기초과학연구원 나노의학 연구단 천진우 단장, 곽민석 연구위원 연구팀은 캘리포니아 주립대(UCSF) 전영욱 교수(나노의학 연구단 객원교수)와 공동으로 나노기술과 세포공학 기술을 이용해 조직발달에 중요한 역할을 하는 노치(Notch) 수용체 신호 활성화 과정과 알츠하이머의 주원인으로 알려진 아밀로이드 베타(amyloid-beta, Aβ) 형성 메커니즘을 규명했다.

노치 신호전달은 세포분열 및 신경세포 발생을 조절하는 중요한 세포간 상호작용으로 알려져 왔다. 잘못된 노치 신호는 다양한 질병, 특히 암의 직접적인 원인이 된다. 또한 아밀로이드 전구체 단백질(Amyloid Precursor Protein, APP)로부터 형성되는 아밀로이드 베타는 조직 내 축적되어 신경손상을 초래하고, 알츠하이머 질환의 발병에 관여한다고 알려진다.

흥미롭게도 노치 활성화와 아밀로이드 베타 형성은 둘 다 세포막에 존재하는 두 가지 다른 종류의 효소에 의한 노치 수용체 및 아밀로이드 전구체 단백질의 순차적인 절단 과정(proteolysis)을 거쳐 일어난다. 따라서 이 절단 과정의 인자를 규명하고 제어 기작을 이해하는 것은 줄기세포, 조직의 발달과 같은 필수적 생명현상을 이해하고, 암, 알츠하이머와 같은 질병의 예방과 치료에도 매우 중요하다. 그러나 순차적 절단 과정이 시공간적으로 정확하게 조절되는 분자학적 메커니즘과 효소들의 기질 특이성에 대해서 알려진 바가 상대적으로 적다.

연구팀은 세포 사이의 접합을 제어하는 구조인 접착연접(Adherens junctions, AJ)이 순차적 절단 과정의 순서를 결정하는 공간적 스위치 역할을 하며, 정상적인 노치 신호 제어에 필수적임을 밝혀냈다. 특히, 노치 수용체-리간드(수용체와 결합하여 활성을 조절하는 물질) 상호작용과 수용체의 첫 번째 절단 과정은 접착연접 구조 바깥에서, 두 번째 절단 과정은 접착연접 구조 내에서 일어남을 발견했다.

▲ 활성화 전 Notch 수용체는 크기가 약 100nm(나노미터, 10억분의 1m) 이상으로 약 25nm 너비의 접착연접(AJ) 안으로 접근이 제한된다. Notch는 리간드와 상호 작용을 거쳐 ADAM10/17 효소에 의한 1번째 절단 과정을 거치게 되는데 이는 AJ 외부에서 일어난다. 첫 번째 절단 과정을 거친 중간 단계 Notch는 사이즈가 20nm 정도로 작아져서 AJ 안으로 접근이 허용되는데, AJ 안에는 감마 세크레타제(Υ-secretase) 효소가 고농도로 모집(recruit)되어 있다. 이때 Υ-secretase는 중간 단계 Notch를 기질로 인식하여 2번째 절단을 하게 되고, 이는 전사입자 역할을 하는 Notch 세포내 도메인(intracellular domain)을 형성하여 타겟 유전자 발현을 유도한다.

활성화 전 노치 수용체의 크기는 접착연접 너비 보다 커 접착연접 안으로의 접근이 제한된다. 리간드와 결합하여 활성화를 시작한 노치 수용체는 접착연접 구조의 바깥에서 ADAM 효소에 의해 절단되고, 크기가 작아진 수용체는 접착연접 안으로 접근한다. 곧이어 접착연접에 진입한 노치 수용체는 내부에 고농도로 모집된 감마 세크레타제(γ-secretase) 효소에 의해 두 번째 절단 과정을 거쳐 신호 전달 활성화로 이어진다.

연구진은 특정 수용체에 기계적, 시공간적 자극을 전달할 수 있는 메카노제네틱스(Mechanogenetics)¹⁾ 나노기술을 이용하여 접착연접이 감마 세크레타제 효소를 높은 농도로 모집하고, 첫 번째 절단 과정을 거치지 않은 노치 수용체 접근을 차단함을 확인했다. 즉, 접착연접이 비정상적인 수용체-효소 상호작용과 노치 활성화를 방지하는 기능을 수행함을 확인한 것이다.

▲ 발달 중인 쥐 뇌에서 AJ 구조가 정상적으로 형성이 될 경우, 신경줄기세포(neural progenitor cells, NPCs) 가 분화하지 않고 줄기세포의 성질을 유지한다. 이와 반대로 돌연변이 카드헤린(cadherin)을 발현시켜 AJ 구조 형성을 억제할 경우, NPCs가 신경세포(neuron)으로 분화하는 것을 확인했다. 이는 AJ 구조가 줄기세포 유지 현상에 중요한 Notch 신호의 정상적인 발생에 중요한 역할을 함을 보여준다.

이를 확인하기 위해 CRISPR-Cas 유전자 편집 기술로 접착연접 구조를 이루어 세포 간 상호 접착을 유지하는 데 주요한 역할을 하는 카드헤린(Cadherin) 단백질의 발현을 제거하였을 때, 노치 신호가 활성화되지 않음을 확인했다. 또한 발달 중인 생쥐 뇌의 신경줄기세포의 카드헤린 발현을 억제하자, 줄기세포들이 비정상적으로 빠르게 뉴런으로 분화했다. 이로써 접착연접에 의한 노치 신호 제어 과정이 신경계 발달과정에 관여함을 확인할 수 있었다.

더 나아가 아밀로이드 전구체 단백질을 발현하는 세포에서 접착연접 형성을 억제하였을 때, 아밀로이드 베타가 형성되는 양이 줄어드는 것을 발견했다. 단백질의 절단 과정을 제어함으로써 알츠하이머의 주요한 원인으로 알려진 아밀로이드 베타의 형성을 억제할 수 있음을 보여준 것이다.

전영욱 교수는 “노치 신호 활성화 및 아밀로이드 베타 형성에 필요한 단백질의 순차적 절단 과정의 새로운 분자·세포학적 메커니즘을 최초로 제시했다”라며, “이번 연구는 IBS 나노의학 연구단·연세대 고등과학원과 UCSF가 공동연구로 개발한 메카노제네틱스 나노기술을 세포 신호전달 연구에 성공적으로 활용한 결과”라고 전했다.

곽민석 연구위원은 “이번 연구가 향후 비정상적인 세포 신호 전달에 의한 암 관련 연구와 아밀로이드베타 형성 억제를 통한 알츠하이머 질환 치료제 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다”며, “노치 신호를 조절하여 신경계 발달과정을 정확하게 모사하는 브레인 오가노이드 개발로 연구를 확장할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 셀 바이올로지 (Nature Cell Biology, IF 28.82)’에 2022년 12월 2일 온라인 게재됐다.

IBS 홍보팀
박정훈

1) 메카노제네틱스(Mechanogenetics) : IBS 나노의학 연구단·연세대 고등과학원과 UCSF 연구진의 공동 개발한 나노기술로, 자성나노입자를 이용하여 다양한 기계적, 화학적, 시공간적 자극을 세포 표면의 신호 분자(Notch, E-cadherin 등) 전달하여 세포 신호 전달을 조절하는 기술.