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세미나 및 칼럼

<켐온 칼럼> 노화독성학: 조기 세네센스 이해를 통한 Alzheimer‘s disease의 새로운 기전과 치료제 개발의 방향 - (18)

1. Relicative senescence의 간단 리뷰 

1) 개념

○ 복제 세네센스 세포의 가장 중요한 특성인 비가역적 세포주기의 영구 중지(irreversible-permanent arrest of cell cycle)이다. 일시적으로 분열 중단된 세포(quiescent cell) 및 최종 분화(terminal differentiations)에 의한 분열 정지된 세포 등과 세포학적 측면에서 유사점도 많으나 다음과 같은 세 가지 다른 특성에서 차이점이 있다. ① 유사분열 촉진제(mitogen)에 대한 세포주기의 무반응, ② 단백질 발현에 있어서 차이(Altered gene expression), ③ Apoptosis에 대해 높은 저항성 등이 있다. 비가역적 세포주기의 영구 중지의 복제 세네센스는 정상적인 cellular senescence(세포 세네센스)이라고 한다. 대부분의 인체 체세포는 세포는 50-80 PD(population doubling, 배가증식), 즉 분열 후 비가역적으로 세포주기가 영구 중지된다. 유해활성산소 또는 독성물질 등의 외부적인 요인을 비롯하여 유전적 질환에 의해 premature senescence에 도달하게 된다. 그러나 요인이 무엇인가에 상관없이 어떤 세네센스 세포라도 세포주기 및 세포분열의 비가역적 중지라는 개념은 동일하다.

 

2) 알츠하이머 및 파키슨 질환과 세네센스와의 추정 관련성

○ Alzheimer's disease(알츠하이머질환, AD), Parkinson‘s disease(파키슨병, PD)와 Creutzfeldt-Jakob disease(크루츠펠트-야곱 질환) 등은 치료로 호전이 불가능한 비가역성 치매(irreversible dementia)를 유발하는 대표적인 신경퇴행성 뇌질환이다. 어떤 질환도 유전자 문제점에 의한 선천적 요인과 외부 환경적인 요인에 의해 발생한다. 비가역성 치매(irreversible dementia)의 원인인 AD나 PD도 마찬가지로 유전적 및 환경적 요인에 의한 신경퇴행성 뇌질환이다. 특히 퇴행성(degerative) 자체의 의미가 인체 노화에 의한 질환이다. 복제 세네센스 현상도 마찬가지로 유전적 및 환경적 요인에 의해 유도되며 다음과 같은 기전 premature senescence에 도달하게 된다.

1. 연령과 수명이 Population Doubling(PD: 배가증식)와 반비례적 단축

2. 유전적인 조로증(premature aging syndrome) 환자의 PD 감소

3. "Free radical"에 의한 세네센스 현상 촉진

4. Telomere 길이의 단축(shortening)에 의한 세네센스 유도 

 

3) Replicative or cellular senescence의 주요 변화와 바이오마크

주요 변화: 복제세네센스 현상의 생물학적 중요성은 세포복제 횟수의 유한성이라는 특성에서 알 수 있듯이 노화와 암을 비롯한 노화-관련 질환의 원인 및 관련성에 집중되어 많은 연구가 새롭게 이루어졌다. <그림-1>은 세포 노화 촉진 및 노화-관련 질환의 원인으로 고려되는 세포 세네센스에 의한 기능적 변화 및 영향을 나타낸 것이다. 기능적 변화는 1) 지속적인 염증 촉진(promoting persistent inflammation), 2) 재생능력의 상실(impaired regenerative capacity), 3) 정상적인 세포 기능의 상실(loss of normal cell function), 4) 단백질 분해효소에 의한 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM) 성분의 감소 또는 변성, 5) 주변 세포의 이상 반응의 유도(altering behaviour of neighbouring cells) 등의 5가지로 요약된다. 

 

         <그림-1> 세포 세네센스에 의한 노화-관련 영향(Dominick, et 10., 2028) 

 

② SASP(senescence-associated secretory phenotype, 세네센스-연관 분비체)와 바이오마크(biomarker): 모든 질환이 그러하듯 유전적 원인의 질환은 유전자 자체에 대한 근원적인 치료가 불가능할 경우 이를 대체할 수 있는 약물 복용이 필수적이다. 반면에 환경적인 요인에 의한 질환은 예방이 가능하다는 측면에서 신경퇴행성 뇌질환의 예방과 이들에 의한 비가역적 치매를 예방 및 지연을 유도할 수 있다. 이와 같이 환경요인에 의한 비가역적 치매가 Alzheimer's disease(알츠하이머질환, AD) 및 Parkinson‘s disease(파키슨병, PD)에 의해 유발된다. 이들 질환에 의해 환경적인 요인에 의해 조기 세네센스가 유도가 되면 후천적 요인에 의한 복제 세네센스의 조기 유도가 AD와 PD의 발생기전이 된다고 할 수 있다. 이를 확인하기 위해서는 세포 세네센스의 바이오마크(biomarker)를 AD 및 PD를 가진 환자 또는 동물모델에서 확인이 필요하다. 조기 세네센스 세포(senescent cell)는 특정 물질의 생산 및 분비를 통해 세네센스 세포 그 자체에 영향을 주는 자가분비형 신호전달(autocrine signaling), 그리고 주변 다른 정상적인 세포에 영향을 주는 측분비 신호전달(paracrine signaling) 기능을 한다. 이는 신경세포에서도 발생하면 뇌질환의 원인이 된다. <그림-2>는 다양한 외부적 또는 내부적과 물리적 요인(External, internal, and physical factor) 등의 다양한 요인에 의한 세포 세네센스의 유도 기전을 나타낸 것이며 이는 SASP에 분비에 기인한다. 이와 같이 세네센스 세포가 분비하는 물질을 SASP(senescence-associated secretory phenotype, 세네센스-연관 분비체) 또는 SMS(Senescence Messaging Secretome, 세네센스-송달 분비체)이라고 한다. 이들 SASP는 사이토카인 케모킨, 성장인 그리고 단백질분해효소 등의 혼합물로 구성되어 있으며 잠재적 염증(pro-inflammation) 유발 요인이 되며 세네센스 세포의 바이오마크(biomarker)가 된다. 또한 가수분해효소를 함유하고 있는 리소좀(lysosome) 활성의 변형으로 발생하는 β-galactosidase 발현이 복제세네센스 세포에서 높은 것으로 확인되었다. 이는 일시적으로 분열 중지된 세포 또는 최종 분화에 의해 분열 정지된 세포 등과 구별하는 생물학적 지표 효소이다. 특히 SASP/SMS에 의한 paracrine signaling은 세네센스 세포가 주변의 다른 젊은 세포나 원거리 세포를 자극하여 세네센스 세포로의 전환을 유도하게 되는 것으로 알려졌다. 따라서 외부 자극 및 요인에 의한 조기 세네센스는 알츠하이머 질환의 원이이라는 것은 SASP라는 바이오마크를 통해 확인이 가능하다. 

 

 

 <그림-2> External, internal, and physical factor 등의 다양한 요인에 의한 SASP 분비와 세포 세네센스의 유도 기전(Pantsulaia et al., 2016)

 

 

2. Alzheimer‘s disease와 Premature senescence의 인과관계  

1) 복제 세네센스에서 뇌신경세포(neuron) 및 신경교세포(glia cell) 등의 뇌세포와 미세아교세포(microglia)의 중요한 차이점

○ <그림-3>에서처럼 뇌조직세포는 뇌신경세포(neuron)와 신경교세포(glia cell)로 나누는데, 중추신경계의 신경교세포 가운데 가장 수가 많은 신경교세포가 성상세포이다. 별 모양에서 이름이 유래한 성상세포(astrocyte)는 대략 뉴런(신경세포)의 5배 정도로 추정된다. 성상세포 외에도 oligodendrocyte(희소돌기 신경교세포)가 신경교세포에 해당된다. 이들 신경교세포는 신경세포를 지지하면서 영양을 공급하거나 수초를 형성하고 항상성을 유지하며 신경 신호 전달에 기여한다. 그리고 미세아교세포(microglia)는 뇌에서 면역기능을 담당하는 신경교세포의 일종(immune cells)으로서 질병으로부터 인간을 보호하지만, 그 반대로 질병을 유발할 수도 있다. 다른 교세포와 생긴 건 비슷한데 크기가 좀 작아 붙은 이름이다. 그러나 신경교세포인 성상세포와 희소돌기 신경교세포가 신경줄기세포(neuron stem cell)이지만 미세아교세포는 대식세포(macrophage)기 기원이다. 사람의 경우 임신 한 달 무렵 뇌가 되는 부분으로 들어간 원시 대식세포가 분화해 미세아교세포가 된다. 즉 미세아교세포는 신경계의 세포 기원 아니라 면역계의 세포이며 기원이다. 또한 미세아교세포는 뉴런의 출생과 동시에 일어나고 성상세포와 희소돌기아교세포의 생성 전에 나타나기 때문에 신경발생, 세포 예정사, 시냅스 제거와 신경 회로의 수립 및 개조와 같이 CNS의 수많은 발생과정에 참여한다. 미세아교세포는 전체 뇌세포의 5~10%를 차지할 뿐만 아니라 유일한 CNS 유조직 대식세포 이다(서지연, 2019). 따라서 뇌에 침투한 병원체나 뇌세포에서 나오는 쓰레기를 처리하는데 특화된 면역세포다. 미세아교세포 역시 오랫동안 별다른 주목을 받지 못했다. 평소에는 가만히 자리를 지키고 있다가 처리해야 할 대상이 생기면 나타나 식작용을 하고 다시 보초를 서는 뇌 속의 면역세포 정도로 여겨졌다. 그러나 최근에는 미세아교세포가 알츠하이머병을 비롯한 신경퇴행성질환에도 관여한다는 사실이 밝혀졌으며 다음 기사(미세아교세포를 알면 뇌 염증이 보여, 강석기의 과학에세이, 강석기의 과학에세이 266, 2018. Science times)는 연관성에 대한 내용이다. 2010여 년 경에 미세아교세포가 시냅스 가지치기에 관여한다는 사실이 밝혀지면서 주목을 받기 시작했다.  

시냅스 가지치기는 한 마디로 안 쓰는 시냅스, 즉 뉴런 사이의 연결을 없애는 과정이다. 뇌발달 과정을 보면 뉴런 사이에 시냅스가 어지러울 정도로 복잡하게 만들어져 있는데, 필요가 없는 시냅스는 가지치기를 통해 정리되고 사용이 많은 시냅스는 강화되면서 효율적인 뇌회로가 형성된다. 그런데 최근 수년 사이 미세아교세포가 알츠하이머질환을 비롯한 신경퇴행성질환에도 관여한다는 사실이 밝혀졌다. 2010년 독일 신경퇴행성질환센터 미카엘 헤네카 박사팀은 알츠하이머병 모델 생쥐에서 염증에 관여하는 핵심 유전자인 Nlpr3를 없앴다. 어느 정도 증상 완화 효과가 있을 것이라고 기대했지만 결과는 놀라웠다. Nlpr3 유전자가 고장 난 생쥐는 나이가 들어도 치매 행동을 보이지 않고 멀쩡했기 때문이다. 그런데 이 유전자의 산물, 즉 NLPR3 단백질은 미세아교세포가 식작용을 할 때 관여한다. 따라서 이 단백질을 만들지 못하면 치매가 억제된다는 것은 미세아교세포의 작용이 바뀐 결과일 가능성이 높다. 실제 후속 연구결과 미세아교세포가 뉴런 주위에 침착된 아밀로이드 플라크를 ‘과격하게’ 공격하다가 미처 흡수하지 못한 플라크 조각이 주변으로 퍼지면 새로운 아밀로이드 플라크의 ‘씨앗’이 된다는 사실이 밝혀졌다. 이는 <켐온 칼럼> - 노화독성학: 단백질의 misfold에 의한 신경퇴행성질환 - (17)의 <그림-2> Protein Misfolding And Aggregation In Parkinsons Disease: Molecule-to-molecule spreading cell-to-cell spreading에서도 확인이 가능하다. 결국 NLPR3 단백질이 없어 미세아교세포의 식작용이 완화되면 오히려 알츠하이며 질환의 진전을 늦춘 것이다. 미세아교세포는 다발성경화증의 염증반응에도 관여한다. 다발성경화증은 어떤 이유에서인지 면역세포가 뉴런의 축삭을 둘러싼 수초(myelin sheath)를 공격해 결국 뉴런이 죽어 신경계에 이상이 생기는 자가면역질환이다. 10년 전 미국 하버드대 의대 연구자들은 다발성경화증 모델 생쥐로 연구한 결과 미세아교세포와 또 다른 교세포인 별아교세포(astrocyte)가 염증반응에 관여한다는 사실을 밝혔다. 그리고 이때 미세아교세포에서 발현되는 전사인자 AHR가 개입하는 것으로 밝혀졌다. 전사인자는 특정 유전자의 발현을 늘리거나 줄이는 조절 단백질이다. AHR은 어떤 신호분자가 달라붙어야 활성화되는데, 그 실체를 밝히지는 못했다. 

 

                             <그림-3> 신경줄기세포에서 신경세포 및 신경교세포 분화와 network 


2) 가장 최근에 발표된 논문에서 인과관계: Yanling Hu 등의 논문(Replicative senescence dictates the emergence of disease-associated microglia and contributes to Aβ pathology) 

① Microglia의 replicative senescence: <그림-3>에서처럼 신경줄기세포에서 분화된 신경세포(neuron)와 신경교세포(glia cell)는 일단 분화되면 재생 또는 복제 기능이 없다. 따라서 조기 세네센스 현상과 알츠하이머 질환의 인과관계를 증명하기가 불가능하다. 따라서 뇌신경계와 관련된 세포 중 유일하게 재생 및 복제가 가능한 미세아교세포(microglia)의 복제 세네센스와 뇌질환과의 인과관계가 필수적이다. 이는 미세아교세포는 신경줄기세포에서 유래하는 것이 아니라 대식세포에서 유래하기 때문이다. 미세아교세포는 전체 뇌세포의 5~10%를 차지한다. <그림-4>에서처럼 미세아교세포는 배시기(embryonic brain) 또는 출생 직후(postnatal brain)에는 서너 번의 population doubling을 통해 수적 증가가 이루어지며 이는 성인뇌(adult brain)에서 관찰되는 세포수와 분포를 이루게 된다(Ginhoux et al., 2018). 성인 뇌에서는 일반적으로 재생과 세포자멸(apoptosis)을 통해 steady-state를 유지한다(Ginhoux et al., 2018). 

DAM (disease-associated microglia)과 알츠하이머: 최근 유전자분석기술 발달을 통해 DAM (disease-associated microglia) 이라고 명명한 알츠하이머병과 밀접한 관련이 있는 특정 미세아교세포 집단인 “질병미세아교세포”가 존재함을 최초로 보고하면서 뇌 내의 면역시스템을 담당하는 미세아교세포의 활성과 기능에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다(묵인희 등, 2020; Keren-Shaul et al., 2017). 마우스에서는 자체적으로 알츠하이머 질환을 유발되지 않기 때문에 미세아교세포에 기인한 퇴행성신경질환 또는 DAM이라고 호칭된다. 동물에서 DAM의 유도 및 확인은 AD-like pathology 모델인 알츠하이머 동물모델(APP/PS1 Transgenic Mice)에서 이루어졌다. <그림-5>는 알츠하이머 동물모델에서 DAM에 의한 조기 세네센스가 확인된 결과를 나타낸 것이다. <그림-5> A)는 APP/PS1 mice 모델에서 복제 세네센스 세포의 바이오마크인 β-galactosidase(βgal+) 활성을 연령-교정된 대조군의 활성을 미세아교세포(IBA1)를 비교한 것이다. APP/PS1 mice 모델에서 대조군보다 훨씬 높은 β-galactosidase 활성이 확인되었다. <그림-5> B)는 알츠하이머의 원인 단백질인 베타-아밀로이드(β-amyloid) 농도가 APP/PS1 mice 모델의 미세아교세포에서 마우스 연령과 더불어 증가되는 것이 확인되었다. <그림> C)와 D)는 APP/PS1 mice 모델과 DAM (disease-associated microglia)에서 wide type과 정상(homeostatic group)군에서 미세아교세포의 텔로미어 비교를 나타낸 것이다. APP/PS1 mice 모델에서는 미세아교세포의 텔로미어의 길이가 단축되지 않지만 DAM을 가진 마우스에서는 텔로미어의 길이가 짧아지는 것이 확인되었다. APP/PS1 유전자에 돌연변이를 가진 사람은 알츠하이머 질환의 발병율이 높다. 이러한 사실에도 불구하고 APP/PS1 mice 모델과 정상 마우스 군에서 미세아교세포의 텔로미어 길이에서 차이가 없다. 반면에 DAM를 가진 마우스와 정상군 마우스 사이에서 텔로미어 단축이 확연한 차이가 확인되었다. 이는 단순히 유전자의 돌연변이 문제가 아니라 미세아교세포의 조기 세네센스에 의해 신경퇴행성 질환이 훨씬 더 밀접한 관계가 있다는 점으로 이해할 수 있다. <그림-5>의 E)는 미세아교세포의 막에 존재하는 단백질인 CD11C의 발현량에 따른 텔로미어 길이의 비교를 나타낸 것이다. CD11C의 발현량은 미세아교세포의 활성화에 의한 배가증식이 더 많다는 것을 의미하여 조기 세네센스의 높은 가능성을 의미한다. 또한 <그림-5>의 F)에서 CD11C의 발현량이 많을수록 미세아교세포의 텔로미어 길이는 유의하게 단축되는 것이 확인되었다. 

  

<그림-5> 알츠하이머 동물모델과 DAM(disease-associated microglia)에 의한 조기 세네센스의 바이오마크 비교 

3. Alzheimer‘s disease와 Premature senescence의 인과관계에 대한 결론

○ 알츠하이머 및 파키슨 질환 등의 신경퇴행성뇌질환은 신경세포의 단백질 misfold에 기인하는 것으로 추정되고 있지만 좀 더 많은 발생 기전 연구가 이루어질 필요성이 있다. 향후 더 많은 자료가 수집되어 설명되어야 하지만 이들 단백질의 misfold는 신경줄기세포의 기원이 아닌 대식세포에서 기원한 microglia의 활성화에 기인한 조기 세네센스의 가능성이 높다. 따라서 이들 단백질에 대한 항체 약물은 일시적 지연에 도움이 되지만 근본적인 치료제로서 역할은 할 수 없다. 또한 신경세포의 복잡한 가소성이 배 및 출생 직후에서부터 시작된다는 점을 고려할 때 신경줄기세포의 이식에 의한 이들 질환의 치료법도 상당히 어려운 과정일 것으로 추정된다. 예를 들어 1000억개의 신경세포에서 시냅스 100조개가 상호 연결되어 있는데 질환 이전의 상태로 복원력은 불가능하고 전혀 다른 신경학적 부작용의 가능성이 높기 때문이다. 따라서 지난 20여 년 동안 알츠하이머 등의 신경퇴행성질환의 치료제를 개발하지 못한 이유는 미세아교세포에 대한 이해의 부족에 기인하는 것으로 추정되며 답은 여기에 있을 것으로 개인적으로 사료된다. 


 


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