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신경퇴행을 유발하는 돌연변이?
PrLD(prion-like-domain, 프리온 유사 도메인)과 같은 독특한 프리온을 포함한 250개의 인간의 단백질 중 퇴행성 신경질환과 관련된 여러 RNA-결합 단백질의 알고리즘을 예측하여, 정식 효모 프리온을 식별하는 연구이다. 사람에게는 200가지 이상의 RNA 결합 단백질들이 존재하며, 추가적인 RNA 결합 단백질들이 루게릭병(ALS, amyotrophic lateral sclerosis)의 병리(pathology)에 관여할 가능성이 있다. 단백질 서열에 기초하여 효모의 프리온을 확인하기 위해서 만들어진 컴퓨터 알고리즘들을 이용하면, 퇴행성신경질환과 관련이 있는 몇 가지 RNA 결합 단백질들을 포함하여 약 250개의 사람 단백질이 독특한 프리온 유사 영역을 가지고 있는 것으로 예측되고, 이들 영역은 어떤 단백질 복합체들의 회합에 필수적이다.
그러나, 사람의 프리온 유사 영역들과 질병간의 상호작용에 대해서는 아직 잘 이해되지 않고 있다. 이전 연구에서 ALS 환자들에서 TAF15와 EWSR1 돌연변이가 발견되고 건강한 사람에서는 그렇지 않다는 것을 밝혔다. 이러한 이전의 연구결과에 근거하여, 프리온 유사 영역을 가진 RNA 결합 단백질들이 ALS와 관련 뇌 질환의 병리에 광범위하게 기여할 수도 있다고 이 연구팀은 생각한다. 이 연구에서는 이질적인 핵 리보 핵 단백질(hnRNPs)의 프리온 유사 도메인(PrLDs)의 병원성 변이가 근육과, 뇌와, 운동신경과 뼈, 그리고 루게릭 병에 어떤 영향을 미치는지 두 가족을 대상으로 연구하였다.
대상 및 분석 방법
전측두엽 치매(frontotemporal dementia)를 동반한 근육병을 앓고 있는 두 가족 연구로, 마이애미 대학의 기관 심사위원회는 연구 프로토콜을 승인하였고, 모든 참가자의 서면 동의를 받았다.
DNA의 엑솜농축은 제조 업체의 프로토콜에 따라, SureSelect 휴먼 엑손 키트 캡쳐 라이브러리를 사용하여 수행되었다. 캡쳐 라이브러리는 NCBI 코딩 서열 데이터베이스의 모든 인간의 엑손을 대상으로 설계되었다. 캡쳐 된 DNA는(100bp) Illumina의 GAIIx 시퀀서로 시퀀싱 하였다. 시퀀싱 데이터의 충분한 커버리지를 생성하기 위해 적어도 각 두 개의 샘플을 수집 하였다. 이미지 분석과 콜링은 기본 매개 변수를 사용하여, Illumina의 게놈 분석기 파이프 라인 소프트웨어를 사용하여 수행했다. 유전자형은 인간 레퍼런스 시퀀스(UCSC hg19, NCBI)의 정렬로 읽었고, CLC Genomics Workbench v4.5.1(CLC 바이오)를 사용하여 높은 품질로, 최소한의 범위에 있는 모든 위치에서 호출되었다. 각 샘플의 경우, 평균 depth의 범위에 있는 타겟 엑손 영역에 매핑 하였고, 같은 범위에서 병원성 변이를 확인하기 위하여 일련의 필터를 거쳤다.
첫 번째에서 아미노산 서열이 변경되지 않은 변이를 폐기하였고, 그 영향을 받는 목록을 생성했다. 이전에 생명 공학 정보를 위한 국립 센터 주최 단일 염기 다형성 데이터베이스(dbSNP132)에 보고 된 변종은 제외 되었다. 변형은 데이터베이스(625명의 개인에서의 엑솜시퀀싱 결과 변종의 집합)를 사용하여 필터를 거쳤다. 마지막으로 비병원성 돌연변이를 제외 할 목적으로 각 가정에서의 세 추가 구성원의 DNA를 대상으로, 생어시퀀싱을 수행했다. 이러한 과정으로 밝혀진 돌연변이를 신경 퇴행성 질병을 일으킬 수 있는, 후보 변이로 선정하였다.
루게릭병 돌연변이 식별 : hnRNPA2B1 및 hnRNPA1의 세포질 병리
두 가족의 DNA 샘플은 Affymetrix의 게놈 전체의 인간 SNP 배열 6.0(human SNP array 6.0)을 사용하여 지노타이핑 하였다. SNP 유전자형 호출은 표준 Affymetrix의 프로토콜에 따라 수행했다. 분석 결과 근육, 뇌, 모터 뉴런 그리고 뼈에 영향을 미치는 희귀한 유전성 퇴화(inherited degeneration)가 있는 두 가족과 가족성 ALS 환자에 hnRNPA1과 hnRNPA2B1에서의 돌연변이가 존재했다. 이 돌연변이들을 추가 검증하기 위하여, 같은 방법으로, 두번째 가족을 추가 분석하였다. 두 단백질 hnRNPA1과 hnRNPA2B1에서의 돌연변이는 프리온 유사 영역에 위치했고, 이들 단백질의 “sticky(붙는)” 영역과 일치해서, 이들 영역이 자가 조직화 미소섬유로의 회합을 더 쉽게 만든다. 즉, 이들 단백질의 정상 형(normal form)은 원래 미세섬유로 화합하는 경향성을 보이는데, 이것이 돌연변이로 더 강해지는 것이다.
야생형(wild type)의 hnRNPA2와 hnRNPA1은 질병 돌연변이에 의해 자체 미소섬유 형성이 악화되는 본질적인 경향을 보인다. 병원성 돌연변이가 PrLD의 'steric zipper'를 강화하는 원인이 되는 것이다. 이는 자체 섬유의 형성을 촉진하는 hnRNP의 크로스 시드 폴리 중합체(cross-seed poly merization)로서, 질병 돌연변이 스트레스 과립에 hnRNPA2 및 hnRNPA1 초과 결합을 촉진하고 인간의 병리의 요점이 되며, 동물 모델에서 세포질 포함물의 형성을 조절한다. 따라서, PrLD에서의 강력한 돌연변이 'steric zipper'로 인한 조절장애로, 중합 퇴행성 질환이 시작되는 것일 수 있다. PrLDs과 관련된 단백질 때문에 뇌 운동, 신경, 뼈에 이상이 생기기 시작하고, 근육의 병증으로 전파되는 이유일 수 있는 것을 고려해야 한다.
질병 돌연변이가 hnRNPA2 및 hnRNPA1의 미소섬유 형성을 가속화
정상적인 단백질이 모여 미소섬유가 형성되는 것을 이들 돌연변이가 가속화한다는 설명이다. 그리고, 이러한 통제를 벗어난 결합이 질병화에 기여할 가능성이 있다. 실제로, 사람의 퇴행성 신경질환의 동물 모델에서, 이 질환성 돌연변이들은 또한 세포 내부 스트레스 입자(stress granules)로의 단백질의 과도한 합병(Incorporation) 그리고 세포 내 덩어리(clumps) 형성을 촉진한다. 어떤 단백질의 회합을 조절하는 환경적 스트레스나 다른 요인에 의해 통제를 벗어난 미소섬유의 형성이 자발적으로 개시된 것의 결과로 퇴행성 신경질환이 발생할 수도 있다.
결론
순수 단백질 생화학의 이해로 유전적 돌연변이가 어떻게 병인이 되고 질병의 원인이 되는지를 보여 주는 예시가 된 연구이다. 또한 이번 발견으로 질병의 원인 돌연변이가 프리온 유사 영역의 점착력을 높혀, 덩어리가 더 잘 만들어지게 한다는 예측이 확인되었다. 단백질의 프리온 유사 도메인으로부터 만들어지는 미소섬유와 관련된 질환은 "확산되는 병리"를 보이는데, 이 경우 포함물(inclusions)을 통한 세포 퇴화가 뇌의 한 중심부에서 시작되고 주위 조직으로 퍼진다. 논문에서 직접적으로 언급되지는 않았지만, 자가 주형화 단백질(self-templating protein)의 세포에서 세포로의 전달(transmission)이 이들 질환의 특성이 되는 확산 병리에 기여할 수도 있다. 프리온 유사 도메인을 가지고 있는 관련 단백질들이 근육, 뇌, 모터 뉴런 그리고 뼈에 있어 유사한 병리를 개시하고 증식시키는 후보자로 고려되어야 한다는 결론이다.
맺음말
본 연구는 RNA 결합 단백질의 돌연변이가 어떻게 질병 및 특정 신경 퇴행을 유발하는지 알 수 있는 연구이다. 내용으로는 전측두엽 치매(frontotemporal dementia)를 동반한 근육병을 앓고 있는 두 가계에서 RNA 결합 단백질인 hnRNPA2B1과 hnRNPA1에서 돌연변이를 확인하였다. hnRNP란, RNA 결합 영역에 있는 단백질에서 특히, mRNA에 결합하는 단백질로, 헤테로 핵 리보실 단백질이라 한다. 이 두 돌연변이는 프리온 단백질과 유사성을 지닌 매우 잘 보존된 단백질 도메인 부위에 위치하고 있었으며, 응집되는 경향성을 가지고 있었다. hnRNPA2의 변이된 프리온 유사 도메인은 효모의 프리온 단백질로 기능적으로 대체 가능하며, 프리온 유사 작용을 재현하였다. 질병 돌연변이가 hnRNPA2 및 hnRNPA1의 미소섬유 형성을 가속화 하여, PrLD에 영향을 미친다. 정상적인 단백질이 모여 미소섬유가 형성되는 것을 이들 돌연변이가 가속화한다는 설명이다. 그리고, 이러한 통제를 벗어난 결합이 퇴행성 질환의 발병 원인과 관련되어 있으며, 루게릭 병과 같은 단백질질환과 관련성이 있을 것으로 보인다. 포함체 근육염(IBM, inclusion body myositis)과 관련된 뼈의 파젯병(변형성 골염, PDB, Paget's disease of bone), 전측두엽 치매와 루게릭병 등의 희귀한 유전질환에 대한 유전적 기능의 기초를 설명하는 것은 일반적인 질병의 분자적 병인에 대해서도 중요한 통찰력을 제공할 수 있다.
참고문헌
Mutations in prion-like domains in hnRNPA2B1 and hnRNPA1 cause multisystem proteinopathy and ALS
http://www.nature.com/nature/journal/v495/n7442/full/nature11922.html
역저자
글 : Jung.EunByoul
편집 : Park.HyeonJi, Lee.HyungKi
키워드 : PrLD(prion-like-domain, 프리온 유사 도메인), 루게릭병(ALS, amyotrophic lateral sclerosis), 전측두엽 치매(frontotemporal dementia), hnRNPA2B1 및 hnRNPA1, steric zipper, 등
