자폐 및 뇌 발달장애의 새로운 원인 밝혔다- 뇌 발달 및 기능 조절에서 TANC2 단백질 중요성 규명... 치료제 활용 기대

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2021. 5. 12.

자폐 및 뇌 발달장애의 새로운 원인 밝혔다- 뇌 발달 및 기능 조절에서 TANC2 단백질 중요성 규명... 치료제 활용 기대

보도일 2021-05-11 18:00연구단명 시냅스 뇌질환 연구단

 

 

 

자폐 및 뇌 발달장애의 새로운 원인 밝혔다

- 뇌 발달 및 기능 조절에서 TANC2 단백질 중요성 규명... 치료제 활용 기대  -

 

 

 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 시냅스 뇌질환 연구단 김은준 단장 연구팀은 TANC2 단백질 결손이 자폐 및 뇌 발달장애를 유발하는 매커니즘을 규명했다. 이로써 TANC2 유전자 돌연변이에서 기인한 자폐 및 뇌 발달장애 치료제 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.

 자폐증(Autism spectrum disorders) 자폐증(Autism spectrum disorders) : 사회적 상호작용 및 의사소통의 결여와 반복적인 행동 및 제한된 관심의 증상을 보이는 일련의 뇌정신 질환.

은 뇌 발달장애 뇌발달장애(Neurodevelopmental disorders) : 자폐, 지적장애(intellectual disability), 주의력결핍-과잉행동장애 (ADHD), 뇌성마비(cerebral palsy) 및 조현병(schizophrenia) 등 비정상적인 뇌발달로 인해 유발되는 다양한 뇌정신질환을 통칭함. 전세계 인구의 약 15%가 앓고 있다.

의 한 종류로서, 세계 인구의 약 2%가 앓고 있다. 뇌의 발달은 세포 내 다양한 신호전달(signaling) 체계에 의해 조절된다. 그중 ‘mTOR 신호전달 mTOR 신호전달 (mTOR(mechanistic Target Of Rapamycin) signaling): 인산화효소 단백질의 하나인 mTOR와 연관된 신호전달과정으로 세포의 사멸과 생존, 단백질 생산 등을 조절한다. 자폐 및 뇌 발달장애를 유발하는 FMRP, TSC1/2, PTEN 유전자의 돌연변이가 mTOR 신호전달 이상과 관련되어 있다. 

’은 신경세포를 포함한 대부분 세포의 발달과 기능을 제어한다. 여기에는 대사 장애, 뇌 발달장애 등 다양한 질환이 관련되어 있다고 알려져 있다. 그러나 신경계에서의 mTOR 조절 기전은 이제까지 알려진 바가 거의 없었다.

 시냅스 뇌질환 연구단은 이전 연구에서 ‘TANC2 단백질 TANC2 단백질 (Tetratricopeptide repeated, Ankyrin repeated And Coiled-coil domain-containing 2 protein): 신경세포의 흥분성 시냅스 (synapse)에 존재하는 단백질로 신경세포의 발달에 중요한 기능을 하는 것으로 알려져 있으며 TANC2 돌연변이와 자폐 및 뇌질환의 연관 가능성이 보고되었다. 

’이 정상적인 뇌 발달에 필수적임을 규명했다. 이후 다양한 임상연구를 통해 TANC2와 자폐 및 뇌 발달장애의 연관 가능성이 제기되었다. 다만 정확한 발병기전을 밝히지는 못했다. 이번 연구에서는 TANC2 단백질이 mTOR 단백질의 직접 억제자(negative regulator)로서 뇌 발달 및 기능을 조절함을 규명했다.

 연구진은 TANC2 단백질과 mTOR 신호전달의 관계를 파악하고자 TANC2 발현이 절반으로 줄어든 자폐증 생쥐모델을 제작했다. 실험 결과, TANC2 단백질 결손이 mTOR 신호전달 단백질의 비정상적 과활성화로 이어져 시냅스 및 기억·학습 등의 뇌 기능이 저하되었다. 이때 mTOR 저해 약물인 라파마이신(Rapamycin)을 투여하면 시냅스 및 뇌 인지 기능이 정상으로 회복되었다. TANC2 단백질이 mTOR 신호전달 단백질을 저해하여 뇌 기능을 조절한다는 의미다.

 나아가 인체의 신경세포에서 TANC2가 줄어들면 mTOR 신호전달체계가 비정상적으로 활성화됨도 발견했다. 인간의 신경계에서도 TANC2가 mTOR 저해인자로서 뇌 발달 및 뇌 기능을 조절하는 것이다.

 김은준 단장은 “이번 연구로 최근 자폐 및 뇌 발달장애의 원인으로 부상한 TANC2 유전자 변이의 발병 메커니즘을 밝혔다”며,“후속 연구를 통해 mTOR 신호전달 억제제를 TANC2 유전자 돌연변이에서 기인한 자폐 및 뇌 발달장애의 치료에 활용할 수 있을 것”이라고 전했다. 

 연구결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.121) 온라인판에 2021년 5월 11일 18시(한국시간)에 게재되었다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[붙임] 1. 연구 추가설명  2. 그림설명  3. 연구진 이력사항

 

연 구  추 가 설 명

 

 

논문명

Tanc2-mediated mTOR inhibition balances mTORC1/2 signaling in the developing mouse brain and human neurons

(Nature Communications, May 11, 2021)

저자정보

Sun-Gyun Kim*, SuhoLee*, Yangsik Kim, Jieun Park, Doyeon Woo, Dayeon Kim, Yan Li, Wangyong Shin, Hyunjeong Kang, Chaehyun Yook, Minji Lee, Kyungdeok Kim, Junyeop Daniel Roh, JeseungRyu, Hwajin Jung, Seung Min Um, Esther Yang, Hyun Kim, Jinju Han, Won Do Heo, and Eunjoon Kim (* contributed equally)

연구내용

보충설명

■ 최근 뇌발달장애 환자들의 유전자분석 연구에서 TANC2 유전자의 돌연변이와 신경발달장애 발병의 연관 가능성이 제기되었으나 정확한 메카니즘은 밝혀지지 않았다. 

■ TANC2 발현이 절반으로 줄어든 생쥐의 뇌에서 mTOR 신호전달체계가 비정상적으로 활성화된 것을 발견하였다. 특히 이러한 현상은 신경세포 시냅스 발달이 활발하게 일어나는 생후 2주령 (사람의 청소년기에 해당)에서만 특이적으로 나타났다. 

■ 이러한 mTOR 신호전달체계의 변화는 신경세포 발달과 밀접한 연관이 있음이 이전 연구서 밝혀졌다. 예를 들어 mTOR 신호전달을 간접적으로 조절하는 PTEN 및 TSC1/2 유전자의 돌연변이는 다양한 신경발달장애 원인으로 알려져 있었다. 

■ mTOR의 활성을 직접 저해하는 DEPTOR 및 PRAS40 단백질들은 신경세포의 발달에 관여할 것으로 추측되었으나, 확실한 증거는 없었다. 

■ 본 연구에서 TANC2가 mTOR와 직접 결합하여 mTOR 기능을 저해함을 생화학적 실험기법으로 증명하였다. 또한 기존에 알려진 mTOR 저해 단백질인 DEPTOR에 비해 특히 신경발달 초기 단계에 더 강력하게 mTOR를 저해함을 밝혔다. 

■ TANC2 결손 생쥐는 mTOR의 과활성을 보였고, 시냅스에서의 신경전달이 비정상적으로 변했으며, 기억 및 학습 장애와 같은 행동장애를 보였다. 

■ mTOR 억제 약물인 Rapamycin을 TANC2 결손 생쥐에 투여했을 때 시냅스 기능 및 기억 학습 행동 장애 현상이 모두 정상으로 회복되었다. 이는 생쥐의 뇌에서 TANC2가 mTOR 저해 인자로 작용함을 의미한다. 

■ 인체의 줄기세포로부터 분화시킨 사람의 신경세포에서도 TANC2가 결손되었을 때 mTOR가 과활성화되었다. 이는 사람의 신경세포 발달과정에서도 TANC2가 mTOR 저해 인자로 작용함을 의미한다. 

연구이야기

■ [연구배경] 생쥐에서 뇌발달에 중요하다고 알려진 TANC2가 사람에서 뇌발달장애와 관련이 있음이 유전자 돌연변이 연구를 통해 밝혀졌다. 하지만 TANC2가 어떻게 정상적 뇌발달을 조절하는지는 명확치 않았고, 이에 연구를 시작하였다. 

■ [연구과정] TANC2가 결손된 생쥐를 제작하였으며, 다양한 방법으로 시냅스 기능 및 행동 등을 관찰하였다. 또한 줄기세포를 이용한 인간의 신경세포를 이용하여 TANC2의 mTOR 기능 조절 여부를 확인하였다. 

■ [연구결과] TANC2가 결손된 생쥐의 대뇌에서 mTOR 신호전달체계가 정상쥐에 비해서 과활성화된 것을 발견하였다. 이후 생화학적 실험을 통하여 TANC2가 mTOR의 직접 저해제는 물론 뇌발달 초기 단계의 신경세포에서 강력한 mTOR 저해 인자로 작용함을 확인하였다. TANC2 결손 생쥐에서 나타나는 시냅스 이상과 기억 및 학습 행동 장애는 mTOR 억제 약물인 Rapamycin에 의해 회복된다. 또한 인간 신경세포에서도 TANC2가 결손되면 mTOR가 과활성화된다. 

■ [향후 연구계획] 본 연구에서 사용한 생쥐모델은 TANC2 유전자의 일부가 결실된 모델이다. 향후 연구에서는 자폐 및 뇌발달장애 환자에 발견된 TANC 돌연변이(주로 단백질 아미노산 사슬에서 한 아미노산만 변화)와 동일한 돌연변이를 가지고 있는 생쥐모델 및 인간 신경세포를 제작하여 연구를 수행할 예정이다.

 

 

그   림   설   명

 

 

 

그림 1. TANC2에 의한 mTOR 신호전달체계의 균형 유지 모식도

 

정상적인 뇌발달 상황에서 mTOR의 활성은 촉진자(positive regulator)와 억제자(TANC2; negative regulator)에 의해 균형 있게 조절되며 정상적인 뇌발달, 신경전달 및 행동을 매개한다. 그러나, TANC2의 양이나 기능이 감소하면 그 균형이 깨져서 mTOR의 과활성화가 초래되고 비정상적인 뇌발달, 신경전달 및 행동이 유발된다. 반면 Rapamycin과 같은 mTOR 억제 약물을 투여하면 mTOR 과활성이 억제되고 정상적인 뇌발달, 신경전달 및 행동을 회복시킬 수 있다.

 

 

 

그림 2. TANC2 결손 생쥐의 대뇌에서 mTOR 신호전달이 활성화됨

 

생후 2주령 (Postnatal day 14) 정상 생쥐와 TANC2결손 생쥐의 대뇌 조직에서 mTOR 신호전달 체계에 속한 신호전달 단백질들의 인산화 변화를 비교하였을 때, 특히 mTOR 및 mTOR 하위단계에 있는 단백질들의 활성화 (단백질 인산화의 증가)가 관찰되었으며 (좌측 패널), 이와 상관 없는 단백질들은 (우측 패널) 변화가 없는 것을 확인하였다. 

 

 

 

 

 

 

 

그림 3. TANC2 결손에 의한 신경전달의 변화와 기억 및 학습 능력의 감소가 mTOR 저해제인 Rapamycin에 의해서 정상으로 회복됨

 

TANC2 결손이 신경세포 시냅스의 형성에 영향을 미치는지 확인하기 위해 TANC2 결손 생쥐 뇌의 해마 부위에서 시냅스 기능의 하나인 신경전달 가소성(Long-term potentiation 또는 LTP)을 측정하였을 때 (상단), TANC2 결손 생쥐에서 (HT-Veh) 감소되어 있던 LTP가 Rapamcyin 처리시 (HT-Rapa) 정상으로 회복된다. 정상 생쥐에서는 Rapamycin 처리시 LTP에 변화가 없다 (WT-Veh 및 WT-Rapa). 또한 TANC2 결손 생쥐는 수중미로 실험(하단)에서 기억 및 학습 능력의 감소를 보이는데 (HT-Veh), Rapamycin 처리에 의해 회복됨 (HT-Rapa). 이는 TANC2의 결손이 시냅스 및 뇌인지 기능을 조절하며, Rapamycin이 TANC2 결손으로 초래되는 비정상적 시냅스 및 뇌인지 기능을 회복시킬 수 있음을 의미한다.

 

 

 

 

 

 

그림 4. 인간 줄기세포 유래 신경세포에서 TANC2의 발현을 감소시켰을 때 mTOR 신호전달체계의 과활성이 나타남

 

인체 유래 배아줄기세포인 HuES6 줄기세포로부터 분화시킨 인간 신경세포에서 TANC2 발현을 감소시켰을 때 mTOR 신호전달체계에서 mTOR 하위단계 단백질들인 S6, 4E-BP, GSK3beta의 활성화(인산화)가 증가하는 현상을 보인다. 이는 TANC2의 생쥐뿐만 아니라 인경의 신경세포에서도 mTOR를 억제함을 의미한다.

 

 

 

 

 

 

 

연구진 이력사항

 

 

<김은준 IBS 시냅스 뇌질환 연구단장, 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : IBS 시냅스 뇌질환 연구단 및 

           카이스트 생명과학과  

 

 

 

 

2. 경력사항

 1988 – 1999  생명공학연구소 연구원 

 1995 - 1996  Harvard Univ 박사후연구원 

 1997 - 2000  부산대학교 약학과 전임강사/조교수

 2000 - 현재  KAIST 생명과학과 조교수/부교수/교수

 2012 - 현재  IBS 시냅스 뇌질환 연구단 연구단장   

   

 

 

<김선균, 전 IBS 시냅스 뇌질환 연구단 연구위원, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : IBS 시냅스 뇌질환 연구단

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 2001 – 2002 서울 마리아불임연구소 연구원 

 2008 - 2009 전남대학교 호르몬센터 전임연구원 

 2009 - 2010 Baylor college of medicine 박사후연구원 

 2010 - 2013 Oregon Health & Science Univ 박사후연구원

 2013 - 2018 IBS 시냅스 뇌질환 연구단 연구위원   

 2018 - 현재 소바젠주식회사 책임연구원

 

 

 

 

<이수호, IBS 선임연구원, 공동 제1저자> 

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : IBS 시냅스 뇌질환 연구단

 

 

 

 

2. 경력사항

 2013.2 - 2018.2 YALE University, 박사후연구원 

 2018.4 - 현재 IBS 시냅스 뇌질환 연구단, 선임연구원