Acute in vivo proximity labeling for membrane targeted proteomics in neuronal circuits

도시의 교통 시스템이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 오직 정적인 지도만을 보고 있다고 상상해 보십시오. 당신은 도로가 어디에 있는지는 알지만, 사이렌이 울리거나 퇴근 시간 정체가 시작될 때 자동차들이 어떻게 움직이는지는 전혀 알 수 없습니다. 이것이 신경과학자들이 뇌를 연구할 때 직면하는 과제입니다. 그들은 동물이 깨어 있는 상태에서 약물에 반응하는 것과 같이 실제로 무언가를 하고 있을 때, 뇌세포 내부의 단백질 "교통량"이 어떻게 변하는지 보고 싶어 합니다.

지금까지 사용 가능한 도구들은 일 년에 한 번 사진을 찍는 카메라로 질주하는 경주용 자동차를 촬영하려는 것과 같았습니다. 사진이 현상될 때쯤이면 자동차는 이미 차선을 변경했을 것이고, 당신은 경주의 결정적인 순간을 놓치게 됩니다.

새로운 "스마트 태그" 시스템
이를 해결하기 위해, 연구진은 TurboID라고 불리는 효소를 기반으로 한 새로운 도구를 구축했습니다. 이 효소를 특정 벽에만 그림을 그릴 수 있도록 프로그래밍된 첨단 그래피티 아티스트라고 생각하십시오.

• 대상: 도시 전체에 그림을 그리는 대신, 그들은 이 아티스트가 특정 뇌세포의 "울타리"(막)에 위치한 단백질에만 태그를 붙이도록 프로그래밍했습니다.
• 트리거: 이 아티스트는 비오틴(비타민 같은 물질)을 주입하여 특정 신호를 주기 전까지는 잠들어 있습니다. 일단 주입되면, 아티스트는 깨어나서 매우 짧고 정밀한 시간 동안(단 1~2시간) 주변의 단백질에 태그를 붙이기 시작합니다.
• 정밀도: 이것은 마치 특정 길모퉁이에만 90분 동안 비추는 스포트라이트와 같습니다. 그 시간이나 장소를 벗어난 곳에서 일어나는 일은 태그가 붙지 않은 상태로 남습니다.

뇌의 "배선" 매핑하기
연구팀은 의사결정에 관여하는 뇌 부위인 내측 전전두엽 피질(mPFC)에서 이 방법을 사용했습니다. 그들은 단순히 세포체(뉴런의 "본사")만 관찰한 것이 아니라, 태그가 다른 뇌 부위로 연결되는 긴 "케이블"(축삭)을 따라 어떻게 이동하는지도 추적했습니다.

마치 한 도시의 본사에서 보내는 메시지를 태그하여, 동물이 돌아다니는 동안 다른 도시의 지사로 그 메시지를 보내는 데 정확히 어떤 단백질들이 관여했는지 확인할 수 있는 것과 같습니다.

"코카인" 실험
이 시스템이 실시간 변화를 포착할 수 있는지 테스트하기 위해, 연구진은 생쥐에게 코카인을 투여했습니다. 이것은 도시의 교통 시스템에 "패닉 버튼"을 누르는 것과 같습니다.

이 새로운 태깅 방법을 사용하여 그들은 다음을 수행할 수 있었습니다:

1. 어떤 단백질이 세포체에 고유한지, 혹은 축삭 말단에 고유한지를 식별했습니다.
2. 특히 코카인 투여로 인해 세포체 내에서 어떤 단백질이 "업그레이드"되었거나 숫자가 증가했는지 정확히 포착했습니다.

핵심 요약
이 논문은 높은 정밀도로 뇌의 분자 기계 장치를 "스냅샷" 찍는 방법을 소개합니다. 이를 통해 과학자들은 살아있는 행동하는 동물 내에서, 특정 사건이 일어나는 바로 그 순간에 특정 부분의 뉴리온 내에서 어떤 특정 단백질들이 활성화되는지 볼 수 있습니다. 이는 뇌 회로의 기능을 관찰하는 것과 그 순간 내부에서 일어나는 실제 분자 변화를 보는 것 사이의 간극을 메워줍니다.