아밀로이드 생성 단백질의 진단 가능성 1부
Jun 07, 2024
추상적인:
신경퇴행성 장애는 매우 널리 퍼진 질병 종류로, 병리학적 메커니즘은 명확한 증상이 나타나기 전에 시작됩니다. 이 사실로 인해 과학자들은 조기 치료에 도움이 될 수 있는 바이오마커를 찾게 되었습니다.
현재 치료가 불가능한 이러한 병리 현상은 신경계에 특정 단백질로 구성된 아밀로이드라고 불리는 비정상적인 응집체의 존재를 공유합니다.
이 리뷰에서는 이러한 단백질, 그 형태 및 변형이 진단 목적을 위한 바이오마커로 활용될 수 있는 방법에 대해 논의합니다.
단백질은 건강을 유지하는 데 중요한 물질 중 하나이며, 기억력에도 중요한 영향을 미칩니다. 단백질은 뇌세포와 신경전달물질의 원료인 아미노산으로 구성되어 있다. 따라서 단백질 섭취는 기억력과 밀접한 관련이 있습니다.
우선, 단백질은 신체가 조직을 만들고 복구하는 데 필수적인 물질입니다. 뇌세포에는 효소와 조절물질이 풍부해 정상적으로 기능하려면 단백질을 구성성분으로 필요로 한다. 체내 단백질 함량이 너무 낮으면 뇌세포가 정상적으로 기능하지 못하게 되어 기억력에 영향을 미치게 됩니다. 따라서 적절한 단백질 섭취를 유지하는 것은 뇌 발달과 기억 유지에 중요한 역할을 합니다.
둘째, 단백질은 뇌세포 활동을 강화시키는 효과가 있다. 인간의 신체는 사고, 기억, 행동과 같은 기능의 정상적인 작동을 유지하기 위해 많은 양의 뇌 신경전달물질이 필요합니다. 뇌 신경전달물질은 체내의 아미노산으로부터 합성되며, 이러한 아미노산의 공급원은 단백질입니다. 따라서 고품질의 단백질이 풍부한 식품을 선택하면 뇌 신경전달물질의 합성이 증가하여 뇌세포 활동을 강화하고 기억력 향상에 도움을 줄 수 있습니다.
또한, 단백질은 신체의 안정성을 유지하고 혈당 변동을 예방하는 데도 도움이 됩니다. 혈당 수치가 낮으면 신체에 부주의, 현기증, 피로 등의 증상이 나타날 수 있으며, 이는 종종 기억력에 영향을 미칩니다. 단백질 섭취를 적당하게 유지하면 혈당 변동을 효과적으로 방지할 수 있어 신체의 안정성을 유지하고 기억력 향상에 도움이 됩니다.
간단히 말해서, 단백질은 기억과 밀접한 관련이 있습니다. 적당한 단백질 섭취는 신체의 안정성을 유지하고 뇌세포의 활동을 강화시켜 기억력을 향상시킬 수 있습니다. 우리는 생선, 고기, 콩, 유제품 등 단백질이 풍부한 고품질 식품을 더 많이 섭취하도록 노력해야 하며 식단에서 단백질을 완전히 제거하는 것을 피해야 합니다. 이는 우리가 건강을 유지하고 기억력을 향상하며 더 나은 삶을 누리는 데 도움이 될 것입니다. 우리는 기억력을 향상시켜야 함을 알 수 있는데, 시스탄체는 기억력 향상이라는 독특한 효능이 많은 전통 한약이기 때문에 시스탄체는 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 시스탄체의 효능은 탄닌산, 다당류, 플라보노이드 배당체 등 포함된 다양한 활성 성분에서 비롯되며 여러 가지 방법으로 뇌 건강을 증진할 수 있습니다.
우리는 알츠하이머병과 파킨슨병, 근위축성 측삭 경화증, 전두측두엽 치매 등 가장 널리 퍼진 신경퇴행성 질환과 관련된 단백질에 중점을 두고 있습니다.
우리는 또한 탐지의 현재 과제, 진단 잠재력이 있는 최신 기술 및 진단에서 가능한 미래 개발에 대해 설명합니다.
키워드: 신경변성질환; 바이오마커; 아밀로이드; 올리고머; 번역 후 수정.
1. 신경퇴행에 대한 새로운 진단 접근법의 필요성
신경퇴행성 질환은 신경계의 특정 부위에서 뉴런의 점진적인 손실을 특징으로 하는 치명적이고 치료가 불가능한 질환입니다. 이는 알츠하이머병(AD), 파킨슨병(PD), 전두측두엽 치매(FTD) 및 근위축성 측삭 경화증(ALS)을 포함하는 고도로 이질적인 병리 그룹입니다.
현재 전 세계적으로 5천만 명이 넘는 사람들이 다양한 형태의 신경퇴행을 앓고 있습니다[1]. 신경퇴행성 질환의 임상 과정은 일반적으로 수년에 걸쳐 진행되며 특정 병리에 따라 다양한 정도로 기억, 인지 및 운동의 점진적인 결핍으로 이어집니다[2] . 기존 약물 치료는 이러한 증상 완화에 중점을 두고 있습니다[3].
더욱이, 신경심리학적 평가는 치매와 관련된 신경퇴행의 진단에 여전히 중요한 것으로 간주됩니다[4]. 그러나 질병의 주요 분자 메커니즘은 중요한 증상이 나타나기 전에 발생합니다.
정확한 진단 접근법의 개발은 돌이킬 수 없는 손상이 발생하기 전에 신경 생리를 회복하기 위한 시기적절한 치료 개입을 촉진할 것입니다.
이는 또한 새로운 치료법의 확립과 초기 단계에 투여하면 더욱 효과적일 수 있는 현재 치료법의 재평가를 촉진할 것입니다. 신경퇴행에 대한 진단 접근법의 긴급한 필요성에도 불구하고, 신체 검사를 위한 뇌의 제한된 접근성과 인지 능력에 기반한 임상 테스트의 복잡성으로 인해 이들의 개발은 여전히 어려운 과제입니다[2].
최근의 기술 발전으로 인해 신경퇴행의 질병 지표로 사용될 수 있는 신경계 및 기타 신체 부위의 새로운 경로, 생체분자 및 구조의 특성화가 가능해졌습니다[5,6].
서로 다른 신경퇴행성 질환에는 몇 가지 뚜렷한 표현형이 있지만 몇 가지 주요 분자 특징도 공유합니다. 특히, 이러한 질환 중 다수에서 일반적으로 가용성인 특정 단백질과 펩타이드는 자가 조립 과정을 거쳐 아밀로이드라고 불리는 큰 원섬유 집합체를 형성합니다[7,8].
이 과정에는 독성이 강하고 현재 질병 메커니즘의 주요 역할로 간주되는 더 작은 올리고머 중간체의 생성도 포함됩니다[8]. 아밀로이드 응집은 응축물 형성과 같은 다른 응집 과정과도 연관되어 있습니다[9]. 그러나 이것이 현재 검토의 초점이 아닐 것입니다.
여기에서는 가장 잘 알려진 아밀로이드 생성 단백질과 그 진단 관련성을 설명합니다.
우리는 AD의 경우 아밀로이드 베타(A)와 타우, PD의 경우 육종 융합(FUS)의 -synuclein( -syn), ALS 및 FTD의 경우 TAR DNA 결합 단백질 43(TDP-43)에 중점을 둡니다. 우리는 또한 이러한 단백질의 응집을 모니터링하기 위한 검출 접근법의 최첨단 발전에 대해서도 논의합니다.
2. 바이오마커의 잠재적 공급원으로서의 아밀로이드 응집
아밀로이드는 교차 구조가 풍부한 불용성 원섬유 집합체이며, 그 형성은 시험관 내에서 광범위하게 특성화되었습니다[7,8].
아밀로이드 응집은 핵 생성 사건의 복잡한 네트워크로 구성됩니다. 처음에는 가용성 단량체 단백질이 상호작용하여 1차 핵형성에 의해 올리고머를 형성합니다. 일차 핵형성은 다른 단백질[10], 핵산[11,12] 및 막[13]과 같은 다른 생체분자의 존재에 의해 촉발될 수도 있습니다.
그런 다음 올리고머는 고차 응집체로 변환되고, 마지막으로 아밀로이드 원섬유로 변환됩니다. 일단 임계 농도의 원섬유가 형성되면, 이들 원섬유의 표면은 2차 핵형성에 의해 추가적인 올리고머의 형성을 촉매합니다[7,8]. 원섬유는 또한 말단에 단량체를 첨가하여 신장될 수 있으며 단편화를 겪을 수 있습니다[7,8]. 아밀로이드 원섬유는 풍부한 교차 시트 함량으로 인해 매우 안정적인 단백질 종입니다[8,14-16].
반대로 올리고머는 빠르게 고차 아밀로이드 응집체로 전환됩니다(그림 1). 올리고머의 일시적인 특성으로 인해 구조적 수준에서 분리하고 특성화하기가 어렵습니다.
최근에야 단일 분자 형광 및 전자 현미경과 같은 새로운 접근법 덕분에 올리고머는 물리화학적 특성과 구조가 매우 이질적이며 2차 구조 함량이 다양하다는 것이 밝혀졌습니다[16,19,20] .
올리고머는 비정상적인 소수성 상호작용을 포함한 다양한 메커니즘으로 인해 독성을 띠고 있습니다. 조직과 분리된 세포에서 올리고머는 막 투과성과 이온 항상성에 영향을 미치고 산화 스트레스를 유발할 수 있는 것으로 나타났습니다 [16,21-23].
올리고머에 의해 유도된 자유 라디칼은 단백질의 잘못된 접힘, 미토콘드리아 기능 장애 및 궁극적으로 세포 사멸을 유발할 수 있습니다 [24]. A와 -syn의 올리고머는 신경염증[22] 및 시냅스 손실[25,26]과도 연관되어 있습니다.
여러 요인이 아밀로이드 원섬유 및 올리고머의 형성에 영향을 미칠 수 있습니다. 여기에는 유전적 돌연변이, 세포 스트레스, 특정 생체분자의 존재 여부 등이 포함됩니다.
더욱이, 아밀로이드는 생체 내에서 광범위하게 번역 후 변형되며 [27-29], 번역 후 변형(PTM)은 시험관 내에서 아밀로이드 원섬유의 형성과 독성을 크게 변화시킵니다 [27-31].
3. 신경변성에 관여하는 아밀로이드 생성 단백질
신경퇴행의 맥락에서 질병 지표는 신경심리학적 지표, 신경영상 지표, 유전적 지표, 생화학적 지표로 나눌 수 있습니다[2]. 특히, 생화학적 지표(또는 바이오마커)는 우리 몸에서 측정 가능한 분자(예: 단백질, 핵산, 대사산물)로 질병의 단계를 보고합니다[32].
아밀로이드 생성 단백질은 신경계 기능 장애의 생화학적 프로필에 대한 정보를 제공하므로 유망한 바이오마커입니다[2]. 아래에서는 신경퇴행성 질환의 바이오마커 역할을 할 수 있는 관련 아밀로이드 생성 단백질과 이들의 병리학적 변형을 강조합니다.
3.1. AD의 A와 타우
AD는 치매의 가장 흔한 형태입니다. AD 뇌의 특징적인 병변은 A의 아밀로이드 응집체와 과인산화된 타우(p-tau) 단백질의 한 쌍의 나선형 아밀로이드 필라멘트(PHF)에 의해 형성된 세포내 신경섬유매듭(NFT)으로 구성된 세포외 노인성 반점입니다[2,27].
A는 - 및 -분비효소의 순차적 절단에 의해 아밀로이드 전구체 단백질(APP)이라고 불리는 더 큰 막횡단 전구체의 절단에 의해 생성되고 세포외 공간으로 방출되는 짧은 펩타이드입니다[2,33].
이 과정은 AD와 관련하여 다양한 정도의 독성을 갖는 다양한 길이의 이소형(표 1)을 생성할 수 있습니다[34]. 가장 일반적인 A 이소형은 일반적으로 각각 A 40 및 A 42라고 하는 40- 및 42- 잔류 롱곤입니다. 40은 플라크에서 가장 풍부한 변종(~80%~90%)이며 건강한 사람의 뇌에도 존재합니다.
A42는 응집 경향이 훨씬 더 높으며 A42/A40 비율의 증가는 AD 및 기타 형태의 치매와 관련이 있습니다[30,34](표 2). 절단 외에도 A의 유전적 돌연변이(APP 유전자의 A692G, E693Q[35,36], 표 2)와 기타 많은 PTM(산화, 인산화, 글리코실화 및 이성체화 포함)이 AD와 연관되어 있습니다[30].
연구에서는 아세틸화(예: Lys16 및 Lys28), 인산화(예: Ser8 및 Ser26), 니트로화(예: Tyr10), 피로글루타메이트(예: Glu3 및 Glu11), 이성질체화(예: Asp1 및 Asp7) 및 라세미화(예: Asp1 및 Asp7)의 발생을 보여줍니다. , Asp1, Asp23 및 Ser26) 질병의 맥락에서 [30,37-39] (표 1).
인지 저하가 아밀로이드 침착 정도보다는 가용성 중간체 형태의 A와 더 많은 상관관계가 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다[16]. Tau는 미세소관 내부 뉴런을 안정화시키는 주요 미세소관 관련 단백질입니다[2,40]. 인간의 뇌에서 타우는 3개 또는 4개의 미세소관 결합 반복을 운반하는 6개의 서로 다른 이소형으로 존재합니다(R). 이러한 isoform을 각각 3R과 4R이라고 합니다.
3R이나 4R 또는 3R과 4R 아밀로이드 둘 다의 존재는 질병 특이적인 것으로 밝혀졌습니다. 예를 들어, AD, ALS, FT, D 및 파킨슨증에서는 3R 및 4R 아밀로이드가 모두 존재하는 반면, 피질기저핵 변성과 픽병에서는 각각 4R 및 3R 아밀로이드만 발견됩니다[41,42]. Tau는 PTM, 특히 인산화를 겪습니다 [40].
병리학적 과인산화는 미세소관에 대한 타우 친화력을 감소시키고 미세소관으로부터의 분리를 유발하여 PHF 및 NFT를 형성합니다[2].
현재까지 타우의 잠재적인 인산화 부위가 85개 확인되었습니다[40]. 또한, 분자 및 세포 연구에 따르면 아세틸화(예: Lys174, Lys274 및 Lys280), 산화(예: Cys322), 니트로화(예: Tyr29), 당화(예: Lys87, Lys132 및 Lys150), 절단(예: Asp13 및 Lys13에서) Asp421 및 Glu391) 및 유비퀴틴화(예: Lys48 및 Lys63)도 타우 응집에 영향을 미칩니다[27](표 1).
3.2. - PD의 신
AD와 달리 PD는 주로 운동 시스템에 영향을 미쳐 떨림, 강직, 운동완서 및 자세 불안정을 유발합니다[2]. PD의 병리학적 특징은 Lewy체(LB) 및 Lewy 신경돌기(LN)로 알려진 세포질 아밀로이드 함유물의 발생입니다. LB와 LN은 주요 구성 요소가 -syn인 아밀로이드 응집체로 구성됩니다[43].
-Syn은 양전하를 띤 N 말단 영역, 응집이 발생하기 쉬운 비아밀로이드 성분(NAC) 중앙 영역 n, n 및 음전하를 띤 C 말단 영역을 갖는 140개의 잔기를 포함합니다[44,45].
-syn 염색체 영역(4q21-23)의 중복 또는 삼중화와 -syn 서열의 A53T, G51D, H50Q, E46K 및 A30P를 포함한 돌연변이, 조기 발병 PD와 관련된 영역[46-48](표 2 ). -Syn은 55%~62% 유사성을 갖는 - 및 -시누클레인도 포함하는 단백질 계열에 속합니다. -Synuclein은 응집 경향이 감소하고 천연 억제제로서 -syn의 응집을 억제하는 반면 산화된 -synuclein은 -syn 응집을 시작할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다[49,50].
몇몇 PTM은 -syn의 집합에 영향을 미치고 PD와 연관되어 있으며[28,] 진단 잠재력을 보유하는 것으로 알려져 있습니다[51](표 1).
여기에는 N-말단 아세틸화, N-말단의 여러 절단(예: -syn7-140, 14-140, 40-140 및 시험관 내에서 발견된 72–140, 5–140 및 68)이 포함됩니다. –140은 생체 내에서 발견되고 둘 다에서 여러 개 발견됨) 및 C 말단(예: -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}},1-133 및 1-135), Ser87 및 Ser129의 인산화, Met1, Met5, Met116 및 Met127의 산화, Lys96 및 Lys102의 SUMO화, Tyr39, Tyr125 및 Tyr133의 니트로화, Lys6의 유비퀴틴화 , Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 및 Lys96 [28,52,53] (표 1).
3.3. ALS 및 FTD의 TDP-43 및 FUS
ALS와 FTD는 메커니즘이 중복되는 신경퇴행성 질환입니다. ALS는 상부 및 하부 뉴런에 영향을 미쳐 근육 조절 상실을 유발합니다. FTD는 전두엽 및 전측두엽의 퇴행과 관련된 치매의 한 형태입니다[54].
ALS의 약 97%와 FTD 사례의 45%는 뉴런과 신경교 세포의 세포질에 유비퀴틴화, 과인산화 및 C 말단 절단 TDP-43 집합체 포함의 존재와 관련이 있습니다[29].
TDP-43는 414개 잔기 길이의 리보핵단백질로, 시험관 내에서 아밀로이드 유사 응집체를 형성할 수 있고 병리학적 조건에서는 응축물(즉, 스트레스 과립)을 형성할 수 있습니다[9]. 이는 핵 국소화 신호가 있는 N 말단 영역, 두 개의 RNA 인식 모티프, 핵 수출 신호 및 무질서한 C 말단 영역으로 구성됩니다[29].
이 모든 영역은 단백질의 응집에 중요한 역할을 하는 것으로 보고되었습니다[55-57]. G294A, Q331K, M337V[58] 및 K181E[59]를 포함하여 ALS 및 FTD의 산발적 및 가족성 사례 모두에서 여러 TDP{2}} 돌연변이가 확인되었습니다(표 2). A 및 -syn과 마찬가지로 TDP-43의 PTM도 단백질 응집 및 질병 진행에 중요한 역할을 합니다.
절단된 25kDa 및 35kDa C-말단 단편이 ALS 환자의 병리학적 집합체에서 흔히 발견된다는 점은 주목할 가치가 있습니다[29,31,54]. 유비퀴틴화는 TDP-43 포함의 일반적인 변형이기도 합니다[31]. 마지막으로 TDP-43의 비정상적인 인산화, 아세틸화 및 산화는 종종 단백질의 잘못된 위치화 및 비정상적인 응집과 관련이 있습니다[29](표 1).
ALS와 FTD는 또 다른 RNA/DNA 결합 단백질인 FUS와도 연관되어 있습니다. FUS는 N-말단 전사 활성화 도메인과 C-말단 도메인에 의해 만들어진 526개 잔기 길이의 단백질로, 전사 인자와 상호작용하고 핵 위치 확인 신호도 포함합니다[60,61].
두 영역 모두 복잡도가 낮은 영역을 포함하고 응축물과 하이드로겔의 형성에 역할을 합니다[62]. FUS의 50개 이상의 돌연변이(예: R521C, R521H[63])가 ALS/FTD 사례에서 보고됩니다.
TDP-43와 달리 FUS는 일반적으로 집합체에서 전체 길이의 단백질로 발견됩니다[61]. 인산화는 FUS의 프리온 유사 도메인에서 발생하며 상 분리 및 응집 패턴에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, C-말단 도메인의 돌연변이 및 PTM(주로 메틸화 및 인산화)은 핵/세포질 위치를 조절하는 것으로 밝혀졌습니다[61,64].
FUS의 명확한 병리학적 역할에도 불구하고 ALS/FTD 표현형은 TDP{0}} 기능 장애가 있는 것보다 FUS와 관련되는 빈도가 적습니다[61,65]. 따라서, 바이오마커로서 FUS의 역할은 아직 결정되지 않았습니다.
4. 아밀로이드생성 단백질의 유전적, 구조적, 화학적 특징의 진단 가능성
생물학적 샘플 내에서 아밀로이드 생성 단백질을 정량화하고 이러한 단백질과 신경퇴행성 질환 사이의 연관성을 결정하기 위해 여러 가지 검출 접근법이 사용되었습니다.
이러한 전략 중 일부는 형태나 변형에 관계없이 아밀로이드 생성 단백질의 발현 수준/농도 변화를 정량화하는 것을 목표로 합니다(표 2). 대신 일부 다른 접근법은 아밀로이드 생성 단백질의 특정 구조적(예: 응집 상태) 또는 화학적(즉, PTM) 특성을 조사하는 데 중점을 둡니다(표 1).
이러한 모든 접근법은 신체의 다양한 부위를 분석합니다. 양전자방출단층촬영(PET)과 같은 기술은 중추신경계(CNS) 내, 예를 들어 뇌 내에서 직접 단백질을 조사할 수 있습니다[2,44,66].
그러나 아밀로이드 생성 단백질은 신체의 더 접근하기 쉬운 다른 부위에서도 검출될 수 있습니다. 이 섹션에서는 주로 면역블로팅 및 효소 결합 면역흡착 분석(ELISA)과 같은 면역분석을 사용하여 뇌 조직과 접근 가능한 체액을 분석하여 얻은 결과에 대해 논의합니다.
고려 중인 체액에는 뇌의 세포외 부분과 직접 접촉하는 뇌척수액(CSF)이 포함되며, 따라서 뇌 대사 측정에 최적인 체액입니다[44].
For more information:1950477648nn@gmail.com
