뇌가 정상적으로 활동하기 위해서는 뇌에 존재하는 칼슘이나 포타슘(K⁺, 칼륨) 등 다양한 이온들의 농도가 일정하게 유지되어야 한다.

우리에게는 칼륨이라고 알려져 있는 포타슘 이온은 농도가 갑자기 증가하게 되면 심한 경우 발작이나 경련 등이 일어나고, 반대로 농도가 낮아지면 우울증이나 불안장애가 일어난다. 이처럼 이온의 농도가 미치는 영향은 이미 많은 연구로 밝혀진 반면, 이 이온들이 어떤 통로를 통해 이동하는지는 그동안 오랜 숙제로 남아 있었다.

국내 연구진이 스펀지가 물질을 흡수하듯, 포타슘 이온 농도를 조절하는 통로를 발견했다. 발견된 통로는 뇌의 핵심 기능인 신호전달 물질이 통과하는 통로라는 사실도 추가로 밝혀졌다.

한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스 연구단 황은미 박사팀, 이창준 박사팀과 경상대학교 의과대학 박재용 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 세계적인 연구센터 개발사업 (WCI)과 선도연구센터지원사업 (MRC)의 일환으로 수행되었으며, 네이처 출판 그룹 (Nature Publishing Group; NPG)이 출판하는 세계적 국제학술지인 ‘Nature Communications’온라인 판 2월 5일자에 게재되었다. (논문명 : A disulphide-linked heterodimer of TWIK-1 and TREK-1 mediates passive conductance in astrocytes)

뇌를 구성하는 대표적 세포는 신경세포와 성상교세포이다. 신호 전달이 이루어지는 신경세포가 활성화되기 위해서는 주변의 성상교세포가 스펀지처럼 포타슘 이온을 흡수해야 한다.

포타슘 스펀지 역할은 성상교세포에서만 발견되는 유일한 현상으로, 신경세포 외부의 포타슘이온 농도를 일정하게 유지될 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 문제는 포타슘 이온이 어떤 통로를 통해 이동하는지를 알 수가 없다는 점이다. 
포타슘(K⁺)이란 보통 칼륨이라고도 불리는 은백색의 금속원소. 신경활성을 조절하는 중요한 이온으로, 뇌척수액에서는 2.6~3.0 mmol/L 농도로 유지되고 성상교세포란 신경세포에 영양분이나 신경전달물질 등을 운반하는 비신경 세포의 일종. 신경세포의 위치를 고정하거나 혈액 뇌관문을 형성하는 등 뇌 활동에 중요한 역할을 담당하고 있다.

이온이 이동하는 통로를 밝히기 위해 연구팀은 갓 태어난 생쥐의 뇌에서 성상교세포를 분석하였고, 트윅(TWIK-1)과 트렉(TREK-1) 2개의 이온통로만이 존재함을 알 수 있었다.

이에 연구진은 2개의 이온 통로가 포타슘 스펀지 역할의 핵심이라 생각했다. 유전자 조합 및 바이러스를 활용하여 각각의 이온통로의 활동을 조절한 결과, 2개의 이온통로들은 개별적으로 작용할 때는 기능을 할 수 없다는 것을 확인했다.

이온통로들이 화학적 결합을 통해 새로운 단백질로 합성되어야 이러한 기능이 나타나는 것이다. 
트윅(TWIK-1) 은  최초로 발견된 K2P 이온통로 (두 개의 이온통로구를 가진 포타슘 이온통로) 로서 독립적으로 발현시키면 포유동물의 세포막에 거의 존재하지 못하기 때문에 기능이 없는 채널로 알려졌다. 
트렉(TREK-1)은 두 번째로 발견된 K2P 이온통로로서 다양한 자극에 반응 하여 포타슘을 통과시키며, 세포막 전위를 결정하는 데 관여하고 있다.

그동안 트윅과 트렉은 1996년 이후 차례로 밝혀진 이온통로들이지만, 이 중 트윅은 기능이 없다고 알려져 왔다. 새로운 포타슘 이온통로의 발견은 하나의 이온통로가 하나의 특성을 가진다는 공식을 깨고 다른 종류의 단백질이 결합하여 다양한 다른 역할을 수행할 수 있다는 가능성을 보여준 좋은 예라고 할 수 있다.

한편, 연구팀은 이번에 발견한 이온통로가 글루타메이트가 배출되는 통로라는 사실을 추가로 발견했다. 글루타메이트는 주로 신경세포 말단의 시냅스에서 배출되며, 세포간에 신호를 전달하는 뇌의 핵심적인 요소이다.

최근 연구로 글루타메이트는 성상교세포에서도 배출된다는 사실이 확인되었는데, 이 배출되는 통로 역시 이번에 발견한 이온통로로 밝혀진 것이다. 글루타메이트의 농도가 높으면 신호전달이 잘 된다고 볼 수 있기 때문에, 이동 통로의 발견은 뇌기능 핵심인 신호전달 체계를 규명하는데에도 활용될 것으로 보인다.

논문 제 1 저자인 KIST 황은미 박사는 “이번 연구를 통하여 오랫동안 궁금해 해왔던 포타슘 스펀지 역할의 이온통로를 확인하였으며, 포타슘이온 농도의 조절 실패로 인한 뇌전증, 우울증, 불안장애 등의 신경계 질환에 대한 새로운 치료 가능성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다.