RPS23RG1이 매개하는 시냅스 기능 안정화가 AD 관련 인지 결손을 회복시킨다

시냅스 손상은 알츠하이머병(AD)에서 나타나는 인지 기능 결핍의 선행 요인으로 알려져 있으며, 시냅스 스캐폴딩 구성 요소의 무결성을 조절하는 메커니즘을 연구하는 것은 AD의 발병 원인에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

Rps23rg1(리보솜 단백질 S23 역위 유전자)는 최근 항베타 아밀로이드(Aβ) 구성 요소로 확인되었으며, 이는 AD에서 Aβ가 풍부한 플라크의 병리학적 형성과 관련이 있습니다. 막관통 단백질인 RPS23RG1은 아데닐산 고리화 효소와의 상호작용을 통해 Aβ 생성과 tau 과인산화를 동시에 억제하고, cAMP/PKA를 강화하여 GSK 활성을 억제합니다. RPS23RG 패밀리는 마우스와 인간 모두에서 보존되어 있으므로, 맞춤형 유전자 변형 마우스 모델을 활용하면 AD 병인을 명확히 밝혀 인간 질병 연구를 개선하고 새로운 치료 방식을 발견할 수 있습니다.

RPS23RG1 매개 경로 규명 - PSD-93 및 PSD-95와의 상호작용

모델의 치료적 관련성을 효과적으로 파악하고 상동성 영역을 식별하기 위해 인간 AD와 AD 마우스의 병리를 먼저 평가했습니다. RPS23RG1 패밀리는 마우스와 인간 모두에서 보존되어 있으며, 현재까지 인간에서는 1개의 기능 발현 유전자(RPS23RG1), 마우스에서는 2개의 기능 발현 유전자(Rps23rg1 및 Rps23rg2)가 확인되었습니다. 스캐폴딩 단백질인 PSD-95는 신경 신호 전달 인자의 구성에 중요한 역할을 합니다. PSD-95 및 관련 스캐폴딩 단백질인 PSD-93의 조절 장애는 시냅스 기능을 손상시켜 학습 및 기억에 후속 영향을 미칩니다. 이전 연구에서는 인간 AD 뇌와 AD 마우스 모델 모두에서 PSD-95 및 PSD-93 수준이 감소하는 것으로 보고되었으며, 이는 병리학적 중증도 및 치매의 증가와 상관관계가 있습니다. 추가 연구에서는 AD 진행 중 질병 단계와 병리학적 중증도에 따라 PSD-95 수준과 기능이 변동할 수 있음을 시사했습니다. 사후 AD 뇌에서 RPS23RG1 mRNA 발현은 대조군에 비해 현저히 감소한 것으로 나타났으며, AD 샘플에서 RPS23RG1 단백질 수준은 PSD-93 및 PSD-95 단백질 수준과 양의 상관관계를 보였습니다. 흥미롭게도 연구진은 질병 관련 표현형이 나타나기 시작하는 7개월령 AD 마우스에서 RPS23RG1, PSD-93, PSD-95 수준이 감소하는 것을 발견했습니다. 이러한 주요 결과를 통해 RPS23RG1 감소가 PSD-93/95의 불안정화 및 전환을 촉진하여 AD 발병과 함께 인지 장애를 유발한다는 작업 모델이 도출되었습니다.

유비퀴틴-프로테아좀 시스템(UPS)은 뉴런 내 단백질 환경, PSD 내 구성 요소 환경, PSD-95의 전환을 조절합니다. 유비퀴틴 관련 병리는 AD에서 흔히 관찰되며, 이는 PSD 구성 요소의 UPS 의존적 조절 장애가 AD 병인에 기여할 수 있음을 시사합니다. E3 유비퀴틴 리가아제 MDM2(마우스 더블 미닛 2)는 PSD-95의 다중 유비퀴틴화 및 분해를 매개하며, 이는 AD에서 관찰되는 PSD-95의 병리학적 감소에 역할을 하는 것으로 보입니다. 다음 결과는 유비퀴틴-프로테아좀 경로를 통한 PSD 불안정화 및 전환의 새로운 기전을 제시합니다.

시냅스 구조 및 기능 유지에서 RPS23RG1의 역할 연구

연구진은 Rps23rg1 단백질 코딩 서열 내 5개 뉴클레오티드 결실을 이용하여 프레임 시프트와 RPS23RG1의 조기 절단을 유도한 Rps23rg1 녹아웃(KO) 마우스 라인을 생성했습니다¹. 동형 접합 Rps23rg1 KO 마우스는 생식 또는 생존 능력에 문제가 없었으며, 특히 WT 마우스 뇌 절편과 비교했을 때 뇌 생리학적 차이가 없었습니다. 행동 실험 결과 Rps23rg1은 다양한 인지 관련 행동을 매개하며, 이 유전자가 결실되면 학습 및 기억이 심각하게 손상되는 것으로 나타났습니다. AMPA 및 NMDA 수용체에 의해 매개되는 시냅스 기능을 확인하기 위해 전세포 mEPSC(미소 흥분성 시냅스 후 전류) 기록을 수행한 결과, AMPA와 NMDA 모두의 진폭이 감소한 것으로 나타났습니다. 또한 Rps23rg1 KO 마우스와 WT 마우스 간 쌍자극 촉진 현상에 유의한 차이가 없었으며, 이는 mEPSC 빈도 감소가 기능적 시냅스의 감소에 의해 유발될 가능성이 높다는 것을 시사하며, 이는 면역세포화학법으로 추가 검증되었습니다. 이러한 결과는 Rps23rg1의 결실이 표면 글루탐산 수용체의 감소와 관련이 있으며, 이는 시냅스 후 글루탐산성 신경 전달 및 시냅스 기능을 손상시킴을 시사합니다. 또한 Rps23rg1 유전자의 결실은 PSD-93 및 PSD-95 단백질 수준의 현저한 감소를 유발했습니다. 그러나 Rps23rg1의 결실은 PSD-95 또는 PSD-93의 mRNA 발현에는 영향을 미치지 않았습니다. 종합적으로 이러한 발견은 PSD 스캐폴딩 구성 요소의 조절 장애가 시냅스 기능 장애에 기여할 수 있으며, Rps23rg1이 번역 후 PSD-93/95의 안정성 또는 전환에 영향을 미친다는 것을 시사합니다.

WT 마우스 뇌 용해물에서는 RPS23RG1 항체와 내인성 PSD-93 및 PSD-95가 공동 침전되었지만 Rps23rg1 KO 마우스 뇌 용해물에서는 공동 침전되지 않았으며, 재조합 인간 RPS23RG1에 대해서도 유사한 공동 침전 결과가 나타났습니다. 또한 RPS23RG1 과발현이 용량 의존적으로 MDM2와 PSD-93/95의 상호작용을 감소시키는 것으로 확인되었습니다. 중요한 점은 전장 인간 RPS23RG1의 과발현이 MDM2 과발현에 의해 유도된 PSD-93 및 PSD-95의 다중 유비퀴틴화를 명확히 역전시켰다는 것입니다. 전반적으로 결과는 RPS23RG1과 MDM2가 PSD-93 및 PSD-95와의 상호작용을 놓고 경쟁함을 시사합니다. 이는 in vivo에서도 확인되었는데, Rps23rg1 결실은 전체 뇌 용해물 및 시냅토좀에서 MDM2와 PSD-93/95의 공동 면역침전을 강화했습니다. 이러한 결과와 Aβ 생성을 억제하는 RPS23RG1의 역할을 종합하면, AD에서 RPS23RG1 감소가 Aβ 단백질 독성을 동시에 강화하고 시냅스 변성을 유도하여 AD 병인에 크게 기여할 수 있다는 점을 최초로 확인할 수 있습니다.

RPS23RG1 매개 경로의 AD 개입 치료 가능성 확인

상기 연구는 RPS23RG1 세포 내 도메인(ICD)과 PSD-93/95 간의 상호작용을 통해 MDM2의 PSD-93/95 결합 및 다중 유비퀴틴화를 차단함으로써 RPS23RG1이 시냅스를 안정화하는 모델을 제시합니다. PSD-93/95 수준과 AD 진행의 상관관계가 보고된 바 있으므로, PSD-93/95 수준을 개별적으로가 아니라 동시에 회복시키면 Rps23rg1 KO 마우스의 시냅스 및 인지 장애를 회복시킬 수 있다는 것은 중요한 발견입니다. 인간(aa163-167)과 마우스(aa130-134) RPS23RG1 모두에 보존된 "TTLAH" 모티프가 RPS23RG1과 PSD-93/95 간의 상호작용에 필수적인 영역으로 확인되었으며, ICD 내 이 고유 서열을 사용하여 MDM2와의 PSD 불안정화 상호작용을 차단하는 경쟁 펩타이드를 설계했습니다. 결과는 인간 RPS23RG1 ICD-TAT 펩타이드가 혈액뇌장벽(BBB)을 통과하여 PSD-93/95를 표적으로 삼을 수 있으며, Rps23rg1 KO 마우스에서 PSD-93/95 단백질 수준을 증가시키고 MDM2와 PSD-93/95의 상호작용을 감소시키며 PSD-93/95의 다중 유비퀴틴화를 감소시킴을 보여줍니다. RPS23RG1 유래 ICD 펩타이드로 PSD-93/95 구성 요소를 안정화하는 것 외에도, 고갈된 PSD 구성 요소를 재구성하는 것은 후기 AD에서 신경 손상을 역전시키는 보완 전략으로 사용될 수 있습니다.

향후 전망 - 기타 신경퇴행성 질환으로의 적용

AD 외에도 수많은 신경퇴행성 질환에서 시냅스 안정성, 항상성 및 PSD 구성의 결함이 나타났습니다. 헌팅턴병(HD) 환자는 AD와 마찬가지로 PSD-95 수준이 감소한 것으로 나타납니다. 파킨슨병(PD)은 가시 밀도가 감소하는 것으로 알려져 있습니다. 근위축성 측삭 경화증 마우스 모델에서도 시냅스 손실이 관찰되었습니다. 그러나 설명된 메커니즘이 다양한 신경퇴행성 질환에서 시냅스 형성 및 기능에 영향을 미치는 방식은 아직 명확하지 않습니다. AD 모델에서 RPS23RG1 관련 PSD-93/PSD-95 안정성을 강화하는 치료 가능성을 고려할 때, 이러한 질환에서 시냅스 결손을 역전시킬 수 있는 가능성을 평가하는 것이 필수적입니다.

신경퇴행성 질환 연구를 위한 맞춤형 래트 및 마우스 모델

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래트는 생리학적, 형태학적, 유전학적으로 마우스보다 인간에 더 가까우며, 이론적으로 신경퇴행성 질환의 이상적인 모델입니다. 신체와 뇌 크기가 더 크기 때문에 약물 투여, 다중 샘플링, 생체 전기생리학, 신경외과 및 신경영상 절차를 수행하기 용이합니다. 마우스보다 더 정교하고 정확한 운동 협응 능력을 가지고 있으며, 더 복잡한 사회적 행동을 보이고 수중 미로와 같은 과제에서 스트레스를 덜 받습니다. 또한 인간과 마찬가지로 래트는 6가지 tau 동형 단백질을 가지고 있으며, 래트와 인간 APOE 아미노산 서열 간의 상동성이 높습니다. Tau 돌연변이 형질전환 및 인간화 APOE 마우스와 같은 여러 확립된 마우스 모델은 AD 관련 연구에서 널리 사용되었지만, 래트의 해당 모델은 아직 완전히 개발되거나 탐색되지 않았습니다. 래트는 tau 확산의 병인 기전 연구를 포함한 인간 tauopathy 연구에 매우 적합한 동물 모델로 나타납니다. 사이아젠은 현재까지 900개 이상의 맞춤형 래트 모델을 개발했으며, 귀하의 생물의학 연구를 확실히 지원할 수 있습니다. 전문가의 무료 유전자 표적화 전략 설계를 원하시면 지금 문의해 주세요.

참고 문헌

1. Zhao, D., Meng, J., Zhao, Y., Huo, Y., Liu, Y., Zheng, N., . . . Zhang, Y. (2018). RPS23RG1 Is Required for Synaptic Integrity and Rescues Alzheimer’s Disease–Associated Cognitive Deficits. Biological Psychiatry,86(3), 171-184. doi:10.1016/j.biopsych.2018.08.009