바이오인

 

신경퇴행질환은 중추신경계의 기능과 구조가 점진적으로 망가지는 질환으로 질병관련 뇌부위 위축과 단백질 응집을 특징으로 한다. 최근 유전체 분석, 질병 모델링, 줄기세포 분화, CRISPR, 분석 도구들의 혁신과 함께 질병 메커니즘 이해가 큰 진보를 이루었으나, 아직 유효한 치료제가 없으므로 신약개발이 시급한 분야이다. 11번째 개최되는 2020년 콜드스프링 하버 신경퇴행질환 컨퍼런스는 12월 2일부터 4일까지 온라인으로 진행되었으며, 신경퇴행질환들의 원인 유전자 규명, 효과적 치료전략, 질병의 세포 메커니즘 등에 대한 배움과 토론의 장이었다.

키워드: 신경퇴행질환, 단백질 응집, 아교세포 생물학, 치료제 개발

분야: Cell_Biology, Genetics, Neuroscience

 

 1. 학회 소개 및 기조연설

2. 신경퇴행질환에서 유전학, 유전체, 표적 확인

3. 신경퇴행에서 신경염증 및 아교세포 생물학

4. 신경퇴행 질환에서 치료 전략

5. ApoE 와 지질대사

6. 신경퇴행에서 엔도리소좀 기능 이상

7. 신경퇴행을 연구하기 위해 최신기술

8. 총평

  

1. 학회 소개 및 기조 연설

 

1.1. 학회 소개

 

신경퇴행질환은 중추 신경계의 구조와 기능이 점진적으로 망가지는 여러 가지 질환의 집합으로서 알츠하이머병과 파킨슨병이 대표적이다. 주요한 특징은 뇌 위축(brain atrophy)과 단백질 응집이다. 최근 기술의 발전을 통해 신경퇴행질환의 원인과 치료 전략에서 많은 발전을 이루었다. 예를 들어, 대규모 환자 GWAS 분석과 환자 가계도 분석을 통한 질병 원인 유전자 및 변이 규명, 생쥐와 인간 iPSC 분화를 이용한 in vivo 및 in vitro 질병 모델링, 단세포 서열분석 및 면역 화학염색을 통한 각각의 신경퇴행질환에 취약한 뇌세포 타입(신경세포, astrocytes, microglia, oligodendrocytes)의 확인 등이 이루어졌다. 이러한 연구결과를 바탕으로 여러 질병 타겟 단백질들이 도출되었고, 유전자 치료, antisense oligonucleotides (ASO) 투여, 뇌혈관 장벽 투과 단백질 혹은 항체 투여, 저분자 화합물 등의 방법을 통해 비임상 및 임상 치료가 진행 중에 있다.

 

11번째 열리는 2020년 콜드스프링하버랩 신경퇴행질환 미팅은 COVID-19 때문에 12월 2일부터 4일까지 온라인으로 진행되었다. 이 미팅의 목적은 아카데믹에 있는 연구자들과 바이오텍 및 제약회사 연구자들과 토론과 배움의 장을 제공하고, 질병의 이해와 치료 방법의 개발을 촉진하는 것이다. Aaron Gitler (Stanford University), Richard Ransohoff (Third Rock Ventures), Scott Small (Columbia University), Li-Huei Tsai (Massachusetts Institute of Technology)가 이번 미팅을 조직하였고, 신경퇴행질환 표적 확인, 신경 퇴행 생물학, 치료제 개발에 대한 발표 내용 이외에 GWAS에서 알츠하이머 질병에 강한 연관성을 나타내는 ApoE, 엔도리조솜의 구조와 기능, 환자 줄기세포와 CRISPR 기술의 응용에 대한 발표들이 있었다.

 

본 분석물은 학회 참석자에게 공개된 온라인 발표를 중심으로 정리하였다. 학술 발표 이외에도 ‘과학, 사회, COVID19’에 대한 패널 회의, 뇌세포 in vitro 모델링을 위한 줄기세포 기술 워크숍, 아이스브레이킹 이벤트 및 Zoom을 이용한 온라인 네트워킹 등의 이벤트들이 진행되었다.

 

1.2. 기조 연설 - Virginia Lee (University of Pennsylvania School of Medicine)

- 제목: Transmission of Misfolded Proteins in Neurodegenerative Disorders: A Common Mechanism of Disease Progression

 

  • 단백질 응집은 신경퇴행질환의 주요한 특징이다. 아밀로이드 β는 알츠하이머병, Tau는 frontotemporal dementia (FTD), α-시누클린은 파킨슨병, poly Q는 헌팅턴병, TDP43는 ALS와 FTD, 프라이온은 Creutzfeldt-Jakob Disease (CJD)에서 응집을 나타낸다. 이러한 신경퇴행질환의 또 다른 공통된 특징은 병리 현상이 세포를 따라 퍼진다는 것(stereotypical spreading)이다 (Nature. 2013 Sep 5;501(7465):45-51).

  • Corticobasal Degeneration (CBD), FTDP-17, Pick’s disease, Progressive supranuclear palsy (PSP) 등은 Tau 병리를 나타낸다. 파킨슨병, 알츠하이머병의 50%, Lewy body를 가진 치매 등은 α-시누클린 병리를 나타낸다. ALS, FTD, 알츠하이머병은 TDP43 병리를 나타낸다. Tau, α-시누클린, TDP43 병리에 대한 주요 가설은 다음과 같다.

    o Transmission hypothesis: 병리들이 세포를 통해 퍼지는 것이 생쥐에서 관찰되었다.

    o Strain hypothesis: 병리를 일으키는 strain들이 다양하므로 환자들의 병리는 이질적(heterogenous)이다.

  • 이를 확인하기 위해 α-시누클린 pre-formed fibril (PFF)을 생쥐의 선조체 등 쪽에 주입했을 때 30일 후부터 병리 전파가 확인되었다. 이때 Lewy body도 관찰되었고 도파민 신경세포의 점진적 퇴행과 운동 행동 이상도 관찰되었다.

  • T40 (Hep-T40) PFF를 생쥐 해마에 주입했을 때 효과가 없었고, 합성 Tau PFF를 주입했을 때 약간의 효과가 있었다. 하지만 알츠하이머 환자에서 추출한 Tau를 주입했을 때 효과가 강하게 나타났다 (J Exp Med. 2016 Nov 14;213(12):2635-2654.). 해마 등 쪽 부위와 연결된 다른 여러 부위에서 Tau 병리를 나타냈는데, 병리가 나타나지 않은 부위도 있었다.

  • TDP43의 경우 CamKIIa에 특이적으로 인간 TDP43 NLSm을 발현하는 생쥐를 이용하였는데, inclusion body 형성이나 수명에서 대조군과 큰 차이가 없었다. 그러나, FTDP 환자의 TDP43 추출물을 주입했을 때 큰 차이를 나타냈다 (Nat Commun. 2018 Oct 11;9(1):4220.).

  • 이러한 병리 전파 모델을 기반으로 한 치료 전략은 (1) 병리 혹은 응집 단백질 분비 억제 (2) 병리 혹은 분비 단백질 흡수 억제 (3) seeding 억제 (4) 응집 단백질 분해가 될 것이다. 또한, 적합한 약물을 질병 시기에 따라 적합하게 사용하는 것이 중요할 것이다 (Todd E Golde 2018 Science).

  • 최근에 사용되고 있는 치료 전략은 (1) 단백질 응집 제거 (2) 유전자 진단로 위험 요소를 확인해서 응집 메커니즘에 영향을 주지 않도록 조절 (3) 신경 염증 감소 (4) 뇌의 노화가 질병으로 이어지지 않도록 조절 등이 있다.

  • Tau 질환인 알츠하이머병 (AD), Corticobasal Degeneration (CBD), Progressive supranuclear palsy (PSP)에서 세포에 염색된 Tau 병리의 크기가 달랐고, 병리를 나타내는 세포 타입도 달랐다 (Virginia Lee 2001 Ann Rev Neuro). Tau는 몇 가지 다른 구조적 형태로 응집되어 세포 타입, 뇌 부위, 질병 진행 등에서 차이를 나타낼 수 있다. 각 환자들의 추출물을 생쥐에 주입했을 때 영향력과 세포 타입 특이성에 차이를 나타냈다. 이 중에서 PSP 환자에서 Tau 추출물이 가장 강한 병리를 나타냈다 (Narashimhan S. J Neuro 2017). 또한 CBD와 PSP 환자 추출물은 아교세포에 병리를 나타냈으나, AD 환자 추출물은 그렇지 않았다. 전파 부위를 확인했을 때는 전체적으로 크게 다르지는 않았다.

  • 알츠하이머 환자의 Tau를 아밀로이드 β 응집을 생성하는 생쥐에 넣었을 때 Tau 응집은 아밀로이드 β 근처의 neurites에 나타났다 (He Nat Med 2018).

  • GWAS 연구를 통해 여러 위험 인자들이 밝혀졌는데, 이러한 유전자들도 Tau 병리를 조절함으로써 신경퇴행을 일으킬 수 있다. 그 중에 한 예는 mammalian suppressor of tauopathy2 (MSUT2, ZC3H14)인데 PS19 생쥐에서 MSUT2를 제거하면 Tau 병리가 감소한다. 반대로 과발현시키면 Tau 병리가 증가한다 (JM Wheeler et al. Sci Transl Med (2019)). 또 다른 예로는 neurite에 발현하는 Tau 병리는 TREM2를 감소시킬 때 유의하게 증가한다 (CEG Leyns et al. Nat Neurosci (2019)).

  • 결론적으로, 이질적인 병리 단백질 응집의 전파는 신경퇴행 질환에서 질병 진행과 병리의 공통 메커니즘이고 이러한 결과들은 질병 메커니즘과 치료 전략 수립에 중요하다.

 

2. 신경퇴행질환에서 유전학, 유전체, 표적 확인

 

2.1. Sally John (Biogen)

- 제목: Genomic investigation of the human brain transcriptome, CSF and plasma proteome and biomarkers of disease progression guides target validation in neurodegenerative diseases

 

  • 신약개발에서 유전자 변이 정보는 중요하다. 2019년 FDA 승인된 약물 중 상당수가 유전학의 도움을 받았다. 이번 발표의 세 가지 내용은 (1) CNS 유전자 변이를 밝히기 위한 Meta-brain project, (2) 다발성경화증 임상 실험에서 뇌 축소증에 관련된 유전자 확인, (3) 루게릭 질병에서 질병 진행과 관련된 유전자 확인이다.

  • Cis-Expression quantitative trait loci (eQTL)은 관련된 유전자의 역할을 세포 타입 의존적으로 해석할 수 있게 한다. 출판된 14개의 신경 조직 RNA-seq 데이터를 합친 결과 6개의 eQTL 데이터 세트(cortex, basal ganglia, hippocampus, spinal cord 포함)를 생성하였고 ~12,000 cis-eQTL을 확인하였다. 이 중 40%는 1번 이상의 빈도를 나타냈다. 이 결과에서 cortex eQTL이 GTEx 의 eQTL과 방향성이 99% 일치하였고, 혈액의 eQTL과는 76%로 방향성 일치가 적게 나타났다.

  • 세포 타입에 따라 분석하기 위해서는 단세포 RNA-seq 데이터가 필요하다. 단세포 데이터가 충분치 않기에 bulk RNA-seq 데이터에 bulk tissue eQTL deconvolution을 적용하였다. 즉, bulk tissue데이터에서 세포 타입의 구성을 알아내고 여기에 따라 변화를 나타내는 eQTL을 찾았다. 그 결과, eQTL의 약 8%가 세포 타입 의존적이었다. CYP24A1이 신경세포에서 다발성 경화증 위험요소로 확인되었고, 해당 단백질은 활성 비타민 D를 분해하는 역할을 한다.

  • 다발성 경화증에서 연관된 유전자를 찾기 위해서 Genentech와 함께 각각 세 개의 독립적 임상시험을 진행했다. MRI로 측정한 뇌부피와 혈액의 sNfL 수준을 측정하여 GWAS와 연관성을 분석하였다. 그 결과, 9번 염색체에 있는 조절 부위를 찾았는데, sNfL 등의 다른 특성과 연관된 GWAS와는 일치하지 않았다. 현재는 MS PATHS를 통해 환자 수를 늘려서 분석하려고 계획 중이다.

  • ATXN2에서 CAG 염기서열이 30번 이상 반복되면 ALS 리스크가 증가한다. 그리고 ATXN2를 제거하면 TDP-43에 의한 독성을 감소시킬 수 있다. 이 ATXN2 CAG 반복서열이 질병 진행과 상관이 있는지 보기 위하여 반복이 30개 이상인 그룹을 분석하였을 때, 질병 진행 속도가 더 빠르다는 결과를 보여주어 반복 개수와 질병의 진행 속도가 어느 정도 비례함을 보여 주었다. 현재 ATXN2의 antisense oligonucleotide인 BIIB105로 임상 1상을 진행 중이다.

 

2.2. Edward Lee (University of Pennsylvania)

- 제목: Vacuolar tauopathy is associated with a hypomorph VCP mutation

 

  • 아밀로이드 응집이나 Tau 응집은 상염색체 우성 변이에 의해 발생한다. bvFTD (The behavioral variant of Frontotemporal dementia)가족에서 VCP 변이 p.Asp395Gly를 확인하였다.

  • Vacuolar tauopathy는 FTLD-Tau의 새로운 형태인데, vacuole과 tau는 조직 염색으로 관찰할 수 있다. Vacuole은 lysosomal markers (EEA1, CD68, Lamp1)로 염색했다. Vacuolar tauopathy regional variability (즉, primary visual cortex, superior cortex, dorsolateral prefrontal cortex)를 비교할 때, 순서대로 vacuole 크기가 달랐으며, PHF1을 이용한 Tau 염색 정도와 반비례하였다.

  • VCP는 Type II AAA+ ATPase 인데, segregase로 알려져 있다. Hexamer를 형성하는데 구조가 2019년 Science에 발표되었는데, 단백질 응집체 구조를 풀어주는 역할이 있다.

  • VCP는 여러 기관에 단백질 병증을 일으킬 수 있는데 연관된 질병으로는 Inclusion body myositis (IBM), Parkinson disease (PD), FTD/ALS 등이 있다. VCP 변이들 중 MSP 변이들은 N 말단 도메인과 D1 ATPase 도메인 접촉면에 있고, ATPase 활성을 증가시킨다. 실제로 In vitro VCP ATPase 활성에서 MSP 변이는 ATPase 활성을 증가시켰다. 하지만 Vacuolar tauopathy를 일으키는 VCP D395G변이와 D2 (음성 대조군)에서는 ATPase 활성을 감소시켰다.

  • VCP 변이가 질병을 일으키는 이유는 유비퀴틴-프로테아좀 시스템 실패인데, VCP를 통해 Tau 응집이 풀어지지 않으면 응집체의 크기 때문에 프로테아좀에 들어가지 못하고 따라서 분해가 되지 않는다. 단백질 응집을 감지하는 Thioflavin S로 측정한 결과, MSP 변이는 감소를 나타냈는데, VCP D395G는 증가를 나타냈다. 이는 ATP와 복수 유비퀴틴화 의존적이었다. 생쥐모델에서 D395G VCP는 Tau 병증을 악화시켰다.

  • 정리하면 MAPT 변이들은 mRNA splicing을 변화시키고 단백질 응집을 강화한다. 이는 VCP에 의해서 ATP와 복수 유비퀴틴화에 의해 풀어지는데, VCP 변이는 이를 저해한다 (Science. 2020 Nov 20;370(6519)).

 

2.3. Towfique Raj (Icahn School of Medicine)

- 제목: Atlas of genetic regulatory effects on human microglia transcriptome

 

  • 알츠하이머 환자 유전체 분석 결과, 현재 약 70개의 위험요소 장소들(risk loci)이 알려져 있다. TREM2, ABCA7, ABI3, SORL1, PILRA, PLCG2의 조절 부위(regulatory region)들이 포함되는데, 이 유전자들은 monocytes 나 microglia 등의 myeloid cells에서 발현된다. 유전자 기능은 대식작용, 지질대사, endolysosome 등을 포함한다. 현재 과제는 어떤 유전자 변이가 질병을 일으키는지 밝혀져야 하고, 어떤 세포/조직이 영향을 받는지 등이 밝혀져야 한다.

  • 단일염기다형성(single nucleotide polymorphism)이 세포 표현형에 영향을 주는 조절 메커니즘은 histon modification, 스플라이싱, DNA methylation 등이 있다.

  • eQTLs을 알츠하이머병 GWAS 연결시키면 myeloid cells에 주목하게 된다: 최근까지 뇌 eQTL을 GWAS에 연결시키는 것은 성공적이지 않았는데 그 이유는 조직의 이형성, 마이크로어레이 기반의 결과들, 충분하지 않은 데이터 때문인데, 현재는 AMP-AD, CMC, GTEx 등의 큰 cohorts를 이용할 수 있게 되었다. ImmVar (10.1016/j.smim.2015.03.003)를 이용하여 T cells과 monocytes에서 발현 비율을 봤을 때, 알츠하이머병과 파킨슨병은 monocytes에서 더 특이성을 나타냈다.

  • 따라서, 유전학은 알츠하이머병에서 monocytes의 역할을 강조한다. 하지만, microglia 특이적인 대규모 전사체 연구가 없다. Microglia Genomic Atlas (MIGA)를 시작하였는데, 목적은 중추 신경계에서 선천성 면역 세포의 질병 취약 유전자를 평가하기 위함이다. 114개의 뇌를 이용하여 Medial frontal gyrus, Subventricular zone, superior temporal gyrus, thalamus 부위를 얻어 microglia를 분리한 후 genotyping 및 RNA-seq을 하였다. 나이, 샘플링 부위, genetic driver에 대한 데이터를 통합하여 질병 관련 유전자의 우선순위를 정하였다 (https://doi.org/10.1101/2020.10.27.356113).

  • 알츠하이머병 유전은 myeloid cell 유전자 발현 요소들이 우세한 반면, 정신분열증이나 조울증의 경우 신경세포에서의 유전자 발현 요소들이 우세하다. microglia에서 유전자 조절 효과는 신경 질환과 연관성을 나타내는데, 이를 위해 colocalization 분석을 수행하였다.

  • 알츠하이머병과 관련하여 BIN (eQTL)과 CD33 (sQTL) 이외에 신규 유전자 Microglia USP6NL (eQTL)과 MS4A6A (sQTL)가 알츠하이머병 GWAS와 colocalization 되었다. Microglia CTSB 와 P2RY12 (둘 다 eQTL)은 파킨슨병 GWAS와 colocalization 되었다.

  • 알츠하이머병 민감성 형질은 유전자 스플라이싱에 영향을 줄 수 있는데, IsoSeq을 이용하면 염기를 더 길게 읽을 수 있기 때문에 스플라이싱을 분석할 수 있다.

  • Summary: 신경퇴행질환 위험 형질은 microglia에서 유전자 발현이나 스플라이싱을 변화시키는데, 많은 경우 microglia 특이적 enhancers에 있다 (https://doi.org/10.1101/2020.10.22.340158) (https://doi.org/10.1101/2020.07.20.212407).

 

3. 신경퇴행에서 신경염증 및 아교세포 생물학

 

3.1. Anne Schaefer (Icahn School of Medicine at Mount Sinai)

- 제목: Negative feedback control of neuronal activity by microglia

 

  • 뇌는 신경세포, astrocytes, oligodendrocytes, microglia로 구성되어 있다. 그 중 Microglia는 초기 배아 발달 동안 형성되는 선천성 면역세포이다. 그리고 어른 뇌에서도 다양한 역할을 하는데 뇌 조직 재구성, 해로운 요소의 감독 및 제거 이 외에 염증, 신경독성, 보호, 회복 등 맥락에 따라 다양한 역할이 있다.

  • 그렇다면, ‘microglia 활성화 패턴이 특정 신경세포의 특이성과 활성에 영향을 주는가? 즉, 뇌 부위 특이적으로 microglia 표현형이 달라지는가? ’

  • Microglia가 신경 활성에 어떻게 반응하는지 알기 위해 신경흥분성을 조절할 수 있는DREADD 모델을 이용하였다. CaMKII 신경세포에 활성을 위해 hM3Dq를 발현시키고, 억제를 위해 hM4Di를 발현하였다. 그리고 CNO를 처리하였다. 신경 활성 변화에 따라 microglia가 다르게 반응하였다.

  • 이번에는 microglia가 신경활성을 조절하는지 확인하기 위해 Csf1R 억제제인 PLX를 처리하여 microglia를 제거하였다. 그리고, picrotoxin, kainic acid, D1 agonist를 처리하였는데, microglia가 제거된 그룹에서 반응성이 더 높았다. 즉, Microglia가 평소에는 신경세포가 다른 자극에 의해 반응하는 것을 제한해준다.

  • ‘Microglia는 뇌 부위 특이적으로 신경활성을 조절하는가? ’ Il34과 Csf1는 선조체의 회백질과 백질에서 microglia에 다르게 영향을 준다. Il34는 회백질에 의해 유지되고 백질은 Csf1에 의해 유지되는데, 회백질은 D1 신경세포 반응을 조절하였다.

  • Microglia의 생존에 관여하는 수용체인 Csf1r에 신경세포로부터 분비된 Il34와 astrocytes 혹은 oligodendrocytes에서 분리되는 Csf1이 결합한다. 선조체에서 백질은 Csf1로 염색되고 회백질은 Il34로 염색된다. Nestin cre를 이용하여 Il34와 Csf1을 KO 하였는데, 이는 각각 회백질과 백질에서의 microglia를 제거하는 현상을 나타냈다. D1 agonist를 처리했을 때 Il34를 제거한 그룹, 즉. 회백질에서 microglia가 제거된 그룹에서 D1 agonist에 대한 반응이 더 컸다.

  • 그렇다면, ‘선조체에서 신경활성이 Microglia에 영향을 주는 메커니즘은 무엇일까? ’ 신경을 활성시키면 microglia 활성이 증가하나 P2RY12 억제제를 처리하면 그 활성이 사라진다. 그리고 P2RY12을 제거하면 D1 agonist에 대한 반응이 증가한다. 따라서, Microglia가 ATP 의존적으로 신경활성에 반응한다고 할 수 있다.

  • microglia가 발현하는 CD39는 ATP를 AMP로, CD73은 AMP를 Adenosine으로 바꾼다. CD39 억제제나 CD73 억제제를 처리하면, adenosine을 감소시킨다. Microglia를 제거해도 adenosine은 감소한다. 즉 microglia는 ATP를 adenosine으로 전환할 수 있다.

  • 그리고, 이러한 현상은 선조체 D1 신경세포의 반응을 감소시킨다. Cx3cr cre를 이용하여, CD39를 제거했을 때 adenosine의 양이 줄어들었고, D1 agonist에 대한 반응이 커졌다. 그리고 Adenosine 수용체 A1R을 약물이나 유전자 제거(Drd1a cre – Adora1 fl/fl)로 억제할 때 D1에 대한 반응이 커진다. 이는 microglia가 adenosine을 생성하여 신경활성을 감소시킨다고 해석 가능하다.

  • A1R agonist 처리는 microglia를 제거하거나, adenosine 생성을 억제한 생쥐에서 D1 neuron activity를 복원시켰다. 즉, P2RY12 수용체 억제제나 유전적으로 IL34 제거를 통해 microglia를 제거하거나, microglia CD39를 제거했을 때 A1R agonist는 D1 반응을 복원시켰고, 이는 A1R 억제제 처리에 의해 사라졌다.

  • 결론: 노화와 질병은 microglia와 신경세포 상호작용에 영향을 준다. 노화에 따라 신경세포에 의한 비정상적 상호작용이 일어날 수 있고, microglia에 의한 비정상적 상호작용이 일어날 수 있다 (Nature. 2020 Oct;586(7829):417-423.).

 

3.2. Goncalo Castelo-Branco (Karolinska Institutet)

- 제목: Single-cell transcriptomics and epigenomics reveal disease-specific states of oligodendroglia in multiple sclerosis

 

  • 다발성 경화증(multiple sclerosis)는 demyelinating disease로 알려져 있고, myelination을 하는 Oligodendrocytes는 중요한 세포이다. 최근의 단세포전사체 분석을 통해 인간이나 생쥐 뇌에서 oligodendrocytes에 생각보다 다양한 형태가 존재한다고 알게 되었다.

  • 다발성 경화증 생쥐 모델인 EAE 모델에서 단세포 전사체 분석 결과 흥미로웠던 점은 OPC와 MOL 세포 타입에서 MHC I과 MHC II가 발현되었다는 점이다. 이는 이미징으로 검증되었다(SOX10은 OPC, CD74는 MHC I, Aif1는 Microglia, DAPI는 핵을 염색하였다). 그리고 pHrodo labelled myelin을 이용해 OPC에 의한 대식 작용을 확인하였고, MOG peptide에 반응하는 T 세포의 활성과 증식도 OPC를 통해서 일어나는 것을 확인하였다. 다발성 경화증 환자의 백질에서 단세포 전사체 분석을 했을 때도 immune oligodendroglia 세포 타입은 생쥐 모델과 마찬가지로 MHC II의 하위형을 발현하였다.

  • 다발성 경화증 상태에서 OPC의 상태가 myelination 기능에서 면역 기능으로 전환된다고 보는데, epigenetic 변화가 관여될 수 있다. 염색체가 열리고 닫히는 정도를 단세포 ATAC-seq으로 조사할 수 있었는데, oligodendroglia에서 항원 제시 기능과 관련된 유전자 psmb8,9 tap1,2의 부위가 열려 있었다. Oligodendroglia에서 면역 유전자들(예를 들어, psmb8,9 tap1,2)은 발현 수준과 크로마틴 접근성이 증가하였다.

  • SOX10 cre GFP 생쥐에서 CD140+ 분리한 후 dexamethasone 과 interferon γ 처리하였다. RNA-seq와 ATAC seq을 수행하여 OPC에서 크로마틴 접근성을 살펴보았다. interferon γ를 처리한 OPC의 면역유전자 위치에서 promoter와 enhancer 접촉이 증가한 것을 확인하였다.

  • interferon γ 처리된 OPC의 immune genes들에서 H3K27 me3가 감소된 것도 확인하였는데, Ezh2 (a histone methyltransferase) 억제제도 특정 MHC-I 및 II 유전자들을 증가시켰다.

  • 다발성 경화증 환자 뇌에서도 oligodendroglia의 면역 유전자들의 크로마틴 접근성이 열려 있다. 다발성 경화증에서 크로마틴 접근 부위의 단일유전자다형성이 microglia에서 많이 발견되었는데, 이는 oligodendroglia 에서도 마찬가지이다.

  • 인간 뇌에서 다발성 경화증 연관된 단일유전자다형성의 크로마틴 접근성: OPC에 interferon γ 처리하면, 다발성 경화증 단일유전자 다형성관련 enhancer-promoter의 상호작용이 변화한다. 여기에 해당하는 유전자는 CYP24 and BCAS1이다.

  • 단세포 후성유전체 분석은 다발성경화증 민감성에 oligodendroglia의 역할을 부각시킨다.

  • 임상에서 다발성 경화증 환자 80명을 대상으로 백질 및 회백질 158개의 샘플을 채취했고 603,617개의 핵을 얻었다. 이를 단세포 RNA-seq을 하여 백질과 회백질에서 세포 타입 차이와 유전자 발현을 보고 있다.

 

3.3. Katrin Andreasson (Stanford University School of Medicine)

- 제목: Metabolic reprogramming of myeloid cells reverses cognitive decline in aging

 

  • ‘어떻게 선천성 면역계의 노화가 치매에 영향을 주는가?’, 그에 대한 답은 면역 항상성(염증 해소/PAMP 및 DAMP 제거)  비정상적 면역 반응(염증 생성 및 대식작용 약화)  인지저하의 과정을 순차적으로 거친다.

  • 대식세포와 microglia의 Bioenergetics는 나이에 따라 급격히 감소한다. 대사물질 분석 결과, 나이 든 쥐는 해당작용 및 TCA cycle에서 변화가 있었고, 산소 소비 속도(oxygen consumption rate)도 감소하였다 (Nat Immunol. 2019 Jan;20(1):50-63.).

  • PGE2는 노화된 대식세포와 뇌에서 증가하는 염증신호이다. Cox1과 Cox2 효소가 arachidonic acid에서 PGE2를 생산한다. PGE2에 인지하는 것은 EP2 수용체인데, 노화로 인한 염증과 관련이 있다. 대식세포에서 PGE2 수준은 생쥐와 인간에서 나이에 따라 증가한다.

  • myeloid에서 EP2 발현을 감소시키면 나이 관련 염증과 인지 저하를 줄일 수 있다. CD11b cre를 이용해서 EP2를 제거하고 3-4개월 생쥐와 20-22개월 생쥐를 비교해봤을 때, 혈장에서 나이에 따라 증가된 IL18, MIP1α, IL28, MCP1, IL1β, Leptin이 20-22개월에서 감소되었고, 해마에서도 마찬가지였다. Target quadrant 행동 실험에서도 나이에 의해 감소된 기능이 EP2 제거를 통해 개선되었다.

  • myeloid에서 EP2 발현을 감소시키면, 노화된 생쥐에서 해마의 시냅스 가소성을 개선시켰다. 전기생리를 통해 LTP가 개선된 것을 확인하였다.

  • PGE2/EP2 신호전달은 대식세포에서 해당작용과 미토콘드리아 호흡을 감소시켰다. 즉, PGE2와 EP2 agonist 처리는 기초 산소 소비와 ECAR를 농도 의존적으로 감소시켰다.

  • Cd11b-Cre를 이용하여 Myeloid에서 EP2를 제거할 때, 약 50%의 EP2 발현 감소 효과가 있었다. 이는 기초 산소 소비와 ECAR를 개선 시켰고, 전자 현미경에서도 나이에 의해 감소된 미토콘드리아의 electron density를 다시 증가시켰다.

  • EP2 수용체를 통한 PGE2 신호전달은 대식세포에서 GYS1 활성 증가시키고 글리코겐 합성에 영향을 준다. EP2를 제거하면 인산화된 GYS1 증가(즉, GYS1 활성 억제), glycogen level 복원, 전체적으로 항상성 기능이 복원하였다.

  • 암젠에 의해 개발된 C52 (뇌를 통과하는 EP2 억제제) 처리는 CD11bCre::EP flox와 같은 효과를 나타냈다. 혈장과 해마에서 나이에 의해 증가된 immune factors를 감소시켰고 Barnes Maze 행동 실험을 개선하였으며, 해마 전기생리에서 LTP를 개선하였다.

  • 결론적으로 PGE2/EP2 신호 전달 억제는 나이 연관 염증, 감소된 해마 가소성 및 기억, myeloid cell M1 polarization 등을 개선시킬 수 있었고 메커니즘으로는 글리코겐 합성을 감소시키고, 글루코스 flux와 에너지 대사 증가 그리고 미토콘드리아 기능 강화이다 (Nature. 2021 Feb;590(7844):122-128).