신경돌기
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1. 개요
신경돌기는 뉴런에서 뻗어 나오는 돌기로, 신경돌기 발달은 세포 외 및 세포 내 신호의 상호 작용을 통해 이루어진다. 신경돌기는 성장 신호를 감지하는 수용체를 가지며, 네트린, 세마포린, 에프린, 콜라신과 같은 세포 외 신호와 신경영양 인자에 의해 조절된다. 신경돌기 추적을 위한 소프트웨어 키트가 있으며, 약한 전기장과 신경교세포 조직 또한 신경돌기 성장을 유도한다. 신경돌기는 시험관 내 및 생체 내에서 다양한 신호에 의해 극성을 확립하며, 하나의 축삭이 형성된 후 다른 신경돌기가 축삭으로 발달하는 것을 억제하는 기전이 존재한다.
신경돌기 발달(신경돌기 형성)은 세포 내외 신호의 복잡한 상호작용을 필요로 한다. 발달 중인 신경돌기는 주변의 성장 신호를 종합하여 성장 방향을 결정한다.[2] 어린 신경돌기는 미세 소관 묶음으로 채워져 있으며, 신경 성장 인자(NGF)와 같은 신경영양 인자에 의해 자극받는다.[5] 타우 단백질은 미세 소관을 안정화시키고, 세포 골격은 역동적으로 유지된다. 액틴 필라멘트는 축삭 형성에 중요한 역할을 하며, 신경 세포 부착 분자(N-CAM)는 신경돌기 성장을 유도한다.[9]
포유류의 미분화 신경 세포는 배지에 놓이면 성장했던 신경돌기를 모두 퇴축시킨다.[26] 배양 후 0.5일에서 3일 사이에 여러 작은 신경돌기 중 하나가 다른 것보다 크게 신장하여 축삭이 되고, 4일에서 7일 사이에 나머지 신경돌기가 수상돌기로 분화한다.[26] 7일째에는 신경 세포의 극성이 완전히 확립된다.[26]
2. 신경돌기 발달
2. 1. 세포 외 신호
신경돌기 발달(신경돌기 형성)에는 세포 외 신호와 세포 내 신호의 복잡한 상호 작용이 필요하다. 발달 중인 신경돌기의 모든 지점에는 주변 공간의 모든 방향에서 긍정적이고 부정적인 성장 신호를 감지하는 수용체가 있다.[2] 발달 중인 신경돌기는 이러한 모든 성장 신호를 합산하여 신경돌기가 궁극적으로 어느 방향으로 성장할지 결정한다.[2] 모든 성장 신호가 알려진 것은 아니지만, 몇 가지는 확인되고 특성화되었다. 알려진 세포 외 성장 신호 중에는 중선 화학 주성 물질인 네트린, 신경돌기 성장의 억제제인 세마포린, 에프린, 콜라신 등이 있다.[2][3][4]
신경 세포 부착 분자(N-CAM)은 다른 N-CAM 및 섬유아세포 성장 인자 수용체와 동시에 결합하여 해당 수용체의 티로신 키나아제 활성을 자극하여 신경돌기의 성장을 유도한다.[9]
2. 2. 세포 내 신호
신경돌기 발달에는 세포 외 신호와 세포 내 신호의 복잡한 상호 작용이 필요하다. 발달 중인 신경돌기의 모든 지점에는 주변 공간의 모든 방향에서 긍정적이고 부정적인 성장 신호를 감지하는 수용체가 있다.[2] 발달 중인 신경돌기는 이러한 모든 성장 신호를 합산하여 신경돌기가 궁극적으로 어느 방향으로 성장할지 결정한다.[2]
어린 신경돌기는 종종 미세 소관 묶음으로 채워져 있으며, 이는 신경 성장 인자(NGF) 등의 신경영양 인자에 의해 자극된다.[5] 타우 단백질은 미세 소관에 결합하여 미세 소관 절단 단백질로부터 보호함으로써 미세 소관 안정화에 도움을 줄 수 있다.[6] 미세 소관이 안정화된 후에도 뉴런의 세포 골격은 여전히 역동적이다. 액틴 필라멘트는 축삭이 될 신경돌기에서 축삭을 확장하기 위해 미세 소관 묶음을 밖으로 밀어내는 역할을 하며, 이 때 액틴 필라멘트는 역동적인 특성을 유지한다.[7] 그러나 다른 모든 신경돌기에서 액틴 필라멘트는 미오신에 의해 안정화된다.[8] 이는 여러 개의 축삭이 발달하는 것을 방지한다.
신경 세포 부착 분자(N-CAM)는 다른 N-CAM 및 섬유아세포 성장 인자 수용체와 동시에 결합하여 해당 수용체의 티로신 키나아제 활성을 자극하여 신경돌기 성장을 유도한다.[9]
2. 3. 신경돌기 추적
이미지에서 신경돌기 추적을 용이하게 하는 여러 소프트웨어 키트가 있는데, NeuronJ(ImageJ 플러그인)[10], Neuromantic[11], Neurolucida 시스템[12] 등이 있다.
약한 내인성 전기장은 세포체 신경돌기에서 돌기의 성장을 촉진하고 유도하는 데 사용될 수 있으며, 중간 강도의 EF는 쥐 모델과 제노푸스 모델 모두에서 신경돌기 성장을 유도하고 향상시키는 데 사용되었다. 전기적으로 정렬된 신경 교세포 조직과 뉴런의 공동 배양 또한 신경 성장을 촉진하는 신경영양소가 풍부하기 때문에 신경돌기 성장을 유도한다.
2. 4. 전기장 및 신경영양소
발달 중인 신경돌기의 모든 지점에는 주변 공간 모든 방향에서 오는 긍정적, 부정적 성장 신호를 감지하는 수용체가 있다.[2] 발달 중인 신경돌기는 이러한 모든 성장 신호를 종합하여 어느 방향으로 성장할지 결정한다.[2] 모든 성장 신호가 알려진 것은 아니지만, 몇 가지는 확인되었다. 알려진 세포 외 성장 신호에는 중선 화학 주성 물질인 네트린, 신경돌기 성장의 억제제인 세마포린, 에프린, 콜라신 등이 있다.[2][3][4]
어린 신경돌기는 미세 소관 묶음으로 채워져 있으며, 이는 신경 성장 인자(NGF)와 같은 신경영양 인자에 의해 자극된다.[5] 타우 단백질은 미세 소관에 결합하여 미세 소관 절단 단백질로부터 보호함으로써 안정화에 도움을 준다.[6] 미세 소관이 안정화된 후에도 뉴런의 세포 골격은 여전히 역동적이다. 액틴 필라멘트는 축삭이 될 신경돌기에서 축삭을 확장하기 위해 미세 소관 묶음을 밖으로 밀어내는 역동적인 특성을 유지한다.[7] 그러나 다른 모든 신경돌기에서 액틴 필라멘트는 미오신에 의해 안정화된다.[8] 이는 여러 개의 축삭 발달을 방지한다.
신경 세포 부착 분자 N-CAM은 다른 N-CAM 및 섬유아세포 성장 인자 수용체와 동시에 결합하여 해당 수용체의 티로신 키나아제 활성을 자극, 신경돌기 성장을 유도한다.[9]
약한 내인성 전기장은 세포체 신경돌기에서 돌기 성장을 촉진하고 유도하는 데 사용될 수 있으며, 중간 강도의 EF는 쥐 모델과 제노푸스 모델 모두에서 신경돌기 성장을 유도하고 향상시키는 데 사용되었다. 전기적으로 정렬된 신경 교세포 조직과 뉴런의 공동 배양 또한 신경 성장을 촉진하는 신경영양소가 풍부하기 때문에 신경돌기 성장을 유도한다.
3. 극성 확립
성장하는 신경돌기는 생체 내에서 수천 개의 세포 외 신호와 수백 개의 세포 내 경로에 의해 조절되는데, 이들의 경쟁적인 화학 신호가 신경돌기 분화에 미치는 영향은 정확히 밝혀지지 않았다. 세포체에서 처음 돌출된 신경돌기는 60% 확률로 축삭이 되며, 30% 확률로 축삭이 아닌 신경돌기가 먼저 돌출, 10% 확률로 축삭이 될 신경돌기가 다른 신경돌기와 동시에 돌출된다.[26] 작은 신경돌기가 다른 신경 세포의 축삭에 접촉하면 축삭으로 분화한다는 "터치 앤 고(touch and go)" 모델이 제시되었으나, 최초의 축삭 발생은 설명하지 못한다.[26]
축삭 형성은 Rac1 경로, Ras 경로, cAMP-LKB1 경로, 경로를 통해 유도되며, 이 중 하나라도 결손되면 신경 세포가 발생하지 못한다.[26]
하나의 축삭이 형성된 후, 다른 신경돌기가 축삭이 되는 것을 막는 전반적 억제(global inhibition)가 일어난다.[26] 이는 장거리 음성 피드백 신호에 의해 달성되는 것으로 추정되지만, 해당 신호 전달 분자는 발견되지 않았다.[26] 다른 가설로는 축삭 성장 인자가 축삭이 될 신경돌기에 축적되면 다른 신경돌기에서는 이 인자가 고갈되어 수상돌기로 성장한다는 기작이 있다.[28]
3. 1. ''In vitro'' (시험관 내)
배양된 상태에 놓인 분화되지 않은 포유류 뉴런은 이미 성장한 모든 신경돌기를 철회한다.[14] 배양에 접종된 후 0.5~1.5일 사이에 몇 개의 작은 신경돌기가 세포체에서 튀어나오기 시작한다.[14] 1.5일에서 3일 사이, 작은 신경돌기 중 하나가 다른 신경돌기보다 상당히 더 빠르게 성장하기 시작한다. 이 신경돌기는 결국 축삭이 된다. 4일에서 7일 사이에 남아있는 작은 신경돌기들은 수상돌기로 분화되기 시작한다.[14] 7일이 되면 뉴런은 기능적인 수상돌기와 축삭을 갖춘 채 완전히 분극된다.[14]
3. 2. ''In vivo'' (생체 내)
신경돌기가 ''생체 내''에서 성장할 때는 수많은 세포 외 신호에 둘러싸여 있으며, 이 신호들은 다시 수백 개의 세포 내 경로에 의해 조절될 수 있다. 이러한 경쟁적인 화학 신호들이 ''생체 내''에서 신경돌기의 최종 분화에 어떤 영향을 미치는지에 대한 메커니즘은 정확히 알려져 있지 않다. 세포체에서 뻗어 나오는 첫 번째 신경돌기가 축삭이 될 확률은 60%이다.[14] 30%의 경우, 축삭이 될 운명이 아닌 신경돌기가 먼저 세포체에서 뻗어 나온다. 10%의 경우, 축삭이 될 신경돌기가 하나 이상의 다른 신경돌기와 동시에 세포체에서 뻗어 나온다.[14] 사소한 신경돌기가 다른 뉴런의 이미 발달된 축삭에 닿을 때까지 밖으로 뻗어 나갈 수 있다는 가설이 제기되었다. 이 시점에서 신경돌기는 축삭으로 분화되기 시작한다. 이것을 "터치 앤 고(touch and go)" 모델이라고 한다.[14] 하지만 이 모델은 첫 번째 축삭이 어떻게 발달했는지는 설명하지 못한다.
축삭 형성을 유도하는 데 관여할 수 있는 어떤 세포 외 신호든 최소 4가지 다른 경로를 통해 전달된다: Rac-1 경로, Ras 매개 경로, cAMP-간 키나아제 B1 경로, 칼슘/칼모듈린 의존성 단백질 키나아제 경로.[14] 이러한 경로 중 하나라도 결핍되면 뉴런이 발달하지 못하게 된다.[14]
하나의 축삭을 형성한 후, 뉴런은 다른 모든 신경돌기가 축삭이 되는 것을 막아야 한다. 이것을 전체 억제라고 한다.[14] 전체 억제는 발달된 축삭에서 방출되어 다른 신경돌기에 흡수되는 장거리 음성 피드백 신호에 의해 이루어진다는 가설이 제기되었다.[15] 하지만 장거리 신호 분자는 발견되지 않았다.[14] 또는 축삭이 될 운명의 신경돌기에서 축삭 성장 인자가 축적되면 기본적으로 축삭 성장 인자가 고갈된다는 가설이 제기되었다. 왜냐하면 이들은 동일한 단백질을 놓고 경쟁해야 하기 때문입니다.[16] 이것은 다른 신경돌기가 축삭이 되기에 충분한 농도의 축삭 성장 인자가 부족하기 때문에 가지돌기로 발달하도록 한다.[16] 이렇게 하면 장거리 신호 분자 없이도 전체 억제 메커니즘이 가능해진다.
4. 관련 인물
- 히라바야시 요시오
참조
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1993-10-22
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