Korean Journal of Biological Psychiatry

서론
알쯔하이머 치매(AD)는, 아밀로이드 전구 단백질의 절편(베타 아밀로이드, A-beta)이 신경세포 밖에 침착되어 중심(core)을 이루고 변성된 축색돌기 말단이 둘러싸서 생성된 신경반(neuritic plaque)과 과인산화된 타우 단백질이 신경세포 안에 응결되어 형성된 신경섬유덩어리(neurofibrillary tangle)라는 두가지의 대표적인 신경병리들을 환자의 대뇌조직에서 확인함으로써 확진되고 정의된다. 부검이나 생검으로 뇌 조직을 병리적으로 조사하지 않고 임상적으로 내릴 수 있는 진단은 probable AD와 possible AD이다(NINCDS-ADRDA criteria). 본 논문에서는 알쯔하이머 치매를 특징짓는 신경병리와 인지기능저하를 구현하고자 하여 이뤄진 유전자 전이 생쥐(transgenic mice)모형에 대해서 설명하고자 하며 우선, 알쯔하이머 치매의 분자생물학적 배경을 간략히 기술하고자 한다.
알쯔하이머 치매의 분자생물학
알쯔하이머치매의 원인들 중 지금까지 밝혀진 유전자적인 위험인자는, 21번 염색체상에 존재하는 아밀로이드 전구 단백질(amyloid precursor protein, APP로 약칭) 유전자의 돌연변이, 14번 염색체상에 존재하는 presenilin 1(PS1) 유전자의 돌연변이, 1번 염색체상에 존재하는 presenilin 2(PS2) 유전자의 돌연변이들과 19번 염색체상에 존재하는 아포지질단백 E4(ApoE4로 약칭) 대립유전자(allele) 이다. 이들 중에서 APP에는 7개, PS1에는 45개, PS2에는 3개의 돌연변이가 알려져 있고(Iqbal K 등 1999), 이러한 돌연변이가 있는 유전자를 가진 사람의 경우 아주 높은 penetrance를 가지고 알쯔하이머 치매를 나타내게 되며, 한 가계내에 밀집되어 가족적으로 발생하고, 65세(혹은 60세로 기준하는 학자도 있음) 이전에 치매를 보이는 조발성의 알쯔하이머 치매를 보이게 된다. ApoE에는 E2, E3, E4의 세가지 대립유전자가 있고, 그중에서도 E4 대립유전자가 sporadic 하게 65세 이후에 발병하는 만발성 치매의 위험인자로 작용한다. 그 외에도 모계로부터 유전된다고 알려져 있는 사립체 (mitochondria)의 cytochrome C oxidase 유전자의 돌연변이가 만발성 알쯔하이머 치매의 위험인자라는 보고도 있었다.
이러한 유전자적인 차이로부터, 과연 APP, PS과 ApoE 등 단백질의 어떤 기능상의 차이를 초래하고 결국 뇌세포와 조직에 알쯔하이머 치매의 병리를 생성하는가 하는 의문들이 대두된다.
우선, APP의 정상적인 기능이 무엇인가 하는 의문이 아직 풀리지 않고 있는데, 신경접합부 생성과 neurite outgrowth가 활발한 뇌의 발달단계에서 APP 발현이 증가하고, 정제된 APP를 투여하니 배양중인 세포에서 neurite outgrowth가 촉진됨을 볼 수 있고, APP가 세포외기질(extracellular matrix)의 구성요소인 헤파란 황산염 프로테오글리칸(heparan sulfate proteoglycan), 라미닌, 콜라겐, 엔탄틴(entantin) 등과 상호작용을 하는 것으로 알려져 있다.
APP의 한 절편이며 알쯔하이머 치매환자에게서 보이는 뇌병리의 중심적인 요소로 베타 아밀로이드가 있다. 베타 아밀로이드는, 알쯔하이머 치매 환자의 경우 정상인과 다른 어떤 미지의 단백질 분해효소들(beta-secretase와 gamma-secretase라고 명명됨)에 의하여 절단되어 생성되고, 서로 응집되어 신경세포의 바깥부위에 침착하고 신경반을 형성한다. 이 베타 아밀로이드는, 직접적으로는 oxidative stress를 유도하고 간접적으로는 소교세포(microglia)를 활성화시켜서 신경에 독성을 나타낸다. 베타 아밀로이드는 신경원(neuron)과 소교세포에게 발현하는 수용체 중의 하나인 RAGE(receptor for advanced glycation end product)에 결합하여 신경독성을 일으키는 일련의 반응을 유발하는 것으로 파악되고 있으며, 베타 아밀로이드와 결합하는 RAGE를 분리했다는 보고(Yan SD 등 1996)가 있었다.
다음으로 PS1과 PS2의 기능에 대한 연구가 진행중인데, PS1 유전자로부터 S182라는 단백질이 생성되고 PS2 유전자로부터는 STM2라는 단백질이 생성되는 바, 이들은 C. elegans에서 생성되는 sel 12 및 spe-4 와 각각 아미노산 서열의 유사성을 보인다. PS1 단백질은 전체길이가 45~50 kDa이며, 뇌에서는 주로 27~28 kDa의 N-단 절편(NTF)과 17~19 kDa의 C-단 절편(CTF)으로 대사되어 존재하게 되고, PS-2 단백질은 전체길이가 53~55 kDa이며, 뇌에서는 주로 35 kDa의 NTF와 17~19 kDa의 CTF로 대사되어 존재하게 되며, 이러한 endoproteolysis의 의의는 아직 확실하지 않으며, 두 절편들은 아마도 기능을 가진 단위일 것으로 추정되고 있다. 두 단백질들은 직접적이거나 간접적으로 APP의 processing이나 trafficking에 관여하여, 42개의 아미노산으로 이뤄진 베타 아밀로이드의 생성을 촉진시킨다고 추정되어 왔다. 최근에 PS1 단백질이, APP의 절단에 관여하는 gamma-secretase의 작용을 촉진시키거나 혹은 gamma-secretase 그 자체라는 보고들(Wolfe MS 등 1999；De Strooper B 등 1999)이 있었고, C. elegans나 초파리의 Notch signalling에도 PS1 이 유사한 절단작용을 통하여 관여한다고 알려져 있다.
마지막으로, ApoE은 다형성을 보이는 데, 동부 캐나다지역에서 조사된 보고에 의하면 E2, E3, E4 대립인자가 각기 0.078, 0.770, 0.152 의 빈도를 보였다는 보고가 있었다. 이 대립인자가 각 개인에게 이뤄진 조합의 차이로 만발성 알쯔하이머 치매를 일으킬 위험도의 크기는 E4/E4>E3/E4>E2/E4>E3/E3>E2/E3 >E2/E2 로 비교될 수가 있다. ApoE4 대립인자와 알쯔하이머 치매가 어떤 기전으로 연결되는지는 아직 더 연구되어야 할 것이다.
밝혀진 여러 가지 사실들에도 불구하고 알쯔하이머 치매의 병태생리에 대한 의문들은 아직도 많은 부분이 미지수로 남아 있고, 이런 의문들을 풀수 있는 방법들의 하나로 동물모형을 이용하려는 시도들이 있었다.
알쯔하이머치매의 유전자 전이 생쥐 모형
알쯔하이머 치매의 생쥐모형을 만들기 위한 노력은, APP의 돌연변이가 발견된 이래 1991년부터 시도되었으며, 알쯔하이머 치매의 hallmark인 신경반, 신경섬유뭉치, 신경세포소실 및 인지장애를 유발하고자 하였다. 본 논문에서는 타우 단백질이나 ApoE4의 유전자 등을 조작하는 유전자 전이 생쥐는 아직 그다지 성공적이지 않다고 판단하였기에 논의에서 제외하고, APP 및 PS 유전자의 돌연변이를 가진 유전자 전이 생쥐에 대하여만 설명하고자 한다(Table 1 참조) .
최초의 성공적인 생쥐모형은 Games 등(1995)에 의해 제작되었다고 보는 것이 타당할 것이다. Platelet derived growth factor(PDGF) beta promotor가 가족적인 알쯔하이머 치매를 유발하는 것으로 알려진 돌연변이(APP의 717번째 valine이 phenylalanine으로 치환된)를 가진 human APP minigene을 유도하였다. 이때, construct는 APP intron 6,7,8을 가지며, exon 7,8의 교차접합(alternative splicing)이 일어나서, APP의 교차접합된 전사물(transcript) 중 세가지인 APP 770, APP 751, APP 695를 생성하였다.
유전자 전이 생쥐들의 여러 장기에서 human APP mRNA가 생성되었고, 특히 뇌에 상당량의 human APP 발현을 볼 수가 있었다. PDGF-human APP construct에서 human APP intron 6, 7, 8을 일부 변형시켰으며, 그 결과로 교차접합이 일어나는 염기의 선정에 상당한 변화가 일어나서 human APP 770과 human APP 751의 전사물이 human APP 695 전사물보다 상당히 많이 발현이 되었으며 이는 AD환자의 뇌에서 보이는 현상과 일치한다. 병리적으로도 신경반, 베타 아밀로이드의 침착, 성상세포증(astrocytosis) 및 소교세포증(microgliosis) 등의 소견이 잘 나타나서 AD의 신경병리를 성공적으로 재현한 모형이 되었다.
K. Hsiao 등(1996)은 조발성 알쯔하이머 치매를 보이는 스웨덴의 대가계에서 발견된 두개의 돌연변이(Lys670Asn, Met671Leu； APP 770의 번호)를 가진 human APP 695 cDNA를 prion promotor를 써서 과잉발현하게끔 유전자 전이 생쥐를 제작하였다.
APP 695는 APP 중에서 KPI(Kunitz-type protease inhibitor) 영역이 없는 형이며, 과다발현하여 뇌에 신경반과 베타 아밀로이드의 침착 및 신경교증(gliosis) 등의 소견을 보였다. 유전자 전이 생쥐들은 늙어감(2~8개월부터 11~13개월정도까지)에 따라서 베타 아밀로이드(1~40개 peptide)의 농도는 5배 증가(p=0.03, rank sum test)했고 베타 아밀로이드(1~42/43개의 peptide)의 농도는 14배 증가(p=0.03, rank sum test)하였다고 한다. 이와 병행하여 water maze와 Y-maze(공간준거검사와 번갈아 택하기검사)로 측정하는 기억과 학습능력도 늙어감에 따라 손상을 보여서, 이 생쥐모형에서는 AD의 신경병리와 인지기능저하가 모두 관찰된 것이다.
K. Duff 등(1996)은 PDGF beta2 promotor가 돌연변이를 가진 PS1 유전자를 발현하게 하도록 만들었다. Construct는 PS1(교차접합이 되는 motif인 VRSG를 빼고, 시작 코돈인 ATG로부터 정지코돈인 TAG 위치까지 포함된 1.4 kb 길이임) 유전자의 exon 3부터 exon 12까지를 연결하고, 또한 PS1의 2.4 kb 길이의 intron 4가 exon 4 와 exon5 사이에 끼이게 하고, 이후 224 bp 길이의 SV40 poly(A)를 연결한 형태이다. 이때, PS1유전자의 exon5에 돌연변이를 가하여 Met146Leu과 Met146Val의 아미노산 치환이 일어난 유전자 전이 생쥐와 이런 돌연변이가 없는 정상형의 유전자 전이 생쥐를 생성하였다.
유전자 전이 생쥐에서 PS1 mRNA가 발현되었고, 정상적인 접합(splicing)을 통해 ~46 kDa의 PS1 전체단백질(holoprotein)과 ~27kDa의 N-단 PS1 절편을 증가시켰다. 각 계열의 생쥐들의 뇌에서는 발현되는 PS1의 유형(정상형 대 돌연변이)에 무관히 베타 아밀로이드 40의 양에는 차이가 없었으나, AD에서 더 중요한 의미를 가진 베타 아밀로이드 42/43의 량은 돌연변이형에서는 증가되었고 정상형에서는 증가가 없었다. 병리적으로는 아직까지 신경반이나 아밀로이드의 침착 등의 병리를 보이지 않았다.
J. Nalbantoglu 등(1997)은, 신경세사-L(neurofilament-light)의 조절서열로써 APP의 C단 104개의 아미노산부분(아미노산 591부터 695까지의 정보를 가진 human APP cDNA fragment)을 발현하게 하는 유전자 전이 생쥐를 제작하였다.
유전자 전이 생쥐는 water maze의 공간학습능력의 저하와 기억의 장기증강(long-term potentiation)의 저하를 보였고, 병리적으로는 세포 밖에 위치한 베타 아밀로이드에 대한 면역반응양성, 성상세포증, 신경교증 및 해마에서 보이는 신경세포의 소실 등을 보였다. 이 모형에서는 다른 모형에서 볼 수 없었던 신경세포의 소실을 보고하였고, 기억의 장기증강소실을 조사하였다는 특징이 있었다.
위에서 기술한 모형 외에도 많은 연구자들(Pearson BE와 Choi TK 1993；Quon D 등 1991；Lamb BT 등 1993；Zheng H 등 1995；Reaume AG 등 1996；Citron M 등 1997)의 모형이 있으나, 중복설명의 우려가 있거나 성공적이라고 볼 수 없는 모형이므로 생략하였다.
결론
이러한 모형들은 대개 아밀로이드 병리를 뇌조직에 형성하였으나, 신경섬유덩어리는 나타나지 않았다. 따라서 이러한 모형들은 아직도 AD의 부분모형이라고 할 수 있을 것이며, 그 이유는 인간에게서는 생후 수십년이 지나서 나타나는 만성 질환을, 인간의 유전적 조성과는 차이가 있는 설치류의 짧은 생애에 구현하려는 시도에 따르는 어려움이라고 볼 수도 있다. 이러한 유전자 전이 생쥐의 개발은 미래의 연구를 위한 크나큰 진전임에 틀림이 없을 것이다.