뇌의 신비를 밝히기 위해서는 뇌가 어떻게 작동하는지 연구하는 것이 중요합니다. 동물의 뇌는 감각기를 통해 주변환경에 대한 정보를 수집, 분석하여 개체의 경험과 생리적 필요에 맞춰 적절한 행동을 취하도록 조종합니다. 분자행동신경학 연구실은 초파리(Drosophila melanogaster) 모델을 이용해 뇌 신경망이 환경적 자극이나 생리적 자극에 반응해 일련의 행동단계들을 생성하는 복잡한 과정들을 분자수준에서 밝히는 연구를 수행하고 있습니다.

 

행동을 조종하는 뇌 신경회로에 관한 연구는 오랫동안 많은 과학자들을 매료시켜온 연구주제이지만, 뇌 신경회로가 행동을 조종하는 과정을 세포 및 분자수준에서 밝히려는 시도는 최근에서야 주요 모델동물을 중심으로 기술적으로 가능해지고 있습니다. 특히 초파리 모델은 분자 유전학적 기법과 신경 생리학적 기법의 유기적 접목이 가능하기 때문에, 많은 연구가 집중되고 있습니다. 특히 최근에는 MONOAMINES 과 NEUROPEPTIDES 등과 같은 신경조절물질(NEUROMODULATOR)의 작용에 의한 행동조절 메커니즘 연구가 주목 받고 있는데, GIST 분자행동신경학 연구실에서는 NEUROPEPTIDES에 의한 행동 조절 메커니즘 연구에 집중하고 있습니다.

 

 

1. 초파리 암컷의 교미 후 행동 변화 (post-mating responses): Sex peptide (SP), Sex peptide receptor (SPR)

초파리 암컷은 짝짓기 이후 생식활동을 위한 상태로의 행동 변화를 보입니다. 여기에는 다른 수컷의 추가적인 구애를 거부하거나 알을 많이 낳는 생식행동의 변화와 음식을 많이 먹거나 영양이 풍부한 먹이를 선호하는 섭식행동의 변화가 포함되는데, 짝짓기를 통해 정자와 함께 수컷으로부터 전달된 SP는 이러한 행동 변화를 유발합니다. SP의 신호전달에 작용하는 수용체로 SPR이 알려져 있으며(Yapici, Kim et al., Nature 2008), 현재 SP-SPR의 상호작용에 의한 신호전달이 초파리 암컷의 뇌에서 어떠한 변화를 일으키는지에 대한 연구를 진행 중입니다.

 

2. 수면 조절인자: Myoinhibitory peptide (MIP), SPR

초파리의 SPR과 유사한 유전자는 대부분의 절지동물이 가지고 있는 반면, 이에 대한 리간드인 SP는 몇몇 초파리과 동물의 유전체에서만 발견됩니다. SPR에 대한 또 다른 리간드인 MIP은 SP와는 달리 SPR 유전자를 가지고 있는 대부분의 동물이 가지고 있으며 암컷의 교미 후 행동변화에는 영향을 미치지 않습니다(Kim et al., PNAS 2010). 본 연구실에서는 MIP-SPR 신호전달이 안정적인 수면을 유지시켜 수면 항상성에 영향을 주고 있음을 밝혀내었고(Oh, Yoon et al., Plos Biol. 2014), 현재 MIP 신경세포가 뇌의 수면상태를 인지하고 이에 반응하여 신경펩타이드를 분비하는 과정에 대한 연구를 진행 중입니다.

 

3. 초파리 암컷의 정자방출행동: Diuretic hormone 44 (Dh44), Corticotrophin releasing factor (CRF)의 초파리 유사체

초파리 암컷은 짝짓기를 통해 받아들인 정자 중의 일부분 만을 저장하며, 저장되지 않은 정자들을 교미 후 1-6 시간 이내에 배출합니다. 본 연구실에서는 Dh44와 Dh44 수용체 (Dh44R1)의 신호전달을 통해 정자방출행동이 조절되고 있음을 밝혀내었습니다(Lee et al., Curr Biol. 2015). Dh44와 Dh44R1이 없는 초파리는 교미 후 정자를 빠르게 배출하고 정상적으로 정자를 저장할 수 없게 되는 반면, Dh44 신호전달의 과활성을 유도하는 경우 정자방출이 늦어집니다. 또한 암컷의 영양상태나 다른 수컷의 구애행동이 정자방출을 조절하고 있음을 확인하였으며, 현재 Dh44 신경세포가 내부의 상태나 외부의 자극에 어떻게 반응하고 정자방출행동을 조절하는지에 대한 연구를 진행 입니다.

 

4. 새로운 신경펩타이드 및 수용체 발굴

본 연구실은 생물정보학을 이용한 초파리 유전체 분석을 통해 초파리과의 동물이 가지고 있는 새로운 신경펩타이드인 natalisin (Jiang, Lkhagva et al, PNAS 2014)과 CNMa (Jung et al., FEBS Lett. 2014)를 찾고 이에 대한 수용체 및 기능을 확인하였습니다.

 

 

 

Yapici, N., Kim, Y.-J. et al. A receptor that mediates the post-mating switch in Drosophila reproductive behaviour. Nature 451, 33–7 (2008).

Kim, Y.-J. et al. MIPs are ancestral ligands for the sex peptide receptor. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107, 6520–5 (2010).

Oh, Y., Yoon, S.-E. et al. A Homeostatic Sleep-Stabilizing Pathway in Drosophila Composed of the Sex Peptide Receptor and Its Ligand, the Myoinhibitory Peptide. PLoS Biol. 12, e1001974 (2014).

Lee, K.-M. et al. A Neuronal Pathway that Controls Sperm Ejection and Storage in Female Drosophila. Curr. Biol. 790–797 (2015). doi:10.1016/j.cub.2015.01.050

Jiang, H., Lkhagva, A. et al. Natalisin, a tachykinin-like signaling system, regulates sexual activity and fecundity in insects. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110, E3526–34 (2013).

Jung, S.-H. et al. Identification of a novel insect neuropeptide, CNMa and its receptor. FEBS Lett. 588, 2037–41 (2014).