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Progranulin을 만드는 유전자의 heterozygous, homozygous 돌연변이가 각각 전두측두엽 치매, 리소좀 저장 질병과 인과적으로 연관되어 있다는 발견은 예전에 알지 못했던 리소좀 발생과 기능에 관계된 progranulin 단백질의 역할을 밝혀냈다. 세포의 항상성에서 리소좀의 중요성을 고려하면, progranulin 결핍이 신경회로 발달과 유지, 스트레스 반응, 선천성 면역과 노화에 미치는 다면발현성 효과가 놀랍지 않다. 

이 리뷰에서는 리소좀의 기능과 뇌 선천성 면역을 강조하여 progranulin 생물학의 최근 발전을 돌아보고, 신경퇴화의 새로운 치료적 접근법으로 이끌 미래 연구의 방향을 짚어본다.

키워드: Progranulin, FTLD, NCL, Lysosome, TDP-43

분야: Molecular_Biology, Neuroscience, Pathology

1. 서론

2. Progranulin의 진화

   2.1. Progranulin과 granulins

   2.2. Progranulin의 발현 양상

   2.3. 신경영양인자로서의 progranulin

3. Progranulin의 양과 질병

4. Progranulin의 수송

5. 리소좀과 신경퇴화

6. Progranulin과 뇌 선천 면역

7. 치료법 개발

8. 미래 전망

9. 결론

1. 서론

  

Progranulin은 원래 상처 치료, 혈관 생성, 종양 성장을 조절하는 성장인자로 알려졌다. 하지만, 2006년에 보고된 기념비적 연구를 통해 GRN (progranulin을 만드는 유전자)의 돌연변이가 피질 신경세포의 핵과 세포질에 유비퀴틴이 있는 단백질 응집체로 구성된 신경병리학적 특징을 가진 가족성 전두측두엽 변성(frontotemporal lobar degeneration, FTLD)과 인과적으로 연관되어 있음을 밝혔다. 

 

나중에, 이 응집체에는 TAR DNA-binding protein 43 (TDP43)이 풍부한 것으로 알려졌다. FTLD에 대한 뚜렷한 단백질 병증의 인식은 GRN과 C9ORF72의 hexanucleotide 반복 확장을 포함한 가족성 전두측두엽 치매(frontotemporal dementia, FTD)와 관련된 몇 가지 주요 유전자에 의해 유발되는 질병 메커니즘을 조사하기 위한 중요한 개념적 틀을 제공했다.

  

GRN 유전자의 상염색체 우성 돌연변이가 FTLD의 일반적인 원인으로 확인되면서, 이 생물학적으로 중요한 분자에 대한 새로운 관심이 촉발되었다. 이후 10년 동안, 신경세포에 대한 영양인자 지원부터 미세아교세포 활성화 억제에 이르기까지 CNS에서 progranulin에 대한 몇 가지 잠재적 기능이 제안되었지만, GRN 반가불충분성이 신경퇴화를 일으키는 정확한 기전은 아직 잘 알려져 있지 않다. 

 

‘Homozygous GRN 돌연변이를 가진 환자가 리소좀 저장 질환인 신경세포 세로이드 리포푸신증(neuron ceroid lipofuscinosis, NCL)을 일으킨다’는 발견은 리소좀에서 progranulin의 위치와 신경 단백질 항상성에서 잠재적인 역할에 더 많은 관심을 끌게 되었다.

  

이 논문은 성장, 생존, 면역 및 단백질 항상성에 대한 다중 시스템 영향과 함께 리소좀에서 보존된 기능을 강조하여, progranulin의 근본적인 생물학에 초점을 맞춘다. 또한, 우리는 미세아교세포 및 신경세포의 progranulin 결핍이 FTLD 및 잠재적으로 알츠하이머병(AD)의 발병 및 회로 특정 신경퇴화에 원인이 되는 방법을 설명한다. 

 

이러한 최근의 발견은 어떻게 조절되지 않은 progranulin과 granulin이 그렇게 다양한 인간 병리를 초래하는지에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. 또한, 이러한 연구는 미래의 연구가 progranulin 생물학을 TDP43 단백질 병증 및 기타 단백질 항상성 실패를 포함한 주요 신경퇴행성 질환 표현형과 연결할 수 있는 기반을 구축한다.

 

2. Progranulin의 진화

 

2.1. Progranulin과 granulins

  

Progranulin은 몇 가지 흥미로운 특징을 가진 계통발생학적으로 오래된, cysteine이 풍부한, 분비되는 단백질이다. 첫 번째, progranulin은 granulin으로 잘릴 수 있는 전구체 단백질이다. 

 

Granulin은 적어도 상처 치료, 염증, 신경 보호에서 holoprotein과 반대의 작용을 하는 것으로 보인다. 각 granulin은 단백질 전체에서 직렬 방식으로 반복되는 약 60개의 아미노산으로 이루어져 있다. 

 

가장 보편적으로, 하나의 granulin 도메인은 12개의 cysteine (2개의 cysteine은 아미노, 카르복실 말단에 있고 그 사이에 4쌍이 인접한 구조) 이 6개의 이황화 결합을 이루는 구조를 가진다. 

 

Cysteine을 통해 형성된 이황화 결합은 granulin이 안정하고, 구조적으로 작고, 적층된 베타시트 구조를 만들도록 도와 잠재적으로 단백질 분해 효소에 분해되지 않고 잘 견디도록 해준다. 

 

하지만, cysteine 함량이 적은 이형 granulin도 발견되었는데, 인간 petite granulin은 6개의 cysteine이 있고, granulin G는 10개의 cysteine이 있다. 다른 수의 cysteine으로 나타나는 구조적, 기능적 차이는 아직 알려진 바가 없다.

  

Granulin 반복의 수는 계통발생적으로 매우 다양하다. Dictyostelium discoideum, 꽃 피는 식물에는 하나의 granulin이 있지만, Caenorhabditis elegans는 3개의 granulin 반복, 인간은 7개의 반복이 있으며, zebrafish의 엑손 중복은 granulin 반복을 최소 11개 또는 12개로 확장시켰다.

 

이런 granulin 반복의 다양성은 그것이 활동적인 생물학적 역할을 하고, 서로 다른 granulin이 구별된 특이성을 갖는다는 것을 보여준다. 구조적으로, granulin은 옥시토신, 표피 성장 인자 및 디펜신을 포함하는 cysteine이 풍부한 작은 단백질의 더 큰 계열에 속한다. 

 

이 작은 cysteine이 풍부한 단백질은 호르몬, 성장 인자, 이온 채널 조절제 및 효소 억제제로 기능한다. 다른 cysteine이 풍부한 작은 단백질과 잠재적인 유사성을 탐구하면, progranulin holoprotein과 잘린 granulin의 기능에 대해 밝힐 수 있을 것이다.

  

Progranulin이 각각의 granulin 도메인으로 잘릴 수 있지만, progranulin 양을 절단된 생성물의 양과 동일하게 생각하는 것은 피해야 한다. 다시 말해, progranulin과 granulin의 양은 같이 늘어나거나 줄어들 수 있고, 서로 다르게 독립적으로 조절될 수 있다. 

 

Progranulin은 또한 조절된 글리코실화 반응을 거쳐 리소좀 효소를 매개로 한 분해로부터 보호받고, 위치 및 반감기에 복잡성이 한층 더 추가된다.

  

2.2. Progranulin 발현 양상

 

Progranulin은 많은 세포에서 광범위하게 발현되지만, 근육과 휴지기의 내포 조직에서는 낮게 발현된다. 중추신경계통 내에서는 GRN mRNA가 신경세포, 미세아교세포, 내피 세포, 별아교세포 등을 포함해 넓은 범위의 세포에서 생성된다. 

 

그것의 추정되는 역할은 리소좀에 있지만, 아미노 말단 분비 신호는 progranulin을 세포 밖으로 배출되는 분비 소포로 향하게 한다. 이것은 progranulin에게 잠재적인 자가분비 역할과 내분비 역할을 동시에 준다. 

 

이의 적절한 예는 기본적인 progranulin 수준과 분비가 낮은 미세아교세포의 progranulin이며, 활성화되면 미세아교세포의 progranulin 발현이 크게 증가하고 신경 세포의 기능과 시냅스 밀도에 영향을 미칠 가능성이 높다. 

 

따라서 progranulin의 발현양을 연구할 때, progranulin의 근원과 그것이 세포 내 또는 세포 외에서 유래했는지 또는 둘 다의 일부 조합에서 유래했는지를 고려하는 것이 중요하다. 사실, 큰 규모의 연구 결과에서, 혈장과 뇌척수액(CSF)에서 progranulin 양의 낮은 상관관계를 보인다.

  

2.3. 신경영양인자로서의 progranulin

 

성장인자로서의 잠재적인 역할과 더불어, progranulin과 다른 분비 단백질 사이의 구조적 유사성은 progranulin과 잘린 granulin이 아마도 신경 세포의 생존과 분화를 촉진하는 신경영양인자로 기능할 수 있다는 가설을 이끌어 냈다. 

 

이 가설을 뒷받침하여 GRN 돌연변이가 있는 FTD 환자의 CSF에서 progranulin 양이 감소한다. 더욱이, 어떤 연구는 인간 재조합 전체 길이의 progranulin과 granulin E 펩타이드(아미노산 494-594)는 쥐 척수 운동신경세포, 피질 신경세포, 해마 신경세포의 생존과 신경 돌기 생성을 촉진할 수 있는 것으로 보고했지만, 외인성 progranulin은 Grn-/- 신경세포의 신경 돌기 생성 표현형을 회복시킨다. 

 

반면에, FTD와 연관된 progranulin 병원성 돌연변이는 신경 돌기 생성 촉진 활성을 방해한다. 이러한 결과는 progranulin이 신경 돌기 성장과 신경 세포 생존을 촉진하는 외인성 영양 인자로 기능한다는 것을 암시하지만, 해마 신경세포와 SH-SY5Y 세포에서 progranulin을 감소시키면, 그것의 생존, 신경 돌기 성장 및 시냅스 형성이 손상된다는 흥미로운 사실은 progranulin이 자가 분비 기전을 통해 기능한다는 것을 시사한다. 

 

실제로, progranulin은 배양된 해마 신경세포의 가지돌기와 축삭돌기에서 정방향, 역방향으로 뇌유래신경영양인자(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)와 함께 수송된다는 보고가 있고, progranulin의 분비는 신경의 활성에 따라 조절되는 것으로 보인다.

  

이러한 발견에도 불구하고, progranulin이 신경영양인자임을 확인하는데 큰 걸림돌은 progranulin과 상호작용하고 신경세포의 생존과 돌기 생성을 촉진하는 신호 전달 경로를 시작하는 수용체에 대한 결정적인 증거가 없는 것이다. 종양괴사인자(tumour necrosis factor, TNF) 수용체와 sortilin이 progranulin에 대한 수용체로 연관된 적이 있지만, 이러한 단백질이 실제 수용체로서 progranulin의 신호를 전달하는가에 대한 증거는 아직 분명치 않다. 

 

Sortilin은 신호 허브 역할을 하는 대신 세포 외 progranulin을 리소좀으로 이동시킨다. 또한, progranulin과 TNF 수용체 사이의 보고된 상호 작용은 상호 면역 침강법 또는 표면 플라즈몬 공명 분석법에 의해 재현되지 않았다. 따라서, progranulin이 TNF를 매개로 해서 어떻게 신경세포의 생존과 신경 돌기 생성을 촉진시키는지 확실치 않다. 

 

흥미롭게도, 최근의 한 연구에서 progranulin이 세포 표면의 ephrin type-A receptor 2 (EPHA2)에 결합하고 이런 상호작용이 EPHA2의 티로신 인산화효소 활성과 하위 인산화효소인 AKT를 활성화하는 것을 보였다. 이렇게 새로운 결과들이 progranulin이 성장인자로서 역할을 하는 새로운 시각을 제공하지만, EPHA2가 신경 돌기 생성과 신경퇴화에서 하는 역할은 밝혀져야 하는 부분으로 남아있다.

  

3. Progranulin의 양과 질병

 

여러 증거들이 progranulin은 신경퇴행성 질환에서 유전자 양에 의존적인 효과를 가지고 있다고 밝힌다. 이전에 밝혀졌 듯, GRN 반가불충분성은 유전적 FTD를 일으킨다. 신경퇴행성 질환과 연관되어 있는 GRN의 돌연변이(돌연변이 목록은 http://www. molgen.ua.ac.be/FTDmutations/ 참고)는 대부분 조기 중지 코돈과 nonsense mediated decay를 일으키고, 소수의 돌연변이는 분비를 악화시키거나, 중요한 시스테인 잔기가 소실된 온전한 길이의 단백질을 생산한다. 

 

GRN 돌연변이를 가진 사람들의 혈청 progranulin 수치는 정상인보다 50% 이상 낮고, 병리학적으로 이런 환자들은 과인산화되고 절단된 TDP-43이 풍부한 신경 세포질 단백질 응집체가 존재하는 FTLD로 발전된다. 대립 유전자 양쪽 모두에 GRN 돌연변이가 있는 경우, progranulin과 절단된 생성물이 완전히 결핍되고 NCL로 알려진 리소좀 저장 질환이 발생한다. 

 

이러한 환자들은 혈장에서 progranulin이 감지되지 않고 20-30대에 시력 상실, 간대성근육 발작, 소뇌성 운동실조증과 같은 신경학적 장애가 발생한다. 이런 결과들은 신경퇴화에서 progranulin 결핍의 유전자량 효과를 더욱 뒷받침한다. Progranulin 결핍의 유전자량 효과는 동물 모델에서도 발견되는데, 리소좀에서의 progranulin의 역할은 아직 불분명하지만, 이러한 결과를 통해 progranulin이 어떻게 이런 다발성 활성을 나타내는지 이해하기 위해 연구의 관심이 리소좀으로 쏠리게 되었다.

  

4. Progranulin의 수송

 

Progranulin 결핍이 어떻게 리소좀 장애를 일으킬까?. Progranulin은 합성되는 동안 소포체 내강에서 번역되고 단백질 이황화 이성화 효소와 결합하는데, 인간의 경우 44개의 이황화 결합을 형성한다. 거기에서 골지체와 운반 소낭을 통해 운반될 가능성이 높지만, 이런 소낭의 특징과 분비되는 환경은 아직 완벽히 알려져 있지 않다. 

 

일단 세포 밖으로 배출되면, progranulin은 세포 외부의 protease에 의해 granulin으로 절단되거나, C 말단이 sortilin에 결합하여 타겟 세포에 흡수되는 잠재적 운명을 가진다. Sortilin은 최종적으로 progranulin을 엔도솜으로부터 리소좀까지 수송하는데, 수송 중에 세포 내 수준을 조절하는 방식으로 절단되거나 분해될 수 있다.

  

최근에, 또 하나의 분비되는 당단백질인 prosaposin을 포함하는 리소좀으로 향하는 대체 경로가 보고되었다. Prosaposin과 progranulin은 눈에 띄게 유사점이 많은데, progranulin과 같이, prosaposin의 절단은 시스테인이 많은 펩타이드인 일련의 saposin을 발생시키고, saposin은 리소좀 안에서 스핑고지질의 가수분해를 촉진시키고 수용체로써 sortilin을 활용한다. 

 

Prosaposin을 만드는 유전자의 homozygous 기능소실돌연변이는 스핑고지질증으로 알려진 리소좀 저장 질환을 유발하는데, 이는 리소좀 거대분자 분해의 실패로 인한 결과라는 점에서 NCL과 비슷하다. 따라서, 어떤 면에서 progranulin과 prosaposin이 이형이량체를 형성하고, prosaposin이 세포 내 및 분비된 progranulin 수준을 모두 조절할 수 있다는 것은 놀랍지 않다. 

 

또한, prosaposin은 progranulin이 리소좀에 도달하는 직접적인 경로를 제공하여, progranulin과 mannose-6-phosphate receptor (M6PR) 또는 저밀도 지질 단백질 수용체 관련 단백질 1(low-density lipoprotein receptor-related protein 1, LRP1) 사이의 분자 가교 역할을 한다. Progranulin과 prosaposin의 관계에 대해서는 아직 많이 알려지지 않았지만, 이들의 유사점과 얽힌 운명은 리소좀의 기능과 조절에 중요한 세포 조정을 의미한다.

 

5. 리소좀과 신경퇴화

 

Progranulin의 세포 내 국소화에도 불구하고, 세포 내 progranulin의 정확한 기능은 잘 알려져 있지 않은 상황이다. 리소좀에서 progranulin의 역할을 뒷받침하는 증거에는 sortilin에 의한 엔도 리소좀 시스템으로의 전달, 리소좀 관련 막단백질 1(lysosome-associated membrane protein 1, LAMP1)과의 공동국소화, Grn-/- 쥐가 특정 뇌 영역에서 LAMP1에 대한 반응성이 증가했다는 발견이 포함된다. 

 

이러한 결과는 progranulin이 리소좀의 형성과 기능을 조절하는 역할을 뒷받침한다. 거대 분자의 분해와 재활용의 주된 장소로서 리소좀은 세포 내 단백질 항상성에서 중요한 역할을 담당한다. 리소좀과 자가포식의 기능 장애는 신경퇴행성 질환의 발병에 핵심적 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, GBA(β-glucocerebrosidase를 만드는 유전자)에 돌연변이가 생기면, 파킨슨병과 루이소체질환(Lewy body disease)의 위험성이 증가한다. 

 

Cathepsin D와 ATPase 13A2를 포함한 NCL과 연관된 유전자의 다른 변이체는 각각 AD, 파킨슨병과 연관되어 있다. 최근, 리소좀은 mTOR의 활성을 통한 영양 감지와 신호 통합의 중심으로서 주목을 받고 있다. Progranulin은 또한 리소좀 생성의 조절자인 전사인자 TFEB와도 연관되어 있다. TFEB가 핵 안으로 들어가면, 타겟 유전자들을 활성화하여 리소좀 생성을 유도하는데, 이는 세포의 단백질 분해 능력을 향상시킨다. 

 

Progranulin과 prosaposin 모두 TFEB의 타겟이다. 사실, GRN의 프로모터에 TFEB 결합 부위가 있고, progranulin의 발현은 TFEB의 과발현으로 인해 증가한다. 따라서, progranulin은 다른 리소좀 유전자와 함께 조절된다.

 

최근의 한 연구는 절단된 granulin이 TDP43의 분해를 방해해 리소좀 기능에 영향을 미칠 수 있다는 증거를 제공했다. 예쁜꼬마선충에서 전장 단백질이 없는 상황에 granulin이 발현되면, 신경의 TDP43의 양이 늘어났고 독성을 악화시켰다. 이러한 결과들을 바탕으로 리소좀 안에서 progranulin과 granulin의 세밀한 균형이 이 중요한 세포 내 소기관의 생성과 기능을 조절하는데 매우 중요하다고 제안할 수 있다.