뇌염증 단백질 C8-감마의 역할 규명-뇌염증 및 치매의 진단/치료를 위한 활용 기대

뇌염증 단백질 C8-감마의 역할 규명-뇌염증 및 치매의 진단/치료를 위한 활용 기대

 

등록일 2021.01.07.

 

뇌염증 단백질 C8-감마의 역할 규명
뇌염증 및 치매의 진단/치료를 위한 활용 기대

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 석경호, 김종헌 교수(경북대 의과대학) 연구팀이 치매 병리현상중 하나인 뇌염증에서 농도가 증가하는 생체단백질 C8-감마*의 염증완화 기능을 규명했다고 밝혔다.
※ C8-감마 : 염증반응에 보조역할을 하는 성분 중의 하나인 C8-복합체의 구성 단백체

□ 치매의 주요 병리현상인 뇌염증은 뇌에 발생한 감염에 대응하거나 이물질을 제거하기 위한 세포반응으로, 주로 교세포*(성상교세포와 미세아교세포)의 활성에 의해 일어난다.
○ 경미한 뇌염증은 회복되지만, 과도한 뇌염증은 비가역적인 뇌 손상을 일으켜 치매의 원인으로 작용하기도 한다.
※ 교세포 : 주로 신경세포 생존 및 활성 지지 기능을 가진 성상교세포와 뇌 속 청소를 담당하는 미세아교세포로 구성된다. 병리학적 뇌 환경에서는 뇌염증 기능을 수행한다.

□ 연구팀은 뇌염증이 동반되는 치매 동물모델이나 치매환자의 뇌에C8-감마 단백질 농도가 정상군보다 높게 나타나는 것을 관찰했다. 뇌척수액과 혈액에서도 정상군보다 이 단백질의 농도가 증가해 있었다.
○ 이에 연구팀은 뇌염증 및 알츠하이머병 동물모델을 이용해 급성 뇌염증이 성상교세포를 자극해 C8-감마 발현을 유도한다는 것을 밝히고 이를 실제 알츠하이머 환자의 뇌조직에서 검증하였다.

□ 나아가 C8-감마가 S1P*와 S1PR2(스핑고신-1-포스페이트 수용체2) 간의 상호결합을 경쟁적으로 저해함으로써 과도한 미세아교세포의 활성을 억제하는 기전을 밝혀냈다.
※ S1P(스핑고신-1-포스페이트) : 염증활성 촉진, 세포이동 등 다양한 세포 활성을 유도하는 것으로 알려진 단백질. SIPR2와 S1P의 결합은 미세아교세포의 염증 활성을 촉진함.
○ 치매환자에서 C8-감마의 농도 증가는 진단을 위한 실마리가, 미세아교세포 활성 저해를 통한 염증완화라는 C8-감마의 역할은 치료제 개발 연구의 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다.

□ C8-감마는 다른 조직에서는 C8-복합체 형태로 분비되지만 연구팀이 발견한 독립형 C8-감마는 뇌에서만 특이적으로 발현하여 진단 활용 가능성이 더욱 높고, 또한 생체단백질을 이용한다는 점에서 보다 안전한 치료법 개발의 실마리가 될 것이라는 설명이다.

□ 과학기술정부통신부·한국연구재단이 추진하는 뇌과학원천기술개발사업, 기초연구사업 등의 지원으로 한국과학기술연구원(류훈, 황은미 박사) 및 한국뇌연구원(허향숙, 최영식 박사)과 공동으로 수행된 이번 연구성과는 뇌과학 분야 국제학술지 브레인(Brain)에 2020년 12월 31일자로 온라인 게재(표지논문) 되었다.

주요내용 설명

논문명
Gamma subunit of complement component 8 is a neuroinflammation inhibitor
저널명
Brain
키워드
Complement component 8-gamma(C8-감마), Spingosin-1-phosphate receptor 2(스핑고신-1-포스페이트 수용체 2), Neuroinflammation(신경염증), Glia(신경교세포), Alzheimer’s disease(알츠하이머병)
저 자
석경호 교수(교신저자/경북대학교), 김종헌 교수(제1저자/경북대학교), 루카야 아프리디(Ruqayya Afridi)(공저자/경북대), 한진(공저자/경북대), 정현국(공저자/한국과학기술연구원), 김성찬(공저자/한국과학기술연구원), 황은미(공저자/한국과학기술연구원), 심현수(공저자/한국과학기술연구원), 류훈(공저자/한국과학기술연구원), 최영식(공저자/한국뇌연구원), 허향숙(공저자/한국뇌연구원)

<작성 : 경북대학교 석경호 교수>
1. 연구의 필요성
○ 지난 수년간 많은 다국적 바이오기업들이 치매정복을 위해 천문학적 수준의 투자와 기술개발에 전력투구하고 있지만 사실상 성과는 미미하다. 원인으로 기존의 치매 진단 및 치료 기술은 아밀로이드 베타와 같은 단일 표적에 편중되어 있다는 지적이 제기되고 있다. 치매의 원인은 아직 불분명하며 매우 복합적인 증상을 수반한다. 따라서 치매 특이적인 세포 반응성과 다양한 병리 현상에 대한 연구가 필요하다.

2. 연구내용
○ 최근 치매 발병원인으로 뇌염증에 주목하고 있다. 뇌염증은 이른바 교세포*라 불리는 성상교세포 및 미세아교세포의 작용에 의해 뇌에 발생한 감염에 대응하거나 감염원, 죽은 세포 찌꺼기, 알츠하이머병의 아밀로이드 베타 및 파킨슨병의 알파 시누클레인 등 비정상 단백질들을 제거하기 위한 방어기전이다.
○ 이들 세포는 뇌 속 이물질 및 외부 자극에 반응하여 활성화되고 다양한 단백질을 분비한다. 따라서 이들의 분비 단백질은 치매 뇌 환경을 모니터링 할 수 있는 생물학적 지표로 활용할 수 있다. 경미한 뇌염증은 이로운 작용 후 정상으로 회복되지만, 과도한 뇌염증은 비가역적인 뇌 손상을 일으켜 치매의 원인으로 작용하여 치료 대상이 되기도 한다.
* 교세포 : 주로 신경세포 생존 및 활성 지지 기능을 가진 성상교세포와 뇌 속 청소를 담당하는 미세아교세포로 구성되어 있다. 병리학적 뇌 환경에서는 뇌염증 기능을 수행한다.
* 성상교세포 : 뇌 안에서 가장 많은 수의 분포를 가지는 세포로서, 뇌혈관과 신경세포사이에 주로 위치하여 신경세포가 정상적으로 기능할 수 있도록 도와주는 세포이다. 뇌질환 상황에서는 미세아교세포와 함께 뇌염증에 관여한다.
○ 연구진은 세포 모델과 뇌염증 및 알츠하이머병 동물 모델을 이용하여 급성 뇌염증이 성상교세포를 자극하여 C8-감마 발현을 유도한다는 것을 밝혔고 알츠하이머 환자의 뇌 조직에서 이를 검증했다. 이어 뇌척수액과 혈액을 이용하여 알츠하이머병 환자의 치매성 뇌염증에 대한 진단기술 활용의 가능성을 확인했다.
○ 또 성상교세포에서 발현이 증가한 C8-감마가 미세아교세포의 활성을 억제하여 뇌염증 억제 및 치매 증상을 완화한다는 것을 밝혔다. 이에 대한 기전으로, C8-감마는 스핑고신-1-포스페이트(S1P)*가 스핑고신 -1-포스페이트 수용체2 (S1PR2)와 결합하는 것을 경쟁적으로 저해 하여 과도한 미세아교세포의 활성을 억제한다고 밝혔다.
* S1P는 염증활성 촉진, 세포이동 등 다양한 세포활성을 유도하는 것으로 알려져 있고 연구진은 뇌염증 및 치매 뇌 환경에서 증가된 S1P와 S1PR2와의 상호작용이 미세아교세포의 염증 활성을 촉진한다는 것을 밝혔다.

3. 기대효과
○ 연구진은 염증반응의 보조역할을 하며 염증을 촉진하는 다른 보체 성분과 달리 C8-감마는 독립적으로 발현되며 다른 기능을 하고 있다는 것을 밝혔다. 특히 뇌 밖에서는 C8-알파, 베타, 감마가 결합한 상태인 C8-복합체로 혈액 내에 존재하지만, 뇌 속에서는 오직 성상교세포가 독립형 C8-감마를 주로 발현하고 분비하는 것을 실험적으로 확인했다. 이는 C8-감마를 이용한 뇌염증 및 치매 특이적 진단기술 개발을 위한 기초자료로 쓰일 수 있다.
○ 연구진은 또 일반 보체 성분의 기능과는 다른 C8-감마의 뇌염증 억제성을 실험적으로 규명했다. 지금까지 C8-감마는 단순히 C8- 복합체를 지지하는 부가적인 구성체로 인지되어 왔다. 하지만 연구진은 C8-감마의 면역성 칼린(immunocalin)으로서의 역할을 규명했다. S1P와 S1PR2의 작용에 대해 다양한 기능이 보고되어 있으나 신경계에서는 아직 불명확하다. 신경계의 S1PR2 기능에 대한 새로운 이해를 돕는 한편 약물개발의 새로운 표적을 제시한 것으로 보인다.
○ 다발성경화증 및 퇴행성 뇌질환에 대해 치료제로 사용되었던 핑골리 모드는 스핑고신-1-포스페이트와 수용체 저해 기능을 바탕으로 사용되고 있으나 뇌 특이성이 없다는 것이 단점이었다. 이에 비해 C8-감마는 경쟁적 억제효과를 나타내기 때문에 보다 안전하고 뇌 특이적인 치료제 개발연구의 단초가 될 수 있다.
○ 밝혀진 C8-감마의 뇌 특이적 발현양상과 뇌염증 억제활성은 치매의 진단 및 치료 연구를 위한 기초자료가 될 것으로 전망한다.
○ 이번 연구를 통해서 새롭게 발견한 C8-감마의 뇌 특이적 발현양상과 뇌염증 억제 효과는 치매의 진단 및 치료에 동시 활용이 가능하며, 이러한 면에서 그 임상적 응용 가치가 매우 높다. 이러한 C8-감마 단백 기반의 치매 진단 및 치료 가능성은 이미 국내 특허등록 및 해외 특허 출원* 완료하였으며 실제 활용 가능한 제품 개발을 위해 관련 분야의 유망 기업과 협업을 희망한다.
* 보체성분 C8 감마를 이용한 알츠하이머병의 진단 방법, 2020, 발명자(석경호, 김종헌), 국내 특허등록(10-2089032) 및 PCT 출원(PCT/KR2020/010227)
보체성분 C8 단백질 또는 이의 단편을 포함하는 신경염증성 질환 치료용 조성물, 2020, 발명자(석경호, 김종헌), 국내 특허등록(10-2107214) 및 미국 출원 결정(PCT/KR2019/002632)

그림 설명

 

그림1. 알츠하이머병 뇌에서 C8-감마의 발현 변화 및 기능 규명
C8-감마는 일반적으로 혈액 내에서는 C8-복합체를 이루어 숙주를 보호하는 면역반응에 관여한다고 알려져 있었으나, 본 연구진은 C8-감마가 뇌에서도 발견되며 특히 알츠하이머병과 같은 뇌염증 상황에서 성상교세포에서 특이하게 발현이 증가되어 항염증 기능을 나타내는 것을 규명했다. 성상교세포(적색), C8-감마(흑색).

그림설명 및 그림 출처 : 경북대학교 석경호 교수

 

그림 2. 알츠하이머병 환자 뇌 조직에서 과활성화된 성상교세포의 C8-감마
알츠하이머병 환자 뇌의 과활성된 성상교세포에서 증가된 C8-감마의 발현을 확인했다. 성상교세포(적색), C8-감마(흑색).
그림설명 및 그림 출처 : 경북대학교 석경호 교수, 한국과학기술원 류훈 교수

 

 

 

 

 

 

그림 3. C8-감마의 발현 및 기능 기전
C8-감마는 급성 뇌염증 인자에 의해 성상교세포에서 발현이 증가하고 분비된다. 한편 뇌염증 상황에서 스핑고신-1-포스페이트(S1P)가 스핑고신-1-포스페이트 수용체2(S1PR2)에 작용하여 미세아교세포의 활성을 유도하는 과정에 대해 C8-감마가 이들의 상호작용에 대해 경쟁적으로 저해하여 미세아교세포의 활성을 억제한다는 것을 규명했다.

그림설명 및 그림 출처 : 경북대학교 석경호 교수

연구 이야기

<작성 : 경북대학교 석경호 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

의료기술 및 서비스의 발달로 인류는 초고령화 사회로 진입하고 있다. 이로 인해 치매의 발병률은 크게 증가될 것으로 예상되며 이에 대한 시급한 대비가 필요하다. 본 연구진은 교세포라는 비신경세포가 뇌에서 가장 많이 분포하고 있으며 치매성 뇌 환경 변화에 가장 민감하게 반응한다는 점을 이용하여, 치매 초기부터 발생하는 뇌 이상 및 뇌염증 반응이 치매 조기진단의 열쇠가 될 수 있으며 이를 제어하는 기술로 치매를 완화할 수 있을 것으로 예상하여 연구를 진행했다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구의 시작은 뇌염증을 유도한 마우스의 뇌에서 리포칼린의 변화를 관찰하면서부터였다. 리포칼린은 인간의 체액에서 흔히 발견되는 분비 단백질로 다양한 생리적 기능을 수행한다. 그중 면역칼린이라 불리는 리포칼린은 염증반응과 밀접한 관련이 있다.
본 연구진은 염증 자극 후 변화되는 리포칼린 중 보체 성분 C8-감마의 변화에 주목했다. 문헌 조사에서 흥미롭게도 단백질의 이름에서부터 알 수 있듯이 혈액 내 면역반응 중의 하나인 보체 역할을 수행할 것으로 예상되는 C8-감마가 다른 보체 성분과는 다른 유전자 좌위를 가진다는 소수의 연구 결과가 보고되어 있었다. 특히, 뇌에서의 발현과 기능은 전혀 알려지지 않았다.
이에 뇌염증이 유도된 마우스의 뇌에서 C8-감마를 염색하여 위치를 확인한 결과, 과활성된 성상교세포에 특이적으로 발현되는 것을 확인했고 C8-복합체의 다른 아형인 C8-알파, C8-베타와는 달리 C8-감마의 발현이 독립적으로 증가하는 것을 확인했다. 즉, 기존에 알려진 C8-복합체를 지지하는 단순한 기능을 가질 것이라는 예상과 달리 독립적인 기능을 가지고 있을 것으로 예상하고 이를 증명하기 위해 염증 활성화된 교세포에 C8-감마 재조합 단백질을 처리 후 반응성을 관찰해보았다. 그 결과 C8-감마는 미세아교세포의 염증 활성에 대해 억제성 기능을 가지고 있다는 것을 확인했다. 이에 관한 기전 연구를 위해 세포 밖으로 분비된 C8-감마가 미세아교세포의 수용체에 작용할 가능성이 있다는 가설을 세우고 단백질 구조 기반 상호결합성을 예측해주는 데이터베이스와 분자생물학적 기법을 이용하여 스핑고신 포스페이트-1 수용체2와 결합할 가능성이 높다는 것을 알게 되었다.
흥미롭게도 스핑고신-1-포스페이트는 뇌염증 및 알츠하이어 병의 주요 병인으로 알려져 있다. 따라서 본 연구진은 알츠하이머병 동물 모델과 환자의 뇌에서 C8-감마의 발현을 확인했고 뇌염증 마우스와 유사하게 발현이 유도 및 증가되는 것을 확인했다.
이어 알츠하이머병 환자의 체액에서 C8-감마가 검출되는지를 확인했고 뇌척수액과 혈액에서 증가하는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 치매 뇌 염증 진단용 바이오마커 활용 가능성을 확인했다. 이어 C8-감마의 항염증 기능이 치매 증상을 완화할 수 있는지 확인하기 위해 치매 동물 모델을 이용하여 C8-단백 주입 및 유전자 넉다운 후 치매 증상을 대조군과 비교했다. C8-감마 단백의 주입은 치매 마우스의 기억력 감퇴를 완화했으며 유전자 넉다운으로 인해 증상이 심해지는 것을 확인했다. 이러한 결과로 C8-감마의 항염증 기능이 뇌염증을 제어하여 치매 증상을 완화할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

지금까지 다른 보체 성분에 관해서는 이미 많은 연구가 진행되었으나 C8-감마에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 연구의 방향성을 설정하는데 있어 어려운 점이 많았다. 단백체 데이터베이스 조차도 C8-알파와 C8-감마를 같은 단백체로 분류하거나 잘못된 정보로 게재된 경우도 있었다. 항체 및 원인/결과 분석을 위한 넉아웃 마우스 등 연구 자원도 부족했다. 이러한 장애 요소에도 불구하고 꾸준히 한 단계씩 나아가 결국 독창적인 연구를 수행할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

보체 성분은 일반적으로 감염원에 대한 방어기전으로 염증을 유발하는 것으로 알려져 있다. C8-감마 또한 보체 성분의 일원일 것이라는 추측과 함께 크게 주목 받지 못하고 있었다. 하지만 본 연구진은 기존에 알려진 사실과 다르게 초기 뇌염증 반응으로 C8-감마가 뇌의 성상교세포에서 특이적으로 발현되는 것을 확인했고 뇌염증을 억제한다는 것을 처음으로 규명했다. 또한 이를 이용하여 C8-감마의 치매 조기진단 기술 응용 가능성과 스핑고신 포스페이트-1 수용체2의 저해 효과를 기반으로 뇌염증 치료제 개발 활용 가능성을 밝혔다. 즉, 치매 진단 및 치료가 동시에 가능한 C8-감마 단백을 발견하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

C8-감마가 C8-복합체와 결합하는 기전을 연구하여 뇌 및 치매 특이성이 더욱 향상된 항체 및 진단 키트를 개발하고자 하며, 스핑고신 포스페이트-1 수용체2는 뇌혈관에도 많이 분포되어 있어 C8-감마가 뇌혈관성 치매 및 뇌혈관 염증에도 효과가 있는지 연구하고자 한다. 또한 뇌염증은 치매뿐만 아니라 퇴행성 뇌질환의 공통적인 반응성이기 때문에 따라서 C8-감마의 치료 효과가 다른 다양한 뇌질환에도 나타나는지 연구할 계획이다.