도파민 신경세포의 새로운 보호 메커니즘 규명
Nigral dopaminegic PAK4 prevents neurodegeneration in rat models of Parkinson’s disease.
한국연구재단(이사장 조무제)은 김응국 교수(충북대) 교수 연구팀이 인산화 효소*인 PAK4 단백질*이 파킨슨병의 진행을 막을 수 있는 메커니즘을 최초로 규명했다고 밝혔다.
*인산화 효소 : 아데노신 삼인산(ATP)의 말단 인산기를 전달하여 인산 화합물을 만드는 반응을 촉매하는 효소다.
*PAK4 단백질 : 6 개의 p21-activated kinase (PAK) 인산화효소 중 네 번째로 발견된이며 세포의 생존에 중요한 역할을 한다.
파킨슨병은 뇌의 흑질에 분포하는 도파민성 신경세포가 점차 소실되어 가는 퇴행성 신경계 질환이다. 노인성 치매와 함께 대표적인 뇌질환 중 하나이나, 근원적인 치료법은 현재 없는 상태다.
*도파민성 신경세포 : 도파민은 수의적 운동을 조절하는 중요한 뇌 안의 신경전달물질로, 도파민을 합성하고 분비하는 신경세포
연구팀은 도파민 신경세포에 PAK4 인산화 단백질이 존재하고 있으며, 이 단백질은 파킨슨병 환자의 도파민 신경세포에서 정상인에 비해 현저히 감소되어 있음을 최초로 밝혔다.
인위적으로 만든 파킨슨병 모델 쥐에서 PAK4 단백질의 발현이 감소되어 있음을 확인하였으며, 실험동물 쥐의 도파민 신경세포에서 PAK4 단백질의 발현을 감소시키면 파킨슨병이 쉽게 유발되었다. 이러한 사실을 기반으로 파킨슨병 동물모델에 PAK4 유전자 치료를 시행하였을 때 도파민 신경세포보호 및 행동 개선 효과가 관찰되었다.
특히 이번 연구결과는 파킨슨병의 새로운 치료법으로 세계적으로 관심을 받고 있는 유전자 치료법을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 기존의 약물 치료가 증상의 개선을 목표로 하는 데 반해 PAK4 유전자 치료는 도파민 신경세포가 없어지는 것을 막아주는 근본적인 치료를 목표로 한다. 따라서 이 유전자가 지속적으로 발현되면 장기간에 걸쳐 치료효과가 나타나는 장점이 있다. 또한 약물 치료의 부작용을 보완해 줄 수 있는 병합치료도 가능할 것이다.
김응국 교수는 “이 연구는 파킨슨병 동물 모델에서 PAK4 유전자 치료 효과로 도파민 신경세포가 보호되었을 뿐 아니라 개체 수준에서 파킨슨병의 특징적인 행동 이상이 개선되는 효과가 있음을 밝힌 것이다. 향후 후속 연구를 통해 PAK4 유전자 치료법을 사람에게 적용할 수 있다면 파킨슨병의 예방 및 치료에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구성과는 미래창조과학부․한국연구재단의 기초연구사업(선도연구센터지원사업)의 지원을 받아 수행되었으며, 사이언스(Science)의 자매지인 사이언스 트랜스레이셔널 메디슨(Science Trnaslational Medicine) 11월 30일자에 게재되었다.
논문의 주요 내용
논문명, 저자정보
- 논문명 : Nigral dopaminegic PAK4 prevents neurodegeneration in rat models of Parkinson’s disease.
- 저자 정보 : 김응국 교수 (교신저자, 충북대), 원소윤 초빙조교수 (제1저자, 충북대)
논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
퇴행성 뇌질환은 연령에 따라 발병률이 증가하는 대표적인 질환으로 국내의 경우, 운동성 치매로 불리는 ‘파킨슨병 환자’가 10만명 정도 되며 최근 5년간 2만명 이상 증가하였음.
현재는 파킨슨병 환자의 증상을 개선시키는 치료법만이 시행되고 있다. 파킨슨병을 근본적으로 치료하기 위해서는 도파민 신경세포를 보호함으로써 도파민이 지속적으로 분비될 수 있도록 해야 함.
이러한 노력의 일환으로 최근 들어 유전자 치료법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있음.
2. 연구내용
면역염색법을 통해 사람의 도파민 신경세포에 PAK4 단백질이 발현하고 있음을 확인하였음.
파킨슨병 환자의 도파민 신경세포에는 정상인의 도파민 신경세포와 비교했을 때, PAK4 단백질의 발현이 현저하게 감소되어 있음을 밝힘.
실험동물 쥐에서 PAK4 단백질의 발현을 감소시키면 파킨슨병이 쉽게 유발됨을 확인하였음.
파킨슨병 동물 모델에서 PAK4 단백질을 발현시킬 수 있는 유전자 치료를 시행하면 신경세포 보호와 운동기능이 개선되었음.
PAK4에 의한 CREB 전사인자의 활성은 CRTC1*의 인산화에 의해 조절됨을 밝힘.
*CRTC1 : CREB 전사인자를 활성화 시킬 수 있는 보조 단백질임.
3. 연구 성과
사람의 사후 뇌조직에서 면역 염색법을 이용하여 도파민 뇌신경세포에 PAK 단백질이 발현하고 있음을 최초로 밝히고, PAK4 유전자 치료법을 이용하여 도파민신경세포 보호 및 기능 회복 효과를 최초로 확인함.
CRTC1의 인산화에 의한 CREB 전사인자의 새로운 활성 조절 메커니즘을 제시함으로써 이 분야의 학문적 발전에 기여할 수 있음.
향후 후속 연구를 통해 PAK4 유전자 치료법을 사람에게 적용할 수 있다면 파킨슨병의 예방 및 치료에 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
인산화된 형태의 CRTC1은 파킨슨병 진행의 바이오마커로 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
최근 들어 뇌에서 PAK 인산화효소에 대한 연구가 점차 증가하고 있다. 시냅스 생성 이상이나 알츠하이머병의 병인으로 지목되고 있다. 이에 따라 PAK을 표적으로 하는 저해제의 개발도 활발하게 진행 중이다.
뇌에서 PAK 아이소폼 중에서 PAK4에 대한 연구는 발달 과정에서의 역할에 대한 연구를 제외하고 거의 전무하다.
유일한 단서로는 알파-시뉴클레인에 의해 PAK4의 활성이 저해된다는 결과가 나와 있다. 이는 PAK4가 파킨슨병과 관련이 있을 거라는 암시를 주었다.
2. 연구내용
사람의 사후 뇌조직에서 면역 염색법을 이용하여 도파민 뇌신경세포에 PAK4 단백질이 발현하고 있음을 최초로 밝혔다.
파킨슨병 환자의 도파민신경세포에는 정상인의 도파민신경세포와 비교했을 때, PAK4 단백질의 발현이 현저하게 감소되어 있었다(그림1. 참조).
실험동물의 중간뇌 안의 도파민 신경세포에서 PAK4 단백질의 발현을 억제시켰을 때 파킨슨병 유발이 촉진됨을 확인하였다.
PAK4 유전자 치료를 한 파킨슨병 동물모델에서 도파민신경세포의 보호효과가 증가하고 운동 기능이 회복됨을 확인하였다. (한쪽 뇌에 도파민신경세포를 사멸(혹은 기능저하)시킨 동물모델에 도파민분비를 자극하는 암페타민(amphetamine)을 복강내로 투여하면, 도파민신경세포가 사멸(혹은 기능 저하)된 뇌의 방향으로 빙빙 돈다(회전한다). 이 때 PAK4 단백질을 발현시키면 도파민 신경세포의 기능이 회복되어 실험 쥐의 빙빙 도는(회전) 횟수가 감소한다.(그림2. 참조)
PAK4 유전자는 도파민 신경세포에서 발현하고 있는 CREB 전사인자를 활성화하여 뇌 안에 신경영양인자의 분비를 촉진시킨다. 이를 통해 도파민 신경세포를 보호하고 행동 이상을 교정하는 효과가 있음을 확인하였다.
3. 기대효과
이 연구는 PAK4 유전자 치료법을 이용하여 도파민신경세포 보호 및 기능 회복 효과를 세계 최초로 확인하였기에, 향후 후속 연구를 통해 PAK4 유전자 치료법을 사람에게 적용함으로써 파킨슨병의 예방 및 치료에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
PAK4 단백질의 활성을 증진시킬 수 있는 신규 약물의 발굴 및 치료제의 개발은 노인성 뇌질환 치료에 적용함으로써 엄청난 규모의 부가가치를 창출할 수 있을 것으로 기대한다.
CREB 전사인자의 새로운 활성 조절을 규명함으로써 이 분야의 학문적 발전에 기여할 것이다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
알파-시뉴클린이 PAK4 단백질의 활성을 억제한다는 연구 결과를 참고하여, PAK4 단백질이 파킨슨병의 도파민 신경세포 사멸에 관련이 있는지 궁금하여 이 연구를 진행하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
이 연구는 충북대학교 의과대학 김응국 교수 연구팀이 주도하여 실험을 진행하였다. 2014년 초여름에 네이처 메디슨(Nature Medicine)에 처음으로 논문을 투고하였으나, 혹독한 리뷰와 함께 거절당했다. 그러나 여기에서 받은 리뷰는 이 논문의 수정에 많은 도움이 되었다. 1년 이상의 논문 수정을 거쳐 다른 유수 저널에 투고하였으나 내용이 맞지 않다는 이유로 거절당하기 일쑤였다. 잡지의 성격을 잘 파악하는 것도 매우 중요한 요소임을 깨닫게 되었다. 실망감에 좌절하지 않고 최후로 사이언스 트렌스레이셔널 메디슨(Science Translational Medicine)에 투고하여 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 이 잡지에서도 논문 승낙을 받는 데는 무려 1년 이상이 소요되었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
이 연구를 통해 인프라 구축의 중요성을 절감하였다. 본 연구를 위한 필수적인 실험 재료로 파킨슨병 환자의 뇌조직과 파킨슨병 모델을 제작하기 위한 알파-시뉴클레인 바이러스가 필수적이었다. 그러나 국내에서는 이러한 재료를 확보하기가 어려윘다. 다행히 호주의 뇌 조직 은행(Victoria Brain Bank Network) 에서 파킨슨병 환자의 뇌 조직을 제공받았으며 유전적 파킨슨병 동물모델의 제작을 위한 알파-시뉴클레인 바이러스는 마이클 제이 폭스 파킨슨병 재단(Michael J FOX Foundation)에서 기증 받아 연구를 수행할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
PAK4 활성 유전자 치료제를 중뇌 도파민 신경세포에 도입하여 도파민 신경세포 보호 효과 및 운동기능 개선 효과를 관찰하였다. 파킨슨병 관련 신규 치료 표적유전자와 중요한 핵심메커니즘을 제시한 것이다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
후속 연구를 통해 사람에게 적용할 수 있는 PAK4 유전자 치료법을 개발하고 싶다. 이를 위해 중대형 파킨슨 동물 모델을 대상으로 PAK4 유전자 치료 효과를 검증하고 전임상 독성 시험 등을 진행할 것이다. 또한 PAK4 인산효소의 또 다른 생물학적 활성에 대한 기초연구를 진행하고 싶다.
용 어 설 명
1. PAK4 인산화효소
ㅇ p21-activated kinase (PAK)는 인산호효소로 모두 6개의 아이소폼을 갖고 있다. 이중 네 번째로 발견된 PAK4 인산화효소는 다양한 생물학적 활성을 보인다. 특히 세포의 생존에 중요한 역할을 하는 단백질이다.
2. 사이언스 트랜스레이셔널 메디슨 (Science Trnaslational Medicine) 誌
ㅇ 사이언스 트랜스레이셔널 메디슨 (Science Trnaslational Medicine) 지는 생명과학분야 최상위 학술지인 Science지의 자매지중 중개의학 저널이며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 전세계 복합자연과학 분야 (Multidisciplinary sciences) 학술지 중 영향지수 (impact factor 16.2)를 가지고 있다.
3. 파킨슨병
ㅇ 중뇌 흑질에서 선조체에 이르는 도파민 신경세포의 사멸로 인해 신경전달물질인 도파민 생성에 문제가 생겨 발생하며, 느린 운동 , 정지시 떨림, 근육 강직, 굽은 자세 등과 같은 특징적 운동장애를 보인다.
4. 도파민신경세포
ㅇ 도파민은 카테콜아민 계열의 신경전달물질의 하나로, 도파민을 합성하고 분비하는 신경세포들을 도파민신경세포라 한다. 도파민신경세포는 중추신경계에 존재하며, 특히 중뇌의 흑질에 많이 분포되어 선조체로 도파민을 분비한다. 이 부위에서 도파민은 수의적 운동을 조절하는 중요한 신경전달물질로 작용한다. 따라서 도파민 신경세포의 소실이 일어나는 파킨슨병 환자는 운동장애를 보이게 된다.
5. 흑질
ㅇ 기저핵을 구성하는 한 요소로 중뇌에 위치한다. 중뇌의 흑질에 있는 도파민신경세포는 선조체로 축삭을 뻗어 도파민 신경전달물질을 내보낸다.
6. 중뇌
ㅇ 뇌의 한가운데에 있어‘중간뇌’라고 불리며 다리뇌(뇌교)와 숨뇌(연수)와 함께 사람의 생명 유지에 필수적인 뇌줄기를 구성한다. 중뇌의 앞쪽에는 신경섬유다발이 대뇌와 척수를 이어주어서 팔, 다리를 움직이게 하는 운동 기능을 조절하는 역할을 한다. 파킨슨병과 관련된 중요 뇌 부위이다.
7. 유전자 치료법
ㅇ 세포에 유전물질을 도입해서 치료 단백질을 발현함으로써 병을 치료하는 첨단 치료법이다.
8. 알파-시뉴클린(a-synuclein)
ㅇ 신경세포에서 발현되는 단백질로서 이 단백질의 응집 및 축적이 파킨슨병, 루이소체치매 등 뇌질환 발병에 중요한 병인으로 작용한다.
9. 알파-시뉴클린(a-synuclein)
ㅇ 신경세포에서 발현되는 단백질로서 이 단백질의 응집 및 축적이 파킨슨병, 루이소체치매 등 뇌질환 발병에 중요한 병인으로 작용한다.
10. CRTC1
ㅇ CREB 전사인자를 활성화시킬 수 있는 보조 단백질임.
그 림 설 명
(그림 1) 파킨슨 병 환자의 사후 뇌조직에서 PAK4 단백질의 발현 감소
(A, B) 면역블롯 실험을 통해 인산화된 PAK4(pPAK4)와 PAK4 단백질 발현이 감소되어 있음을 확인함. (C) 정상인의 중뇌 조직과 파킨슨병 환자(PD)의 중뇌 조직에서 도파민 신경세포의 마커인 티로신 수화효소(TH) 와 PAK4를 이중염색한 결과임. 파킨슨병 환자의 도파민 신경세포를 정상인과 비교하였을 때, 인산화된PAK4 (D) 와 PAK4 (E)의 발현이 감소되어 있음을 확인함. (F) 파킨슨병 환자의 도파민 신경세포에서 pPAK4/PAK4의 수치가 정상인에서 보다 높게 나옴.
(그림 2) 도파민신경세포에 대한 PAK4의 보호효과
(A,G,H)뇌 수술을 통해 쥐 선조체(Striatum)부위에 활성형의 PAK4 바이러스 주입 후 4주와 6주에 행동분석한 결과임. 행동을 분석하기 위해 암페타민 테스트 (amphetamine test) (H) 와 실린더 테스트 (Cylinder test) (G)를 실시하였음. 활성화된 PAK4 유전자가 발현되면 파킨슨병 동물의 행동이 개선되었음. (B,C,D,E) 활성화된 PAK4 유전자를 주입하면, 6-하이드록실도파민 (6-OHDA)에 의한 도파민 신경세포의 죽음이 방지되는 효과를 관찰하였음. (F) 활성화된 PAK4 유전자를 주입하면, 파킨슨병 쥐에서 도파민(DA)과 도파민 유도체(DOPAC, HVA)의 양의 감소가 억제되었음.
