Lab of Axon Regeneration & Degeneration

Research

1.신경의 손상 과정에서 발생하는 세포골격단백질 재배열의 원리 이해를 통한 재생 촉진 및 퇴행 억제 응용 개발(Developing applications improving axon regeneration by cytoskeletal remodelling)

세포골격단백질(Cytoskeletons, cytoskeletal proteins)이란 actin filaments, microtubules, intermediate filaments 등을 말하며, 서로 구조적/기능적으로 다릅니다. 세포골격단백질은 세포의 형태를 유지하기 위해 필수적인 단백질로, 많은 종류의 다른 단백질들이 위치를 고정하는 데에 작용을 하기도 하고, 특정 기능의 단백질들을 서로 한 군데에 모아주어 신호전달 조절지점으로서 기능하기도 합니다. 세포골격단백질은 세포가 생명현상을 유지하는 과정에서 반드시 필요한 존재로서 수많은 생명현상의 조절과정에서 핵심 인자로 작용합니다. 세포의 분열(cell division), 세포의 이동(cell movement) 등과 같이, 가장 기초적인 생명현상의 작동 과정에서 가장 중요한 조절 인자로 작용합니다.

이처럼 중요한 구조단백질인 세포골격단백질들이 조화로운 변화와 조절을 통해 신경세포의 재생과 퇴행과정에 영향을 미치는지 그 원리를 밝히고자 하는 것은 신경생물학자 및 세포생물학자들의 오랜 관심사입니다. 지금까지 전 세계의 많은 과학자들이 신경의 손상 및 재생 과정에서, 그리고 퇴행이 진행되는 과정에서 세포골격단백질에 어떤 변화가 일어나는지 연구했습니다. 수많은 중요한 과학적 사실을 밝힌 과학자들 중 한 예로, 독일의 신경퇴행성질환 연구센터(German Center for Neurodegenerative Diseases)의 그룹 리더 Prof. Dr. Frank Bradke가 있습니다. Dr. Bradke는 손상 이후 자발적으로 재생이 잘되는 신경세포의 경우, 손상된 축삭(axon) 말단의 세포골격단백질이 특정 재배열이 일어나며 이 과정이 세포의 능동적 조절에 의한 것임을 밝혔습니다. 이 과정이 방해받거나 영향을 받게 되면 신경의 재생 과정 전체에 영향을 주어 재생 효율이 떨어지거나 촉진될수 있음을 증명하였습니다. 이러한 관찰을 바탕으로, Dr. Bradke는 세포골격단백질 중에서 microtubule단백질의 역동성에 직접 영향을 미치는 화학물질을 특정 조건에 맞게 처리할 경우 척수 신경의 재생이 촉진된다는 사실을 보고하여(1, 2) 전 세계를 놀라게 하였습니다.

재생중인 축삭(axon)의 말단, 생장원추(growth cone) 현미경 영상. 재생이 역동적으로 일어나기 위해서, 첫번때 영상의 생장원추처럼, 자신의 구조와 모양을 잘 유지하며 앞으로 뻗어나가야 하고 이 과정에서 세포골격단백질의 정교한 재배열이 요구된다. 그러나 두번째, 세번째의 경우에서 처럼, 이 과정의 조절이 비정상적으로 일어나면 효과적인 재생이 어려우며, 결국 신경세포는 재생 완성에 실패하여 신경퇴행/세포사멸의 과정이 일어난다. 만일 개체 수준에서, 조직 내의 신경세포들에서 이러한 손상이 지속되고 세포골격근단백질의 정상적인 재배열에 부정적 영향이 쌓이게 되면 퇴행/사멸하는 세포의 수가 늘어나게 되고 결국 여러 종류의 퇴행성신경질환이 병증으로서 나타나게 된다. 우리 연구실에서는 재생중인 신경세포의 세포골격근단백질 재배열의 원리를 연구하여 재생과 퇴행을 인위적으로 제어할 수 있는 방법을 찾아보고자 한다.

지금까지 우리 연구실에서 증명한 사실들 중 하나로, filamin A이라는 actin filaments-binding protein의 작용을 통한 생장원추(growth cone)의 기능 조절 및 재생 제어의 예를 들어보면 다음과 같습니다. 우리 연구실은 actin과 결합하여 세포골격단백질의 재배열과 형태 조절에 중요한 역할을 한다고 알려져 있는 filamin A라는 단백질이 손상된 신경의 축삭 말단에서 능동적으로 만들어지고, 이렇게 새로 만들어진 filamin A 단백질의 기능에 의해 재생하는 축삭의 생장원추가 제대로 형성되어 재생을 개시할수 있음을 보였습니다. 만일 filamin A단백질이 없거나, 기능의 작용을 방해받으면 아래 동영상에서 보는 것처럼(두번째 축삭), 생장원추의 형태가 비정상적으로 비대해지고 이로 인해 축삭의 재생이 원활하지 못하다는 것을 밝혔습니다. 실제로 filamin A단백질의 돌연변이로 인한 신경병증관련 유전질환은 많이 보고 되어있으며, 우리 연구진은 아마도 filamin A의 생장원추기능 조절 관련 기능의 이상이 그 주요 원인이 되는 것으로 보고 연구하고 있습니다.

2. 후성유전학적 반응 기작에 의한 기초한 신경재생프로그램의 조절 원리 규명(Understanding molecular mechanisms regulating axon regeneration programs via epigenetic regulatory systems)

지금까지 신경의 재생과 퇴행 연구에 있어서 가장 중요한 질문이자, 연구자들의 실험 모델로 활용되고 있는 사실중 한가지는, 어째서 말초신경계의 신경세포는 자발적 재생능력을 가지고 있지만, 중추신경계의 신경세포는 그렇지 못하는가 라는 것입니다. 즉, 말초신경계의 신경세포의 경우 다양한 종류의 신경손상요인에 대하여 생물학적 대응기작을 발휘하여, ‘재생프로그램’이라고 가정되는 가상의 프로그램을 활성화 하고 이를 통해 재생을 성공시킵니다. 그런데, 뇌, 척수신경 또는 시신경과 같은 중추신경계에 속한 신경세포의 경우 손상 이후 대부분의 경우 ‘재생프로그램’을 활성화시키지 못하고 퇴행/사멸의 길을 걷게 됩니다. 이것은 지금까지 과학적 해답을 찾지 못한 가장 중요한 질문중 하나로서, 만일 그 차이의 생물학적 원인을 찾는 다면, 원리를 응용하여 인위적으로 ‘재생프로그램’의 활성도를 제어할 수 있을 것이라는 가능성을 말합니다. 우리 연구실에서는 지난 시간 동안, 신경 손상 이후 서로 다른 재생 활성도를 보이는 중추신경 및 말초신경사이의 차이를 밝히기 위해, 다양한 비교 관찰 실험을 진행해왔습니다. 그 중에서, 신경 손상 이후 신경재생프로그램을 기능적으로 매개하여야 하는 유전자들의 발현 변화 양상을 표지인자로 하여 분석하였습니다. 즉, 중추신경 또는 말초신경에 인위적인 손상을 가한 뒤에 일정 시간 이후 어떠한 유전자들의 발현 양상이 변화하는가를 유전체 규모에서 분석하였습니다. 그 결과, 재생능력이 뛰어난 말초신경의 신경세포의 경우 손상 이후 후성유전학(epigenetics)적 조절이 중추신경의 경우와 매우 다르게 조절된다는 것을 밝혔습니다 (6, 7). 모든 세포는 특정 신호나 현상에 반응하여 유전자 발현을 조절하기 위해 우선 염색질(chromatin)의 구조를 변형하여야 합니다. 유전자의 발현이 활성화 되기 위해서는 염색질(chromatin)의 구조가 느슨한 구조로 변형되어 특정 유전자 서열 부위가 노출되어야만 합니다. 이 과정의 조절은 다양한 인자들에 의해 조절되며 정교한 생물학 조절체계에 의해 조절됩니다. 이 과정에 문제가 생기거나 차별적 조절이 발생하게 되면 굉장히 많은 현상이 유발될수 있으며 특히 암을 포함하여 많은 종류의 질병에 대한 직접적인 원인으로 작용하기도 합니다. 한마디로 말해서, 후성유전학(epigenetics)적 조절 과정은 생명현상의 가장 기초적인 조절원리로서, 매우 중요한 과정입니다. 우리 연구진은 신경 손상이후 후생유전학적(epigenetic) 조절과정의 차별적 제어에 의해 재생프로그램의 활성도가 변화하며 이 과정에 의해 재생매개유전자들의 발현 양상이 영향을 받는다는 것을 밝혔습니다.

– 후생유전학에 의해 유전자 발현이 조절되는 원리의 한 예로서, chromatin remodelling의 설명 –

3. 축삭내 국지적 단백질번역제어를 통한 신경 재생/퇴행 조절 원리 규명

분자생물학(molecular biology)을 전공으로 연구하는 과학자들의 연구 영역 중 하나로서 단백질이 만들어지는 과정, 즉 protein synthesis 또는 단백질/mRNA 번역translation과정이 있습니다. 대부분의 유전자들은 자신의 기능을 수행하기 위해 최종적으로 단백질로 만들어 져야 하며, 이 과정에서 유전자의 암호가 번역 되어야 하는데, 바로 이 과정에 의해 조절되는 신경 재생 퇴행 과정의 원리를 이해하고자 하는 것이 우리 연구팀의 또다른 질문 중 하나입니다.

– 우리 연구진이 최초로 관찰한 현상으로, 특정 단백질이 신경 손상 이후 axon에서 생성되어, 소포체를 형성한 뒤(영상에서 보이는 이동하는 점) 세포체 방향으로 이동하는 현상 –

지금까지 많은 분자생물학적 연구 도구의 발달에 힘입어, 상당한 종류의 단백질이 axon에서 만들어 진다는 것이 밝혀졌습니다. 특히, 최근의 연구 보고에 의하면 신경 손상에 의해 axon에서 특정 단백질들이 생성되고 이것이 신경의 재생 과정을 조절하는 원동력으로 작용한다는 것이 보고되었습니다.

우리는

4. 신경손상신호전달 원리의 이해와 응용

신경의 손상에 의해 발생하는 신호전달기작에 대하여 많은 시간동안 다양한 연구팀에 의해 연구가 진행되었으며, 지금까지 밝혀진 바로는 JNK/c-Jun pathway, JAK/STAT pathway, mTOR/PTEN pathway 등이 매우 중요하다고 알려져 있습니다. 그럼에두 불구하고 아직까지 신경재생프로그램의 활성화 기작의 전부가 밝혀지지 못하고 잇는 까닭은, 위와 같은 신호전달 기작이 실제로 너무나 많은 다른 생명현상에서 중요하게 작용하고 있는 신호전달기작이기 때문입니다. 아이러니하게도, 그렇기 때문에, 신경의 재생과정에서 위의 신호전달기작이 왜 말초신경에서만 작용을 하고 중추신경에서는 작용하지 않는지 알수가 없습니다. 또한, 신경 재생 과정 만을 위해 존재하는 신호전달 과정이 무엇인지, 분리해내는 것이 쉽지 않습니다.

이에 우리 연구팀은 신경재생과 퇴행을 조절하는 master regulator(핵심조절자)로 알려진 특정 단백질을 기준으로, 이 단백질의 유무에 따라 신경재생프로그램의 활성화 정도를 평가하고, 어떠한 신호전달 기작이 이 단백질의 활성을 조절할 수 있는지, 어떠한 신호전달 기작이 이 단백질에 의해 조절받는지 연구하고 있습니다.

5. 유전체정보기반 신경재생조절인자 대량 검색기술개발과 응용

– 온전하고 건강한 신경의 axon(왼쪽) 또는 물리적 손상을 입은 axon(오른쪽)을 하나의 화면에서 비교한 영상. 밝게 보이는 점은 신경세포의 mitochondria를 나타내고 있으며, 세포가 에너지 대사를 유지하기 위해 반드시 필요한 세포소기관입니다. 신경이 손상되고 일정시간이 지나면, mitochondria의 이동성이 급격히 저해되고, 종국에 가서는 에너지 고갈로 인해 axon의 퇴행이 시작됩니다. 한번 퇴행이 시작된 axon은 비가역적으로 기능과 형태를 상실하여 회복될수 없으므로, 이 시간 이내에 신경의 재생을 도와야 회복이 가능합니다. –

궁극적으로 우리 연구팀은, 세포의 생명현상을 해석할수 있는 많은 방법을 집약하여 신경의 손상과정에서 벌어지는 이들과, 퇴행의 진행에서 발생하는 현상 등을 이해하고자 합니다. 지금까지 수많은 연구팀과 거대 제약회사가 치매치료제의 개발에 실패하고 있는 이유로서, 치매 나아가 퇴행성신경질환의 근본원인이 무엇인지 아직 규정하지 못하고 있기 때문입니다. 신경의 퇴행 현상은 다른 종류 세포의 사멸과는 다릅니다. 특히 구조의 특이성으로 인해 신경세포는 퇴행이라는 특이한 고유 현상을 겪게 되며, 이 과정은 실제로 Sarm-1들과 같은 중요한 단백질에 의해 정교하게 조절되고 있다는 사실이 최근 증명되고 있습니다. 전통적으로 APP 또는 Tau등의 단백질의 비정상적인 변형과 그의 축적이 신경의 사멸을 유발한다고 생각하는 가설모델이 완전히 틀린 것은 아니지만, 원인과 결과 또는 현상 관찰과 원리 이해의 간극을 넘지 못하고 있는 것이 사실입니다. 이에 우리 연구팀은 신경이 재생하기 위해 어떤 원리를 이용하고 있는지, 신경이 퇴행되는 과정에서 어떤 기작이 중요하게 작용하고 있는지 밝히고자, multi-omics analysis를 통하여 다방면적 접근을 시도하고 있습니다. 신경세포가 손상받고 재생하는 과정, 또는 퇴행이 진행되는 과정에서 신경세포가 우리에게 알려주고자 하는 바를 정확하게 이해하는 것이 우리 연구의 가장 큰 목표입니다.