Micro-RNA을 표적으로 한 알츠하이머병 치료책의 연구 동향
2020-02-25
org.kosen.entty.User@7d3efddb
정선민(sakura8528)
1. 개요
아밀로이드 베타 (Aβ)의 생성과 제거의 불균형은 아밀로이드 베타의 조절실패로 인한 아밀로이드 축적을 야기한다. 축적된 아밀로이드 베타는 알츠하이머병을 야기하는 중요한 원인을 제공한다고 알려져 있다. 최근 Micro-RNA (miRNA)는 생물학적 과정을 조절하는 핵심조절자를 발견하기 위해 많이 이용되어 왔다. miRNA는 유전자의 발현을 조절하는 필수적인 전사 후 조절자로 알려져 있다. 아주 작고, 해독되지 않는 서열을 지닌 이 RNA들은 mRNA의 안정성 및 표적 부위의 3’-UTR에 결합하여 전사를 조절한다. miRNA의 조절장애는 결국 단백질의 발현을 바꾸어 놓으며 생리학적 신호전달에 영향을 주게 되는데, 아밀로이드 베타의 생성 및 제거의 균형파괴가 그 대표적인 예이다. miRNA와 관련된 기작들은 알츠하이머병의 발병기작에 대한 정보를 제공하기도 한다. 알츠하이머병뿐만 아니라 다른 질병에서도 비정상적인 병원선 단백질의 균형유지를 위해 miRNA을 이용한 연구가 이용되고 있다.
본 보고서에서는 miRNA가 아밀로이드 베타의 생성 및 제거에 어떤 연관이 있는지 그동안의 연구결과를 정리해보고, 아밀로이드 베타의 제거를 통해 치료전략으로 이용될 수 있는 miRNA의 연구 동향에 대해 정리해보고자 한다. miRNA의 기작을 이해하는 일은 알츠하이머병의 새로운 치료책을 개발하는 데 도움이 될 수 있다고 생각한다.
2. 주요 내용
2.1. 질병 치료책으로서 microRNA의 이용
오늘날까지 miRNA는 알츠하이머병에서 진단 및 예측 마커로서의 유용할 것으로 알려져 있다. 또한, miRNA을 이용한 치료요법의 개발은 정상적인 miRNA 발현의 회복을 목적으로 한다. 치료적 관점에서 보았을 때, 저해된 종양억제 miRNA는 벡터주입을 통해 해당 miRNA의 발현을 보통수준으로 회복할 수 있다. 반대로 종양유발 miRNA의 과발현은 miRNA 펩타이드 저해를 통해 보통수준으로 활성을 낮출 수 있다. 치료를 위해 주입한 miRNA의 이동은 지질이나 바이러스 입자를 통해 이루어지는데, 이들이 제 목적지에 도달하기 위해서는 혈관뇌장벽 (blood-brain barrier)을 통과해야 한다. 이 한계성을 극복하기 위해서 나노입자를 이용한 전달이 하나의 방법으로 제기되고 있다 [1]. 더 효율적인 miRNA 치료책의 개발을 위해 여러 한계성을 극복하고자 연구되고 있는데, 세포 내 nuclease에 의한 miRNA의 분해 및 낮은 세포내 수용성이 그 대표적인 예이다. miRNA는 비특이적인 효과를 불러올 수 있는데 세포에 독성을 보이고, 면역반응을 일으켜 일부 miRNA만이 효과를 보일 수 있다. miR-34는 암 치료제로 임상 실험이 진행되었으나, 면역반응으로 인한 증세로 인해서 연구가 중단되었다. 이러한 어려움을 극복하고자 알츠하이머병에서 다양한 miRNA관련 연구가 진행되어 왔다. Anti-miR-33는 뇌 특이적으로 발현되는 miR-33을 저해하여 아밀로이드 베타의 발현수준을 감소시켰다.
사람의 유전자 중 80%는 miRNA에 의해 조절되며, 이 중에서 알츠하이머병의 진단마커들이 알려져 있다. 아밀로이드 베타의 제거에 관련된 miRNA 표적들 및 그 기작을 정리하여 소개하고자 한다. 이들은 유비퀴틴 프로테아좀 시스템 (ubiquitin-proteasome system; UPS) 및 자가포식작용, 혈관뇌장벽을 통해 외부로의 배출 등 세부분야로 나누어 알아볼 것이다.
2.2. MiRNA와 유비퀴틴 프로테아좀 시스템 내 표적
UPS는 세포 내 대표적인 단백질 분해 기작이다. 세포 내 70~80%의 단백질이 이 시스템에 의해서 분해, 제거된다. 일단 표적 단백질이 표식이 붙으면, E1, E2, E3를 통한 일련의 과정을 통해서 유비퀴틴 사슬이 추가적으로 단백질에 붙는다. 이렇게 유비퀴틴화된 단백질은 26S 프로테아좀에 의해서 인식되어 분해된다. 프로테아좀은 20S라 하는 효소활성을 띤 부위와, 19S라 하는 조절 인자로 이루어져 있다. 아밀로이드 베타가 프로테아좀에 결합할 수 있는 것을 발견한 뒤로 UPS가 아밀로이드 베타를 제거할 수 있을 것이라고 알려졌다. 실제로 실험을 통해 26S의 활성이 감소하면 아밀로이드 베타의 분해도 감소하는 것을 관찰하였다 [2].
일반적으로 알츠하이머병 환자의 대뇌피질 및 해마에서 E2의 종류 중 하나인 UBE2A가 발현이 감소하였다고 알려져 있다. miR-7의 과발현이 UBE2A의 발현감소를 야기하며, UBE2B 및 UBE2D3와 UBCH10는 miR-455-5p, miR-21-5p, miR-631에 의해 발현이 저해된다고 밝혀졌다. 또한, UBC9의 발현은 miR-30a와 miR-214의 발현에 반비례한다.
E3 ligase의 경우는 miR-375 과발현에 의해서 UBE3A의 발현이 감소하며, 이는 알츠하이머병의 진행에 영향을 준다고 한다. Christie et al. 에 따르면 XIAP는 miR-497와 miR-7에 의해 발현이 저해되며, 이들은 알츠하이머병 환자에서 높은 수준으로 나타나는 것을 보였다. 비슷한 결과로, miR-24의 과발현은 XIAP의 발현을 감소시킨다. 탈유비퀴틴화 효소 (DUB) 중 UCHL1의 발현은 miR-922 및 miR-181에 의해 감소한다고 알려져 있다. UCHL1은 알츠하이머병과 관련된 유일한 DUB로 알려져 있다.
2.3. 자가포식작용
자가포식작용은 세포의 항상성을 유지하고 세포 내 영양분을 재활용할 뿐만 아니라, 불필요한 단백질 및 비정상적인 단백질 및 소기관을 제거하는 역할을 하는 것으로 알려진 기작이다. 자가포식작용은 세포 내의 막으로부터 자가포식체의 막이 형성되고, 이 과정 중 자가포식체가 표적 소기관이나 단백질을 감싸는 형태로 온전한 자가포식체를 이루게 된다. 자가포식체는 리소좀과 융합하여 리소좀에 의해 분해가 진행된다.
다른 소기관의 막들로부터 자가포식체에 필요한 막이 생성되기 시작하는데, 이러한 활성이 시작되기 위해서는 ULK1, ULK2, ATG13, ATG101, FIP200이 관여한다. mTORC1이 기본적으로 자가포식작용을 저해하고 있으며, AMPK이 ULK1을 인산화시킴으로 인해서 mTORC1의 활성이 저해되고 자가포식작용이 시작된다. 자가포식작용의 막이 생성되어 자가포식체가 생성, 리소좀에 의한 분해가 일어나기까지 자가포식작용 초기에 관여하는 단백질들을 ATG라고 하며, LC3는 자가포식체의 막을 구성하는 자가포식체의 표식 역할을 도모한다.
자가포식작용 역시 알츠하이머병의 진행에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 알츠하이머병환자의 뇌에서는 자가포식체가 많이 발현되며, 이는 원활한 자가포식작용에 의한 분해가 저해되어 있음을 보여준다. miR-20a 및 miR-106b는 ULK1의 3’-UTR에 결합하여 자가포식작용을 저해하는 것으로 알려져 있다[3]. miR-376b는 BECN1에 작용하여 mRNA을 감소시키고, 자가포식작용의 저해를 초래한다.
2.4. 단백질 분해효소
아밀로이드 베타는 또한 여러 단백질 분해효소에 의해서도 분해된다고 알려져 있다. Neprilysin (NEP)은 metallopeptidase로 알려져 있으며, NEP가 결여되면 아밀로이드 베타가 축적된다. Neprilysin은 단량체 및 올리고머 형태의 아밀로이드 베타 모두 분해하는 것으로 알려져 있다. 실제 알츠하이머병 환자에서는 neprilysin의 활성이 감소되어 있다.
Myelin basic protein (MBP)은 myelin의 주요 구성 단백질이며, 아밀로이드 베타 40, 42을 분해하는 효소이다. MBP는 아밀로이드 베타의 섬유화를 저해하는 것으로 알려져 있다. Wang et al. 에 따르면 miR-212이 MBP의 발현을 감소시켜 아밀로이드 베타의 축적을 야기한다고 한다 [4].
Matrix metalloproteinases (MMPs)는 수용성 및 섬유화된 아밀로이드 베타 모두를 분해하는 분해효소이다. miR-9은 MMP-14의 3’-UTR에 직접 붙어 전사작용을 저해하고, 발현을 감소시킨다. 이 외에도 다양한 MMP를 표적으로 하여 아밀로이드 베타의 분해에 영향을 주는 miRNA가 알려져 있다.
Angiotensin-converting enzyme (ACE)는 Asp7 와 Ser8 사이의 결합을 끊음으로써 아밀로이드 베타 40의 분해를 유도한다고 알려져 있다. 또한 ACE는 실제 쥐에서 아밀로이드 베타의 축적을 저해하며, ACE의 활성을 저해하면 아밀로이드 베타가 축적되는 것을 관찰하였다.
Cathepsin B는 대부분의 세포에서 리소솜에 존재하는 것으로 알려져 있으며, 리소솜 관련 단백질의 순환에 관여한다. Cathepsin B는 아밀로이드 베타의 분해를 유도할 수 있으며, 미세아교세포에서 아밀로이드 베타의 제거에 필수적인 효소이다. Cathepsin B는 아밀로이드 베타의 Glu11의 카르복실기를 끊어 분해를 유도하며, Cathepsin D의 경우에는 Phe19-Phe20 와 Leu34-Met35의 결합을 끊으며, 실제 알츠하이머병 환자에서 발현이 감소되어 있다. miR-128의 과발현은 Cathepsin B와 Cathepsin D의 발현을 감소시키며, miR-128의 저해는 아밀로이드 베타 42의 분해를 촉진한다.
2.5. 혈액뇌 장벽에서의 아밀로이드 베타의 제거
2.5.1. 수용체를 통한 아밀로이드 베타의 내부로의 이동
RAGE는 뇌 혈관의 표면에 위치하는 수용체이다. RAGE에 결합하는 기질은 여러가지가 있지만 이 중에서는 아밀로이드 베타도 포함된다. RAGE는 아밀로이드 베타의 단량체를 내부로 이동시키는 데 관여한다고 알려져 있다. RAGE가 감소하면 신경세포로 아밀로이드 베타가 침투하는 것을 막을 수 있었으며, RAGE와 아밀로이드 베타의 결합을 감소시키면 아밀로이드 베타의 축적이 감소되었다. 또한 RAGE의 발현이 증가하면 아밀로이드 베타의 축적이 증가하고, 쥐의 인지기능이 악화되었다. 실제 알츠하이머병 쥐 모델에서는 RAGE의 발현이 증가하여 있다.
2.5.2. 수용체를 통한 아밀로이드 베타의 외부로의 이동
LDLR 은 LDLR, VLDLR, LRP1, LRP1B, LRP2, LRP3, LRP4, LRP5, LRP6, LRP8을 포함하는 단백질 종류이다. 이들 수용체는 수용체를 통해 세포내 이입을 담당한다. LDLR의 과발현은 아미로이드 베타의 제거를 촉진한다고 알려져 있다.
초기 연구에서 LRP1은 아밀로이드 베타가 BBB를 통과하여 이동하는데 관려한다고 알려졌으며, 그 이후, BBB통과를 통해서 아밀로이드 베타의 제거할 수 있다고 알려졌다. ApoE는 LRP1을 통한 아밀로이드 베타의 이동을 저해한다. 또한, ApoE는 수용성 아밀로이드 베타의 제거를 저해하는데, 이 때 LRP1에 경쟁적으로 결합하여 저해하게 된다. miR-1908은 ApoE의 mRNA를 감소시키는 것으로 알려져 있으며, 이를 통해서 ApoE에 의한 아밀로이드 베타의 제거를 저해한다.
LRP1은 말초 조직에서 발현되는 것으로 알려져 있는데, 이는 BBB를 통해서 아밀로이드 베타를 혈관을 통해 배출할 것이라고 예측할 수 있다. 실제 간에서는 LRP1의 저해가 아밀로이드 베타의 세포 내 이입을 저해하여 아밀로이드 베타의 제거를 가능하게 하였다.
LRP2 역시 아밀로이드 베타의 BBB에서의 제거에 관여한다고 알려져 있다. LRP2가 역할을 하기 위해서는 ApoJ를 필요로 하는데, 이를 통해서 뇌로부터 아밀로이드 베타를 제거할 수 있다. miR-146a는 LRP2의 mRNA에 작용하여 LRP2의 발현을 저해한다. 또한, miR-146a는 아밀로이드 베타에 노출된 세포사멸을 촉진하여 알츠하이머병의 진행에 기여한다.
2.5.3. 글림프 시스템에 의한 제거
AQP4는 water-channel 단백질이며, 신경아교세포에서 발현된다. 이 단백질은 글림프 시스템을 조절하여 아밀로이드 베타를 제거하는데 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. AQP4는 뇌에서 야기한 수용성 아밀로이드 베타를 제거하는데 관련이 있다. AQP4는 플라크 주변에 발현이 증가되어 있는데, AQP4가 결여되면 글림프 시스템에 의한 아밀로이드 베타의 제거가 감소하였다.
2.6. 수용체를 통한 아밀로이드 베타의 대식작용
대식작용은 면역반응에 필수적인 과정으로, 알츠하이머병 환자에서는 면역반응이 기능장애를 일으키면서 아밀로이드 베타의 정상적인 제거를 힘들게 한다. 비슷한 현상으로 대식세포에 따른 아밀로이드 베타의 제거는 알츠하이머병 환자에서 저해되어 있다.
대식작용에서 역할을 하는 단백질 중에는 Toll 유사 수용체 (TLRs)가 존재하는데, 이는 면역반응의 인지와 연관되어 있다. TLR은 아밀로이드 베타의 섬유화된 형태를 미세아교세포의 활성화를 통해 제거한다. Song et al.에 따르면 TLR2의 유전적 결여는 뇌의 아밀로이드 베타의 양을 증가시키며, 이는 기억력의 감소를 동반하였다 [5]. TLR4의 돌연변이는 아밀로이드 베타를 증가시켰으며, 인지장애를 초래하였다. 따라서 TLR의 mRNA 조절은 아밀로이드 제거를 위한 표적으로 작용할 수 있다. 그 예로, miR-181c는 TLR4의 mRNA를 감소시킨다. 이는 염증반응에 관련된 단백질을 저해하였다.
TREM2는 미세아교세포에서 발현되는 수용체이다. 표면의 수용체는 다양한 기질을 가지며, 이를 통해서 LDL과 결합한 아밀로이드 베타 복합체를 수용할 수 있다. TREM2는 아밀로이드 베타 42의 대식작용을 촉진하였으며, TREM2가 결여된 쥐에서는 아밀로이드 베타의 양이 증가한 것을 관찰하였다. miR-34a는 TREM2의 발현을 억제하는데, 이는 아밀로이드 베타의 축적을 야기하는 것으로 알려져 있다.
Scavenger receptor (SR)는 세포 표면에서 다양한 polyanionic 기질을 수용하는데 관여하는 수용체이다. SR는 A부터 J까지 10가지의 군으로 나누어지는데, SR-A 및 SR-B1은 아밀로이드 베타의 대식작용에 관여한다고 알려져 있다. SR-A의 결여는 미세아교세포의 대식작용을 감소시키고 아밀로이드 베타의 축적을 야기한다. SR-B1은 미세아교세포 및 별아교세포에서 발현되며, 아밀로이드 베타의 제거에 기여한다고 알려져 있다. CD36은 SR-B1 군의 수용체이며, CD36의 결여는 아밀로이드 베타의 대식작용을 저해한다. miR-758-5p는 CD36의 mRNA를 감소시키는데, 이를 통해 콜레스테롤의 흡수를 저해한다고 알려져 있다.
3. 결론
아밀로이드 베타의 제거는 아밀로이드 베타의 생성 못지 않게 뇌의 건강을 위해 중요한 과정이며, EOAD와 LOAD에서 모두 중요한 역할을 한다. 따라서 아밀로이드 베타를 뇌로부터 어떻게 제거하는지를 이해하는 과정은 치료책을 고안하는데 매우 중요한 부분이다. 종합해 보았을 때, 아밀로이드 베타는 다양한 방법으로 제거가 된다. UPS, 자가포식작용, 단백질 분해효소, BBB 통화를 통한 배출, 대식작용 등이 이에 해당한다. 이러한 기작들이 문제가 생기면 아밀로이드 베타의 축적을 촉진하고 결국, 알츠하이머병으로 진행된다. 위에서 언급한 다양한 miRNA들은 다양한 제거기작을 조절하여 아밀로이드 베타의 축적을 야기하였다. 아밀로이드 베타의 제거에 있어서 miRNA가 다양한 mRNA에 작용한다는 사실은 이들이 치료 표적으로서 그만큼 가치가 있다는 것을 보여준다. 반대로, miR-34a, miR-29b와 같은 miRNA는 아밀로이드 베타의 제거를 촉진하는 알츠하이머병 치료제로서 그 가능성을 보여주었다. 앞으로도 miRNA을 이용한 다양한 연구가 진행된다면 직접적인 치료제의 발견뿐만 아니라, 새로운 발병기작의 발견에도 큰 도움이 될 것이라고 생각한다.
아밀로이드 베타 (Aβ)의 생성과 제거의 불균형은 아밀로이드 베타의 조절실패로 인한 아밀로이드 축적을 야기한다. 축적된 아밀로이드 베타는 알츠하이머병을 야기하는 중요한 원인을 제공한다고 알려져 있다. 최근 Micro-RNA (miRNA)는 생물학적 과정을 조절하는 핵심조절자를 발견하기 위해 많이 이용되어 왔다. miRNA는 유전자의 발현을 조절하는 필수적인 전사 후 조절자로 알려져 있다. 아주 작고, 해독되지 않는 서열을 지닌 이 RNA들은 mRNA의 안정성 및 표적 부위의 3’-UTR에 결합하여 전사를 조절한다. miRNA의 조절장애는 결국 단백질의 발현을 바꾸어 놓으며 생리학적 신호전달에 영향을 주게 되는데, 아밀로이드 베타의 생성 및 제거의 균형파괴가 그 대표적인 예이다. miRNA와 관련된 기작들은 알츠하이머병의 발병기작에 대한 정보를 제공하기도 한다. 알츠하이머병뿐만 아니라 다른 질병에서도 비정상적인 병원선 단백질의 균형유지를 위해 miRNA을 이용한 연구가 이용되고 있다.
본 보고서에서는 miRNA가 아밀로이드 베타의 생성 및 제거에 어떤 연관이 있는지 그동안의 연구결과를 정리해보고, 아밀로이드 베타의 제거를 통해 치료전략으로 이용될 수 있는 miRNA의 연구 동향에 대해 정리해보고자 한다. miRNA의 기작을 이해하는 일은 알츠하이머병의 새로운 치료책을 개발하는 데 도움이 될 수 있다고 생각한다.
2. 주요 내용
2.1. 질병 치료책으로서 microRNA의 이용
오늘날까지 miRNA는 알츠하이머병에서 진단 및 예측 마커로서의 유용할 것으로 알려져 있다. 또한, miRNA을 이용한 치료요법의 개발은 정상적인 miRNA 발현의 회복을 목적으로 한다. 치료적 관점에서 보았을 때, 저해된 종양억제 miRNA는 벡터주입을 통해 해당 miRNA의 발현을 보통수준으로 회복할 수 있다. 반대로 종양유발 miRNA의 과발현은 miRNA 펩타이드 저해를 통해 보통수준으로 활성을 낮출 수 있다. 치료를 위해 주입한 miRNA의 이동은 지질이나 바이러스 입자를 통해 이루어지는데, 이들이 제 목적지에 도달하기 위해서는 혈관뇌장벽 (blood-brain barrier)을 통과해야 한다. 이 한계성을 극복하기 위해서 나노입자를 이용한 전달이 하나의 방법으로 제기되고 있다 [1]. 더 효율적인 miRNA 치료책의 개발을 위해 여러 한계성을 극복하고자 연구되고 있는데, 세포 내 nuclease에 의한 miRNA의 분해 및 낮은 세포내 수용성이 그 대표적인 예이다. miRNA는 비특이적인 효과를 불러올 수 있는데 세포에 독성을 보이고, 면역반응을 일으켜 일부 miRNA만이 효과를 보일 수 있다. miR-34는 암 치료제로 임상 실험이 진행되었으나, 면역반응으로 인한 증세로 인해서 연구가 중단되었다. 이러한 어려움을 극복하고자 알츠하이머병에서 다양한 miRNA관련 연구가 진행되어 왔다. Anti-miR-33는 뇌 특이적으로 발현되는 miR-33을 저해하여 아밀로이드 베타의 발현수준을 감소시켰다.
사람의 유전자 중 80%는 miRNA에 의해 조절되며, 이 중에서 알츠하이머병의 진단마커들이 알려져 있다. 아밀로이드 베타의 제거에 관련된 miRNA 표적들 및 그 기작을 정리하여 소개하고자 한다. 이들은 유비퀴틴 프로테아좀 시스템 (ubiquitin-proteasome system; UPS) 및 자가포식작용, 혈관뇌장벽을 통해 외부로의 배출 등 세부분야로 나누어 알아볼 것이다.
2.2. MiRNA와 유비퀴틴 프로테아좀 시스템 내 표적
UPS는 세포 내 대표적인 단백질 분해 기작이다. 세포 내 70~80%의 단백질이 이 시스템에 의해서 분해, 제거된다. 일단 표적 단백질이 표식이 붙으면, E1, E2, E3를 통한 일련의 과정을 통해서 유비퀴틴 사슬이 추가적으로 단백질에 붙는다. 이렇게 유비퀴틴화된 단백질은 26S 프로테아좀에 의해서 인식되어 분해된다. 프로테아좀은 20S라 하는 효소활성을 띤 부위와, 19S라 하는 조절 인자로 이루어져 있다. 아밀로이드 베타가 프로테아좀에 결합할 수 있는 것을 발견한 뒤로 UPS가 아밀로이드 베타를 제거할 수 있을 것이라고 알려졌다. 실제로 실험을 통해 26S의 활성이 감소하면 아밀로이드 베타의 분해도 감소하는 것을 관찰하였다 [2].
일반적으로 알츠하이머병 환자의 대뇌피질 및 해마에서 E2의 종류 중 하나인 UBE2A가 발현이 감소하였다고 알려져 있다. miR-7의 과발현이 UBE2A의 발현감소를 야기하며, UBE2B 및 UBE2D3와 UBCH10는 miR-455-5p, miR-21-5p, miR-631에 의해 발현이 저해된다고 밝혀졌다. 또한, UBC9의 발현은 miR-30a와 miR-214의 발현에 반비례한다.
E3 ligase의 경우는 miR-375 과발현에 의해서 UBE3A의 발현이 감소하며, 이는 알츠하이머병의 진행에 영향을 준다고 한다. Christie et al. 에 따르면 XIAP는 miR-497와 miR-7에 의해 발현이 저해되며, 이들은 알츠하이머병 환자에서 높은 수준으로 나타나는 것을 보였다. 비슷한 결과로, miR-24의 과발현은 XIAP의 발현을 감소시킨다. 탈유비퀴틴화 효소 (DUB) 중 UCHL1의 발현은 miR-922 및 miR-181에 의해 감소한다고 알려져 있다. UCHL1은 알츠하이머병과 관련된 유일한 DUB로 알려져 있다.
2.3. 자가포식작용
자가포식작용은 세포의 항상성을 유지하고 세포 내 영양분을 재활용할 뿐만 아니라, 불필요한 단백질 및 비정상적인 단백질 및 소기관을 제거하는 역할을 하는 것으로 알려진 기작이다. 자가포식작용은 세포 내의 막으로부터 자가포식체의 막이 형성되고, 이 과정 중 자가포식체가 표적 소기관이나 단백질을 감싸는 형태로 온전한 자가포식체를 이루게 된다. 자가포식체는 리소좀과 융합하여 리소좀에 의해 분해가 진행된다.
다른 소기관의 막들로부터 자가포식체에 필요한 막이 생성되기 시작하는데, 이러한 활성이 시작되기 위해서는 ULK1, ULK2, ATG13, ATG101, FIP200이 관여한다. mTORC1이 기본적으로 자가포식작용을 저해하고 있으며, AMPK이 ULK1을 인산화시킴으로 인해서 mTORC1의 활성이 저해되고 자가포식작용이 시작된다. 자가포식작용의 막이 생성되어 자가포식체가 생성, 리소좀에 의한 분해가 일어나기까지 자가포식작용 초기에 관여하는 단백질들을 ATG라고 하며, LC3는 자가포식체의 막을 구성하는 자가포식체의 표식 역할을 도모한다.
자가포식작용 역시 알츠하이머병의 진행에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 알츠하이머병환자의 뇌에서는 자가포식체가 많이 발현되며, 이는 원활한 자가포식작용에 의한 분해가 저해되어 있음을 보여준다. miR-20a 및 miR-106b는 ULK1의 3’-UTR에 결합하여 자가포식작용을 저해하는 것으로 알려져 있다[3]. miR-376b는 BECN1에 작용하여 mRNA을 감소시키고, 자가포식작용의 저해를 초래한다.
2.4. 단백질 분해효소
아밀로이드 베타는 또한 여러 단백질 분해효소에 의해서도 분해된다고 알려져 있다. Neprilysin (NEP)은 metallopeptidase로 알려져 있으며, NEP가 결여되면 아밀로이드 베타가 축적된다. Neprilysin은 단량체 및 올리고머 형태의 아밀로이드 베타 모두 분해하는 것으로 알려져 있다. 실제 알츠하이머병 환자에서는 neprilysin의 활성이 감소되어 있다.
Myelin basic protein (MBP)은 myelin의 주요 구성 단백질이며, 아밀로이드 베타 40, 42을 분해하는 효소이다. MBP는 아밀로이드 베타의 섬유화를 저해하는 것으로 알려져 있다. Wang et al. 에 따르면 miR-212이 MBP의 발현을 감소시켜 아밀로이드 베타의 축적을 야기한다고 한다 [4].
Matrix metalloproteinases (MMPs)는 수용성 및 섬유화된 아밀로이드 베타 모두를 분해하는 분해효소이다. miR-9은 MMP-14의 3’-UTR에 직접 붙어 전사작용을 저해하고, 발현을 감소시킨다. 이 외에도 다양한 MMP를 표적으로 하여 아밀로이드 베타의 분해에 영향을 주는 miRNA가 알려져 있다.
Angiotensin-converting enzyme (ACE)는 Asp7 와 Ser8 사이의 결합을 끊음으로써 아밀로이드 베타 40의 분해를 유도한다고 알려져 있다. 또한 ACE는 실제 쥐에서 아밀로이드 베타의 축적을 저해하며, ACE의 활성을 저해하면 아밀로이드 베타가 축적되는 것을 관찰하였다.
Cathepsin B는 대부분의 세포에서 리소솜에 존재하는 것으로 알려져 있으며, 리소솜 관련 단백질의 순환에 관여한다. Cathepsin B는 아밀로이드 베타의 분해를 유도할 수 있으며, 미세아교세포에서 아밀로이드 베타의 제거에 필수적인 효소이다. Cathepsin B는 아밀로이드 베타의 Glu11의 카르복실기를 끊어 분해를 유도하며, Cathepsin D의 경우에는 Phe19-Phe20 와 Leu34-Met35의 결합을 끊으며, 실제 알츠하이머병 환자에서 발현이 감소되어 있다. miR-128의 과발현은 Cathepsin B와 Cathepsin D의 발현을 감소시키며, miR-128의 저해는 아밀로이드 베타 42의 분해를 촉진한다.
2.5. 혈액뇌 장벽에서의 아밀로이드 베타의 제거
2.5.1. 수용체를 통한 아밀로이드 베타의 내부로의 이동
RAGE는 뇌 혈관의 표면에 위치하는 수용체이다. RAGE에 결합하는 기질은 여러가지가 있지만 이 중에서는 아밀로이드 베타도 포함된다. RAGE는 아밀로이드 베타의 단량체를 내부로 이동시키는 데 관여한다고 알려져 있다. RAGE가 감소하면 신경세포로 아밀로이드 베타가 침투하는 것을 막을 수 있었으며, RAGE와 아밀로이드 베타의 결합을 감소시키면 아밀로이드 베타의 축적이 감소되었다. 또한 RAGE의 발현이 증가하면 아밀로이드 베타의 축적이 증가하고, 쥐의 인지기능이 악화되었다. 실제 알츠하이머병 쥐 모델에서는 RAGE의 발현이 증가하여 있다.
2.5.2. 수용체를 통한 아밀로이드 베타의 외부로의 이동
LDLR 은 LDLR, VLDLR, LRP1, LRP1B, LRP2, LRP3, LRP4, LRP5, LRP6, LRP8을 포함하는 단백질 종류이다. 이들 수용체는 수용체를 통해 세포내 이입을 담당한다. LDLR의 과발현은 아미로이드 베타의 제거를 촉진한다고 알려져 있다.
초기 연구에서 LRP1은 아밀로이드 베타가 BBB를 통과하여 이동하는데 관려한다고 알려졌으며, 그 이후, BBB통과를 통해서 아밀로이드 베타의 제거할 수 있다고 알려졌다. ApoE는 LRP1을 통한 아밀로이드 베타의 이동을 저해한다. 또한, ApoE는 수용성 아밀로이드 베타의 제거를 저해하는데, 이 때 LRP1에 경쟁적으로 결합하여 저해하게 된다. miR-1908은 ApoE의 mRNA를 감소시키는 것으로 알려져 있으며, 이를 통해서 ApoE에 의한 아밀로이드 베타의 제거를 저해한다.
LRP1은 말초 조직에서 발현되는 것으로 알려져 있는데, 이는 BBB를 통해서 아밀로이드 베타를 혈관을 통해 배출할 것이라고 예측할 수 있다. 실제 간에서는 LRP1의 저해가 아밀로이드 베타의 세포 내 이입을 저해하여 아밀로이드 베타의 제거를 가능하게 하였다.
LRP2 역시 아밀로이드 베타의 BBB에서의 제거에 관여한다고 알려져 있다. LRP2가 역할을 하기 위해서는 ApoJ를 필요로 하는데, 이를 통해서 뇌로부터 아밀로이드 베타를 제거할 수 있다. miR-146a는 LRP2의 mRNA에 작용하여 LRP2의 발현을 저해한다. 또한, miR-146a는 아밀로이드 베타에 노출된 세포사멸을 촉진하여 알츠하이머병의 진행에 기여한다.
2.5.3. 글림프 시스템에 의한 제거
AQP4는 water-channel 단백질이며, 신경아교세포에서 발현된다. 이 단백질은 글림프 시스템을 조절하여 아밀로이드 베타를 제거하는데 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. AQP4는 뇌에서 야기한 수용성 아밀로이드 베타를 제거하는데 관련이 있다. AQP4는 플라크 주변에 발현이 증가되어 있는데, AQP4가 결여되면 글림프 시스템에 의한 아밀로이드 베타의 제거가 감소하였다.
2.6. 수용체를 통한 아밀로이드 베타의 대식작용
대식작용은 면역반응에 필수적인 과정으로, 알츠하이머병 환자에서는 면역반응이 기능장애를 일으키면서 아밀로이드 베타의 정상적인 제거를 힘들게 한다. 비슷한 현상으로 대식세포에 따른 아밀로이드 베타의 제거는 알츠하이머병 환자에서 저해되어 있다.
대식작용에서 역할을 하는 단백질 중에는 Toll 유사 수용체 (TLRs)가 존재하는데, 이는 면역반응의 인지와 연관되어 있다. TLR은 아밀로이드 베타의 섬유화된 형태를 미세아교세포의 활성화를 통해 제거한다. Song et al.에 따르면 TLR2의 유전적 결여는 뇌의 아밀로이드 베타의 양을 증가시키며, 이는 기억력의 감소를 동반하였다 [5]. TLR4의 돌연변이는 아밀로이드 베타를 증가시켰으며, 인지장애를 초래하였다. 따라서 TLR의 mRNA 조절은 아밀로이드 제거를 위한 표적으로 작용할 수 있다. 그 예로, miR-181c는 TLR4의 mRNA를 감소시킨다. 이는 염증반응에 관련된 단백질을 저해하였다.
TREM2는 미세아교세포에서 발현되는 수용체이다. 표면의 수용체는 다양한 기질을 가지며, 이를 통해서 LDL과 결합한 아밀로이드 베타 복합체를 수용할 수 있다. TREM2는 아밀로이드 베타 42의 대식작용을 촉진하였으며, TREM2가 결여된 쥐에서는 아밀로이드 베타의 양이 증가한 것을 관찰하였다. miR-34a는 TREM2의 발현을 억제하는데, 이는 아밀로이드 베타의 축적을 야기하는 것으로 알려져 있다.
Scavenger receptor (SR)는 세포 표면에서 다양한 polyanionic 기질을 수용하는데 관여하는 수용체이다. SR는 A부터 J까지 10가지의 군으로 나누어지는데, SR-A 및 SR-B1은 아밀로이드 베타의 대식작용에 관여한다고 알려져 있다. SR-A의 결여는 미세아교세포의 대식작용을 감소시키고 아밀로이드 베타의 축적을 야기한다. SR-B1은 미세아교세포 및 별아교세포에서 발현되며, 아밀로이드 베타의 제거에 기여한다고 알려져 있다. CD36은 SR-B1 군의 수용체이며, CD36의 결여는 아밀로이드 베타의 대식작용을 저해한다. miR-758-5p는 CD36의 mRNA를 감소시키는데, 이를 통해 콜레스테롤의 흡수를 저해한다고 알려져 있다.
3. 결론
아밀로이드 베타의 제거는 아밀로이드 베타의 생성 못지 않게 뇌의 건강을 위해 중요한 과정이며, EOAD와 LOAD에서 모두 중요한 역할을 한다. 따라서 아밀로이드 베타를 뇌로부터 어떻게 제거하는지를 이해하는 과정은 치료책을 고안하는데 매우 중요한 부분이다. 종합해 보았을 때, 아밀로이드 베타는 다양한 방법으로 제거가 된다. UPS, 자가포식작용, 단백질 분해효소, BBB 통화를 통한 배출, 대식작용 등이 이에 해당한다. 이러한 기작들이 문제가 생기면 아밀로이드 베타의 축적을 촉진하고 결국, 알츠하이머병으로 진행된다. 위에서 언급한 다양한 miRNA들은 다양한 제거기작을 조절하여 아밀로이드 베타의 축적을 야기하였다. 아밀로이드 베타의 제거에 있어서 miRNA가 다양한 mRNA에 작용한다는 사실은 이들이 치료 표적으로서 그만큼 가치가 있다는 것을 보여준다. 반대로, miR-34a, miR-29b와 같은 miRNA는 아밀로이드 베타의 제거를 촉진하는 알츠하이머병 치료제로서 그 가능성을 보여주었다. 앞으로도 miRNA을 이용한 다양한 연구가 진행된다면 직접적인 치료제의 발견뿐만 아니라, 새로운 발병기작의 발견에도 큰 도움이 될 것이라고 생각한다.