새 뇌세포 지도화 기술, 기억 뉴런의 단백질 생성 패턴 밝혀내

과학자들은 개별 뇌세포가 어떤 단백질을 생성하는지 보여주는 기술을 개발했다. University of California School of Medicine, Scripps Research 및 공동 연구진은 Ribo-STAMP라는 이 방법을 이용해 학습과 기억에 필수적인 뇌 영역인 생쥐 해마의 거의 20,000개 개별 세포 전반에 걸친 단백질 생성 지도를 처음으로 만들었다. 이 연구는 2026년 2월 18일 Nature에 게재됐다.

기억 형성부터 운동 조절에 이르기까지 뇌가 수행하는 모든 기능은 세포가 적절한 시점에 적절한 단백질을 만들어내는 능력에 달려 있다. 그러나 번역 (translation)으로 알려진 이러한 단백질 생성을 서로 다른 유형의 뇌세포 전반에서 직접 측정하는 일은 어려운 과제였다.

"우리는 이 기술이 자폐 스펙트럼 장애, 취약 X 증후군, 결절성 경화증 복합체를 포함한 신경학적 질환이 번역 결함 때문에 발생하는지 여부를 이 분야가 다시 검토할 수 있게 해줄 것이라고 생각한다." 공동 교신저자인 UC San Diego School of Medicine 세포·분자 의학 교수이자 Center for RNA Technologies and Therapeutics 창립 소장인 Gene Yeo의 말이다.

이 방법은 분자 편집 효소를 리보솜에 결합시키는 방식으로 작동한다. 리보솜은 번역을 수행하는 분자 기계다. 리보솜이 각 mRNA 분자를 단백질로 번역하는 동안, 이 효소는 RNA 가닥에 뉴클레오타이드 변화를 만든다. 이후 과학자들은 표준 RNA 시퀀싱을 사용해 어떤 RNA가 변했는지 확인할 수 있다.

이번 연구에서 연구진은 처음으로 Ribo-STAMP를 뇌에 적용했다. 연구팀은 부분적으로 이미 잘 연구돼 있어 결과를 검증할 수 있다는 점 때문에 해마에 초점을 맞췄다.

"이번 연구는 해마를 바라보는 완전히 다른 각도를 제공했고, 우리는 새롭고 흥미로운 사실을 많이 발견했다." 공동 교신저자인 Scripps Research 신경과학 부교수 Giordano Lippi는 이렇게 말했다. "이런 종류의 기초 연구는 결국 뇌질환 발병 시 무엇이 잘못되는지를 이해하는 데 필요하다."

연구진이 생쥐 해마의 거의 20,000개 개별 세포에서 번역을 측정했을 때, 기존에 알려진 내용을 넘어서는 몇 가지 예상 밖의 패턴이 관찰됐다.

가장 놀라운 발견 중 하나는 기억에 중요한 두 유형의 뉴런인 CA1 및 CA3 피라미드 세포를 비교하는 과정에서 나왔다. 기억 회로에서의 역할은 비슷하지만, CA3 뉴런은 CA1 뉴런보다 훨씬 높은 단백질 생성 속도를 보였다. 이 발견은 피라미드 세포 유형들이 이전에 생각했던 것만큼 서로 유사하지 않음을 보여줄 뿐 아니라, 뇌 회로가 기억을 조율하는 방식에서 번역이 중요한 역할을 한다는 점도 시사한다.

이번 연구는 또한 같은 유전자에서 만들어진 서로 다른 mRNA 분자인 아이소폼 (isoform)이 해당 단백질이 얼마나 생성되는지에 어떤 영향을 미치는지도 보여줬다. UC San Diego School of Medicine의 공동 제1저자 Samantha Sison과 Eric Kofman, 그리고 Scripps Research의 Federico Zampa를 포함한 연구진은 해마 뉴런에서 조절 영역이 더 긴 아이소폼이 더 높은 비율로 단백질로 번역되는 경향이 있음을 발견했다. 이 연관성을 더 잘 이해하면 mRNA 전사체의 변이가 질병에 어떻게 기여할 수 있는지 밝히는 데 도움이 될 수 있다.

"이전 연구들은 아이소폼 발현의 변화가 신경학적 질환과 강하게 상관된다는 점을 보여줬지만, 그 이유는 잘 이해되지 않았다." Lippi는 이렇게 말했다. "우리 연구는 세포가 하나의 아이소폼을 다른 아이소폼보다 더 선호한다면, 실제로 단백질 수준을 바꾸고 있을 수 있음을 시사한다."

세포 유형 간 차이를 넘어, 연구진은 개별 뉴런이 "고" 및 "저" 번역 상태로 존재할 수 있으며, 단백질을 만들어내는 속도가 극적으로 다를 수 있다는 사실도 발견했다. 고번역 상태의 뉴런은 뉴런 간 의사소통과 에너지 생산에 관여하는 단백질을 만드는 경향이 있었으며, 이는 번역 상태가 더 활발한 뉴런과 덜 활발한 뉴런을 구분할 수 있음을 시사한다.

과학자들은 흔히 세포에서 어떤 단백질이 만들어지고 있는지 가늠하는 대리지표로 mRNA 수준을 측정한다. 그러나 뇌세포에서는 mRNA 수준과 단백질 사이에 큰 괴리가 존재한다. mRNA는 빠르게 단백질로 전환되기보다 종종 뉴런의 길고 가느다란 돌기에 저장돼, 미리 만들어져 필요할 때 사용할 수 있도록 준비된다.

"단일세포 전사체학 분야가 다양한 조직, 조건, 질환 전반으로 확대됐음에도, 단일 세포에서 mRNA 번역을 측정하는 일은 어려웠다." UC San Diego Sanford Stem Cell Institute Innovation Center 소장이기도 한 Yeo는 이렇게 말했다. "우리는 이 기술이 더 완전한 그림으로 이어지기를 바라며 개발했다."