시냅스후 치밀질

신경세포 흥분성시냅스(Excitatory synapse)의 시냅스후 막(Postsynaptic membrane) 표면 및 내부에 위치한 수백 종류의 단백질로 구성된 거대 복합체(Protein complex)를 시냅스후 치밀질이라 한다.

신경세포 화학시냅스(Chemical synapse)는 신경전달물질(Neurotransmitter)을 분비하는 시냅스전(Presynapse)과 신경전달물질에 대한 수용체(Receptor)를 표면에 발현하고 있는 시냅스후(Postsynapse) 구조로 이루어 진다. 화학시냅스는 그 기능적 특성에 따라 다시 억제성시냅스(Inhibitory synapse)와 흥분성시냅스로 분류되며, 이중 흥분성시냅스의 시냅스후 막 표면 및 내부에 위치하는 수백 종류의 단백질로 구성된 거대 복합체를 시냅스후 치밀질이라 한다. 시냅스후 치밀질에 존재하는 단백질들은 흥분성시냅스의 기능과 구조 조절에 있어 핵심적 역할을 한다.

목차

시냅스후 치밀질은 흥분성시냅스의 시냅스후 막 표면 및 내부에 위치한 단백질 복합체이다. 흥분성시냅스의 시냅스후는 신경세포 수상돌기(Dendrite) 표면의 작은 돌기인 수상돌기 가시(Dendritic spine) 구조에 형성된다. 수상돌기 가시는 일반적으로 버섯과 같은 형태를 갖는데, 버섯의 머리에 해당하는 부위가 신경전달물질이 분비되는 시냅스전을 바라보고 있다. 수상돌기 가시 머리부분의 시냅스후 막 표면에는 신경전달물질에 대한 수용체를 포함한 다양한 막단백질이 위치하고 있다. 또한 시냅스후 막 바로 아래쪽 수상돌기 가시 내부에도 수백 종류의 단백질이 존재하는데, 이렇게 시냅스 후 막 표면 및 내부에 위치한 단백질의 거대 복합체를 시냅스후 치밀질이라 부른다.

그림 1. 흥분성시냅스의 구조. 수상돌기 가시 머리부분의 시냅스후 막 내부에 시냅스후 치밀질이 존재한다. (출처: 한국분자·세포생물학회)

시냅스후 치밀질이라는 명칭은 전자현미경을 통한 관찰에서 비롯되었다. 시냅스후 치밀질은 수백 종류의 단백질이 높은 밀도로 모여있는 복합체이기에 전자현미경 사진에서도 그 형태가 어둡고 진하게 뚜렷이 관찰된다.

그림 2. 전자현미경으로 관찰된 화학시냅스의 구조. 시냅스전 내부에 동그란 형태의 시냅스소포가 있으며, 수상돌기 가시(S로 표시됨) 머리 부분의 시냅스후 막 바로 아래에 시냅스후 치밀질(노란 점선 내부)이 검은색으로 뚜렷이 보이고 있다. (출처: SynapseWeb, Kristen M. Harris, PI, http://synapseweb.clm.utexas.edu/)

시냅스후 치밀질은 단순히 수백 종류의 단백질이 모여있는 집합체가 아니다. 생화학적 방법을 통해 시냅스후 치밀질을 뇌조직에서 분리하고, 질량분석기기(Mass spectrometer)를 이용하여 존재하는 단백질의 종류를 정량적으로 분석한 결과, 시냅스 치밀질은 일정한 규칙을 갖고 정교하게 구성된 단백질 집합체임을 이해하게 되었다. 평균적으로 하나의 시냅스후 치밀질에는 400~500 여 종류의 단백질이 존재하며, 특히 CamKII, PSD-95, SynGAP, Shank 등의 특정 단백질들이 많은 양으로 존재한다. 또한 이러한 단백질들 사이에도 정량적인 비례관계가 있는데, 이는 마치 서로 다른 모양의 철근을 이용하여 건물의 뼈대를 만들듯, 시냅스후 치밀질을 구성하는 다양한 단백질이 서로 균형을 맞추어 정교하게 전체 복합체 구조를 형성하고 있음을 의미한다.

시냅스후 치밀질에 존재하는 400~500 여 종류의 단백질은 기능적으로도 매우 다양한 특성을 갖는다. 시냅스후 막 표면에는 신경전달물질 수용체, 시냅스 접합 단백질(Synaptic adhesion protein) 등이 존재하며, 시냅시후 막 내부에는 스카폴드 단백질(Scaffold protein), 다양한 기능의 효소(Enzyme), 신호 단백질(Signaling protein), 세포골격 단백질(Cytoskeletal protein) 등이 존재한다. 이들 단백질은 시냅스후 내외부로부터 전달되는 다양한 신호를 매개하여 시냅스후의 구조와 기능을 정교하게 조절한다.

중요하게도, 자폐증, 조현병, 지적장애 등의 다양한 정신질환 환자에서 발견된 유전적 변이(Genetic variation)의 상당수가 시냅스후 치밀질에 존재하는 단백질을 발현하는 유전자에 존재함이 밝혀지고 있다. 이는 시냅스후 치밀질에 존재하는 단백질의 기능 이상이 정신질환 발병의 중요한 원인이 될 수 있음을 의미한다.

흥분성시냅스(Excitatory synapse), 화학시냅스(Chemical synapse), 시냅스후(Postsynapse), 수상돌기 가시(Dendritic spine)

1. Neuroscience : exploring the brain (Bear, Connors, Paradiso저, 4판, Wolters Kluwer).