호흡률이 신경발달 속도를 조절한다 ?
인간의 뇌는 아주 천천히 자라는 것으로 알려져 있다 . 생쥐의 경우는 불과 몇 주 동안이면 되는 일이 사람의 경우는 왜 ? 어떻게 ? 몇 년이 걸리는 지는 잘 모르고 있다 . 이런 특징이 인간의 독특한 지적 능력과 어떤 관계가 있는지는 모르지만 , 이 과정에서 미토콘드리아가 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려졌다 . 지난 1 월 26 일에 Science Advances지에 발표된 논문에 따르면 신경의 발달은 미토콘드리아 대사에 의해 조절될 수 있다는 것이 알려졌다 . 신경세포의 성장은 회로가 짜여지는 과정이라고 할 수 있고 그 과정을 조절한다면 회로를 조절할 수 있을 것이며 난치성 뇌질환들을 치료하는 방법으로 응용될 수도 있을 것이다.
이 분야의 전문가인 Pierre Vanderhe aghen 박사의 말에 따르면 , 약 10 여년전에 인간의 신경세포를 성장 중인 생쥐의 뇌에 이식하여 축삭성장속도가 빨라질 것이라고 예상을 했으나 원래대로 느리게 성장하였다 . 즉 , 환경적인 요인에의해 천천히 성장하는게 아니고 원래 세포 안에 내재된 원인이 있다는 것이다. 이에 더해 신경은 발생하는 과정에서 일정한 때에 수상돌기와 시냅스형성 등이 동시에 일어나는 특징이 있다 . 이는 세포 안에 내재된 조절 기작이 존재한다는 것을 말한다 . 최근들어 신경의 발달 이 미토콘드리아에 의존해서 조절된다는 사실이 다른 논문에서 제시되었고 (Iwata et al., 2020) 이들 은 이 가설에 따라 미토콘드리아를 조절하면 신경발달이 조절되는지를 실험해 보았다 .
줄기세포일때는 주로 해당과정 ( glycolysis)을 통한 대사에너지 공급이 이루어진다 . 이는 세포내 구조물들의 building block 을 만들기 위한 과정이기도 하다 . 그러다 분화시기에 이르면 산화적인산화 반응 (oxidative phosphorylation, 미토 콘드리아 에 의한 에너지 공급으로 전환된다 . 이는 신경줄기세포 (neural stem/progenitor 에서도 분화되는 과정에서 glycolytic enzyme 에서 oxidative phosphorylation 에 필요한 효소들로 발현이 전환된다는 사실이 밝혀지기도 했다 . 즉 , 미토콘드리아가 활동을 하지 않을때는 줄기세포가 분열하면서 새로 만들어지고 , 미토콘드리아가 활성화되면 분열이 잠잠해지고 분화의 길로 가게된다는 것이다 (Iwata et al., 2020).
이 실험을 위해 신경세포로 분화하는데 필요한 유전자 NeuroD1 이 발현되는 시점을 분화 시작점으로 보고 신경돌기들의 발달이 어떤 속도로 일어나는지 측정하였다 . 이와 동시에 세포내 미토콘드리아의 활성을 측정하기 위해 oxygraphy 를 이용한 산소흡수량 측정을 실시하였다 . 그 결과 생쥐에서 신경으로 분화를 시작한지 20 일만에 산소 소비량이 인간신경세포에 비해 거의 10 배 증가하는 것으로 나타났다 . 그래서 사람 신경세포에 미토콘드리아 활성을 촉진 시키는 물 질 을 처리하고 몇 주가 지나자 이를 처리하지 않은 신경세포에 비해 훨씬 성숙한 모습을 보여주었다 . 이와는 반대로 생쥐 신경세포의 대사률을 떨어뜨릴 경우 신경이 자라는 속도가 감소한다는 사실도 알아
냈다.
이 연구 결과로 신경의 발달이 너무 느리거나 빨리 일어나기 때문에 생기는 질환들에 대한 치료의 가능성을 볼 수 있었다 . 하지만 연구자들도 미토콘드리아의 기능 조절만으로 모든 문제가 해결될 것 같지는 않다고 말하고 있다 (Motori et al., 2020). 인간의 뇌가 천천히 자라는 것이 인간 만이 가진 독특한 뇌의 지적 능력과 관계 있다고 생각하는 사람들이 많다 . 그렇다면 발생 중인 인간의 뇌에 미토콘드리아의 활성을 조절한다면 인간의 지능에도 영향을 줄 수 있지 않을까 ? 하는 생각을 해본다 . 특히 약물로 이런 신경의 발달을 조절할 수 있다면 지구 어디에선가 이미 이런 실험들이 진행되고 있지 않을까?

<이글은 아래의 글과 논문들을 토대로 작성된 것입니다>
Irving K, 2023, Mitochondrial metabolism dictates neuron’s growth rete. TheScientist, Jan 30.hondrial metabolism dictates neuron’s growth rete. TheScientist, Jan 30.
Iwata R, Casimir P, Vanderhaghen P, 2020, Mitochondrial dynamics in postmitotic cells regulate Neurogenesis. Science 369(6505):858neurogenesis. Science 369(6505):858--862862
Motori et al., Sci. Adv. 2020; 6: eaba8271, 228 Aug 2020.8 Aug 2020.
Petrelli F, Scandella V, Montessult S, et al., 2023, Mitochondrial pyruvate metabolism regulates the activation of quiescent adult neural stem cells. Sci. Adv. 9, eadd5220(2023)activation of quiescent adult neural stem cells. Sci. Adv. 9, eadd5220(2023)