하기 위해서는 다양한 연구가 필요합니다. 먼저, 시냅스에서의 분자 상호작용과 신호전달 메커니즘을 더 자세히 연구하여 시냅스 내부의 단백질 네트워크와 상호작용을 밝히는 것이 중요합니다. 이를 위해 cryo-electron tomography와 같은 고해상도 이미징 기술을 활용하여 시냅스 내부의 분자 구조를 상세히 파악할 수 있습니다. 또한, 화학 시냅스에서의 신호전달 경로와 시냅스 기능을 연결짓는 연구를 통해 시냅스의 기능적 역할을 더 잘 이해할 수 있을 것입니다. 더 나아가, 시냅스의 구조와 기능을 변화시키는 요인들을 연구하여 신경계 질병과의 관련성을 파악하는 것도 중요한 연구 과제입니다.

시냅스 구조와 기능의 변화가 신경계 질병의 발병 기전에 어떤 영향을 미치는지 규명하는 것이 중요할 것 같다. 이를 위해 어떤 접근 방식을 고려해볼 수 있을까?

신경계 질병의 발병 기전과 시냅스 구조 및 기능의 변화 사이의 관련성을 규명하기 위해서는 다양한 접근 방식을 고려할 수 있습니다. 먼저, 질병 모델을 활용하여 신경계 질병의 발병 과정에서 시냅스의 변화를 추적하는 연구가 필요합니다. 이를 위해 현미경 및 이미징 기술을 활용하여 질병 모델에서의 시냅스 구조와 기능을 비교 분석할 수 있습니다. 또한, 유전자 조작 기술을 활용하여 특정 유전자 변이가 시냅스에 미치는 영향을 연구하고, 이를 통해 질병 발병 메커니즘을 규명할 수 있을 것입니다.

화학 시냅스 외에 다른 신경 세포 간 연결 구조(예: 전기 시냅스)의 고해상도 이미징 기술을 개발한다면 신경계 기능 이해에 어떤 새로운 통찰을 제공할 수 있을까?

화학 시냅스 외에 다른 신경 세포 간 연결 구조인 전기 시냅스의 고해상도 이미징 기술을 개발한다면 신경계 기능에 대한 새로운 통찰을 얻을 수 있을 것입니다. 전기 시냅스는 화학 시냅스와는 다른 신호 전달 메커니즘을 가지고 있으며, 뉴런 간의 전기적 신호 전달을 담당합니다. 따라서 전기 시냅스의 구조와 기능을 고해상도로 관찰하고 분석함으로써 뉴런 간의 전기적 상호작용 및 신호 전달 과정을 더 잘 이해할 수 있을 것입니다. 이를 통해 신경계의 기능적 네트워크와 신호 전달 메커니즘에 대한 새로운 통찰을 제공할 수 있을 것으로 기대됩니다.