HOME > 연구실소개 > 연구실개요
 
연구실 개요 OVERVIEW
본 연구실은 알츠하이머성 치매 (Alzheimer’s disease)를 중심으로 다양한 노화 관련 질환들의 (뇌졸중, 파킨슨병, 당뇨/비만, 관절염, 암) 분자세포생물학적 발병기전을 연구, 새로운 발병기전을 기반으로 한 screening system 구축 및 후보물질 발굴, 그리고 질환 동물모델을 이용한 효능검증을 통해 치료후보물질을 제시하고자 한다. 또한 nanobiotech, bioimaging, drug delivery, bioinformatics 연구팀들과의 공동연구를 통해 특정 질병의 입체적 진단과 치료효능을 극대화 시키는 방법을 연구하고 있다. 다양한 질환들을 무작정 동시에 연구하는 것은 아니다. 특정 질환들 간에는 상당한 수준의 공통적 발병기전이 존재함을 알 수 있다. 알츠하이머성 치매, 파킨슨병, 허혈성 뇌졸중, 당뇨, 류마티스 관절염 등의 질환들 간에는 세포사멸, 염증반응, oxidative stress 와 같은 커다란 공통점들이 존재한다. 이러한 큰 공통점 내의 세부적 공통 작용인자를 발굴/선정하고 이것에 작용하는 약물을 질환 동물모델에 적용하여 즉각적으로 질환과의 연관성을 규명한다. 또한 작용인자의 유전자 변형 동물에 질환을 유도하는 연구를 통해 발병기전에서의 기능을 규명할 수 있다. 우리 연구실에서는 앞서 언급된 다양한 질환 동물모델들뿐만 아니라 관련 유전자 변형 동물모델들 및 이들을 이용한 치료 후보물질들의 유효성 평가방법들이 안정적으로 구축되어 있다. 따라서, 기초적인 병인 기전연구뿐만 아니라 치료물질 발굴 및 효능검증 연구에 이르기까지 전 과정을 효율적으로 수행할 수 있다. 구체적인 예를 들면, 우리 연구실에서는 알츠하이머 질환의 원인물질로 알려진 Aβ의 생성에 관여하는 secretases가 당뇨/비만, 류마티즘, 암, 허혈성 뇌졸중, 심근경색 등에서 중요한 역할을 하고 있다는 사실을 발견하고 이들에 대한 연구를 동시에 진행하고 있다.


 
연구배경 BACKGROUND




알츠하이머 질환(AD)은 급속한 노령인구의 증가와 수명 연장 및 환경문제로 인해 그 수가 앞으로도 매우 급격하게 증가할 것으로 예상된다. 현재 우리나라에는 50만명, 전세계적으로 1500만명 이상의 치매 환자가 있는 것으로 추산된다. 현재 상용되는 치매 치료제는 단순히 증상을 경감시킬 뿐 근본적인 치료제가 아니다. 치매는 매우 복합적이고 원인이 다양한 난치성 질환으로서 기존의 연구방법과는 다른 독창적 개념의 접근 방법이 절실히 요구되고 있다. 치매모델과 치매환자 뇌 조직에서 증가하는 산화스트레스 (oxidative stress) 및 Aβ는 신경세포의 사멸을 유도한다. Aβ는 노화 과정 중에 증가하며, AD 환자들에서 더욱 급격하게 증가된다. AD 환자의 2 % 이내의 경우는 특정 유전자의 돌연변이에 의해서 유발 되고 나머지 대부분의 경우는 아직 그 원인이 불확실하지만, 산화스트레스가 가장 중요한 원인으로 추정되고 있다. 알츠하이머 질환은 크게 60세 이전에 발병하는 가계유적적인 치매 (Familial Alzheimer's Disease; ~2%)와 60세 이후에 발병하는 노인성 치매 (Sporadic Alzheimer's disease; ~98%) 로 구분된다. 가계유전적 치매질환은 APP (Aβ 전구체 단백질) 와 Presenilin (γ-secretase)의 mutation 주요 원인인 이들의 Mutation은 모두 뇌조직에서 비정상적으로 Aβ의 양을 증가시켜 뇌기능을 저해하고 신경조직의 퇴행을 유도한다. 가계유전적 치매나 노인성 치매 환자의 뇌에서 공통적으로 plaque 형태로 과량 침착되며 뇌조직 퇴행의 원인으로 지목된 Aβ는 β-secretase와 γ-secretase가 APP에 순차적으로 작용해 생성된다 (그림 2). AD의 가장 중요한 특징은 뇌신경세포 밖에 침착되는 plaque과 신경세포 내부의 neurofibrilary tangle이 있음. 특히 plaque은 APP 단백질을 잘려서 생성된 40-42개의 아미노산으로 이뤄진 Aβ를 주성분으로 한다. Aβ는 크게 두 종류가 있으며, 그 중 Aβ40는 정상인의 뇌에서도 노화에 따라 증가하지만 높은 신경독성을 지닌 Aβ42는 AD 환자 뇌에서 특이적으로 증가한다. 바로 γ-secretase cleavage에 의해 Aβ42와 Aβ40의 생성이 결정된다 (그림 3)



Aβ42 생성을 결정하는 γ-secretase는 catalytic subunit으로 작용하는 Presenilin을 포함하는 4개의 구성요소들(Presenilin, Nicastrin, Aph-1, Pen-2)로 이루어져 있으며 세포막에 존재하는 매우 특이한 단백질 분해 효소임 (그림 4). β-secretase (BACE1)는 치매 환자의 뇌조직에서 발현이 증가해 있다. 특히, 산화적 스트레스에 의한 BACE1 발현의 증가가 매우 뚜렷하며 이러한 산화스트레스에 의한 BACE1의 발현은 γ-secretase의 활성에 의존적이다 (Jo et al., 2010). AD 환자 뇌조직에서 γ-secretase 활성을 분석한 보고는 거의 없으나, 치매의 위험인자로 알려진 뇌졸중 모델에서는 γ-secretase의 활성이 증가하였으며 이를 억제하면 뇌조직 사멸이 크게 줄어들었음이 밝혀졌다 (Jo et al., 2006). γ-secretase complex 구성요소 중 가장 분자량이 큰 Nicastrin은 γ-secretase substrate receptor로 작용한다 (Shah et al., 2005).


 
연구내용 RESEARCH TOPICS
1. Reconsolidation of two AD theories together: the amyloid hypothesis and the oxidative damage hypothesis



1.1. Oxidative modification of γ-secretase
기존의 연구들은 소수(2%)의 가계유전적 AD (FAD) 환자에서 발견되는 Presenilin과 APP mutation과 그 기전에 대한 연구가 주를 이루고 있으나, 본 연구는 대다수의(~98%) 치매 환자가 속하는 sporadic AD (SAD)의 Aβ 생성기전을 구체적으로 밝히는 것을 목표로 한다. γ-secretase의 catalytic subunit인 Presenilin의 mutation들은 FAD의 가장 흔한 원인으로서 Aβ42의 생성을 증가시킨다. 본 연구는 mutation이 없는 SAD에서 어떻게 Aβ42의 생성이 증가하는 가에 대한 것이다. 특히, SAD의 주요 발병 원인은 노화에 따른 oxidative stress의 증가라고 알려져 있으나 구체적인 분자기전은 전혀 밝혀지지 않았다. 본 연구팀은 MAOS(membrane-associated oxidative stress), 즉 lipid peroxidation이 γ-secretase의 활성 변형을 통해 Aβ 생성을 증가시킴을 밝혔다. 특히 γ-secretase substrate receptor로 작용하는 Nicastrin이 lipid peroxidation product인 HNE에 의해 직접 변형되는 것을 관찰하였다. 본 연구팀이 밝혀낸 oxidatively-modified γ-secretase (Nicastrin)는 FAD에서 발견되는 γ-secretase mutation에 상응할 수 있는 독창적이며 중요한 개념인 동시에 AD 발병에 관한 2가지 주요 가설인 amyoid theory와 oxidative stress theory를 자연스럽게 연결시킬 수 있는 발견이다 (그림 5).



1.2. γ-secretase mediates oxidative stress induced-β-secretase expression
환자 뇌조직을 이용한 secretase 활성연구에서 가장 중요한 점은 시험 뇌조직의 짧은 postmortem interval (PMI) 이다. 미국 켄터키 대학과 NIA와의 공동연구를 통해 3시간 이내의 PMI를 가진 뇌조직을 이용하여 β, γ-secretase activity를 측정하였다. 알츠하이머 환자 뇌조직에서 β-, γ-secretase 모두 활성이 증가하였으며, β-scretase와 γsecretase activity간의 유의성 있는 상관관계를 발견하였다. 이는 β-scretase와 γ-secretase가 연동되어 조절되고 있을 가능성을 시사한다 (그림6). Oxidative stress에 의한 β-secretase (BACE1)의 발현이 γ-secretase inhibitors 에 의해 억제되었다. γ-secretase catalytic subunit인 presenilin1/2 knockout (PS-/-) MEF에서도 oxidative stress에 의한 BACE1 induction이 억제되었다 (Jo et al., 2010).



2. Aβ 생성 secretase 조절물질 발굴 연구
Aβ를 생성하는 secretase 조절유전자 및 조절물질 발굴을 위한 screening 및 assay system 구축하였다. BACE1 promoter-RFP reporter가 균일하게 발현되는 신경세포주를 구축하였다. γ-secretase cleavage-dependent GFP reporter가 일정하게 발현되는 신경세포주 또한 구축하고 있다. 이러한 screening system에 인간 kinase 전체에 해당하는 719개 각각의 kinase siRNA library를 적용하여 secretase 발현 및 활성 조절의 새로운 기전을 찾아낼 것이다. Aβ 생성 secretase 조절 기전 연구를 위해, siRNA library뿐만 아니라, 현재 약으로 쓰이고 있는 FAD-approved chemical drug library 구축을 통해 Drug repositioning 가능성과 함께 secretase 조절기전을 새롭게 밝히고자 한다. 신규 확보한 phytochemical library 검색 및 기확보된 secretase 조절 phytochemical의 대사체와 유사체를 대상으로 secretase 조절능 검색하고 있으며 이 중 2개의 물질은 AD 동물모델을 이용해 효능을 검증할 계획이다.

3. Alzheimer’s disease (AD)에서 microRNA의 기능 연구
miRNA는 ~22 nucleotides로 이뤄진 single-stranded RNA 분자로서 유전자 발현을 제어하는 새로운 물질이며 인간에서는 약 1000종의 miRNA가 밝혀져 있다. AD질환자의 98% 이상의 경우 유전자의 돌연변이가 아닌 다른 여러 가지 복합적인 요인에 의한 것으로 생각되고 있다. 따라서, 한 종류의 miRNA는 여러 개의 유전자들을 조절할 수 있으므로 AD와 같이 요인이 복잡한 질환에 관여할 가능성이 매우 높다. 본 연구에서 모두 동일한 연령대의 신경학적으로 정상인 인간, AD 환자, 그리고 AD의 전조 단계라고 할 수 있는 건망성 경도인지장애 (amnestic mild cognitive impairment (MCI)) 환자의 뇌조직을 이용하여 miRNA array 및 mRNA expression array를 수행하여 MCI와 AD에서 특이적으로 변하는 miRNA를 동정해 냈다. 이렇게 확인된 각각의 miRNA는 그 염기서열을 바탕으로 특정 유전자들의 transcript degradation 또는 translational inhibition으로 이들의 발현을 제어한다. Expression(mRNA) array와 miRNA array 결과의 통합분석을 통해 동정된 miRNA와 타겟 mRNA간의 연관성을 보이는 후보들로 더욱 압축할 수 있다. 이렇게 생물정보학적 연구를 통해 동정된 질환 특이적 miRNA 및 관련 유전자들의 기능을 생화학, 세포생물학적 연구방법과 형질전환동물과 치매동물모델을 이용해 그 기능을 밝혀낼 것이다.

4. Ischemic stroke에서 γ-secretase/Notch 의 기능 연구
최근의 연구결과들에 의하면 허혈성 뇌졸중(ischemic stroke)이 혈관성 치매와 알츠하이머성 치매의 발병에 중요한 요인으로 작용한다. 알츠하이머병의 원인인 Aβ를 생성시키는 본 연구팀은 γ-secretase activity와 Notch 활성화 산물인 NICD의 생성이 허혈성 뇌졸중 동물 모델 (Cerabral ischemia/reperfusion; I/R)에서 증가하는 것을 관찰하였다. γ-secretase inhibitor인 DAPT 또는 DBZ를 허혈성 뇌졸중을 유발시키기 전이나 이후에 처리하여도 신경조직사멸과 신경행동학적 장해가 크게 줄어들었음 관찰하였다 (그림 7). 또한, 허혈성 뇌졸중에 의한 뇌조직의 손상과 신경행동학적 결손이 Notch 발현을 줄인 형질전환 생쥐 (NAS; Notch antisense transgenic)에서 크게 줄어들었다 (그림 8). 이러한 결과는 γ-secretase에 의한 Notch signaling이 허혈성 뇌졸중에서 중요한 기능을 하고 있음을 의미한다.

5. 그 외의 주요 연구내용 OTHER TOPICS
- Rheumatoid arthritis의 조절기전 및 치료제 개발 연구
- 천연물 유래 PTP1B selective inhibitor의 항 당뇨/비만 연구
- 신경세포사멸에서 peptidyl-prolyl cis-trans isomerase 기능 연구
- Notch/γ-secretase가 당뇨/비만에서 가지는 기능 연구
- Alzheimer’s disease 발병기전에서 Notch 신호전달 기능 연구
- Amyloid-β oligomer dynamics 연구




 
수행과제
- 알츠하이머 질환의 원인인 아밀로이드베타 생성에 대한 지질과산화의 기능 연구
- Aβ생성 Secretase 조절물질 발굴 및 조절 기전 연구
- 류마티스 관절염에서 감마-세크리테이즈의 기능 연구
- 알츠하이머 질환의 원인인 아밀로이드베타 생성에 대한 지질과산화의 기능 연구
- 남극 지의류 유래 PTP1B 활성억제물질의 항당뇨 효능연구
- 비만과 당뇨병 발병기작에서 Notch 신호전달의 역할 규명과 치료제로의 이용
- 허혈성 뇌졸중 및 알츠하이머 질환에서 Notch 신호전달의 기능에 관한 연구
- Notch 신호전달에 의한 신경세포사멸 조절 기전 확립