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유전체 보존(genome integrity)과 뇌의 노화(the ageing brain)
유전체 보존(genome integrity)과 뇌의 노화(the ageing brain) 저자 배준석 (Massachusetts General Hospital and Harvard Medical School)
등록일 2017.02.23
자료번호 BRIC VIEW 2017-R05
조회 3014  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
DNA 손상은 노화과정과 관련이 있고, 그 과정을 촉진하는 것으로 생각되고 있다. 뇌 속의 뉴런은 체세포분열이 끝난 상태(postmitotic)이고, 여러 DNA 복구기전으로부터 제외된다; 따라서, 뉴런은 여러 신경퇴행성질환에 취약하다. 우리가 직면하고 있는 문제는 언제, 어떻게 뉴런의 DNA 손상이 축적되고, 이러한 유전체보존의 손상이 어떻게 신경세포 노화의 타임키퍼(time keeper)로써 작용할 것인지 그리고 왜 이 과정이 각 개인별로 다양한 질병으로써 나타나는지 이해하는 것이다.
키워드: DNA 손상, 노화, 뉴런, DNA 복구기전, 신경퇴행성질환, 유전체 보존
분야: Neuroscience
본 자료는 Genomic integrity and the ageing brain. Nature Reviews Neuroscience 16, 672–684 (2015)의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 충분한 DNA 손상 복구가 뉴런의 건강을 유지한다
  2.1 발달 과정 동안의 계획된 DNA 손상과 염색체 불균형
3. 성인의 뉴런 유전체의 상태
  3.1 노화하는 뉴런에서 DNA integrity의 감소
  3.2 완벽하지 않은 DNA 복구는 노화관련 질병을 발생시킨다
  3.3 세포주기 재진입 – 불충분한 복구신호에 의해 G1기로 넘어가기
4. 비유전체 인자의 변화
  4.1 CpG 영역 메틸화
  4.2 히스톤 단백질 수정
  4.3 시르투인과 DNA 복구
  4.4 미토콘드리아의 DNA integrity
  4.5 DNA 복구와 신경 퇴행에서 마이크로 RNA의 역할
5. 전망과 결론


1. 서론

모든 생명체는 나이가 든다. 하지만, 이 단순한 개념의 생물학은 완전히 이해되지 못했다. 우리는 노화를 분자수준, 세포수준, 개체수준에서 설명할 수 있지만, 그 과정의 근본원인을 정의하는 것은 어렵다. 노화과정을 겪는 세포의 한 가지 특징은 DNA 손상이 복구되지 않은 상태로 축적이 되고 이로 인해 유전체 보존(genome integrity)이 손상되는 것이다. 특정 세포구성물에 축적된 손상은 노화의 과정에 기여하지만, 모든 세포에 다량으로 존재하는 지질이나 단백질, 탄수화물과 같은 고분자들은 쉽게 복구되고 교체될 수 있다. 그와는 반대로, 각 세포들은 오직 하나의 유전체(genome)만을 가지고 있기 때문에 유전체가 손상이 일어나면 복구는 항상 가능하겠지만, 일정수준 이상의 손상을 받게 되면 그것은 복구되지 못하고, 결국 나이가 들어감에 따라 세포에 축적된다. 이러한 취약성에 대한 결과는 분명하다. 세포는 계속해서 오류를 가진 RNA와 단백질 결과물의 생산을 증가시킬 것이고 이러한 현상들은 점점 심해져, 비록 이것이 자연적인 현상일 지라도 이로 인한 손실은 진화과정에서 선택되지 못할 것이다. 왜냐하면 이러한 특질들은 생명체의 번식이 끝난 후에 생겼기 때문에, 선택(selection) 과정에 적용되지 않는다. 따라서, 그 후세대 내에서 선택적으로 유지되지도 제거되지도 않을 것이다.

모든 세포들은 DNA integrity를 유지하는 것이 중요하기 때문에, 정교한 DNA 손상 반응 단백질의 집합체를 가지고 있다. 세포들은 각각의 독립적인 DNA 손상 복구 기전들이 서로 얽혀있는 복구 네트워크들을 잘 갖추고 있다. 신경의 발달과정 동안, 전구세포(progenitors)들을 만들어내는 과정에서 DNA 손상의 효율적 복구는 각각의 유전체(genome) integrity를 유지하기 위해 매우 중요하다. 손상 복구는 4가지 주요 경로를 매개한다: 뉴클레오타이드 삭제 복구(nucleotide excision repair, NER), 염기 삭제 복구(base excision repair, BER), 상동 재조합(homologous recombination, HR) 그리고 비상동 재조합(non-homologous end jointing, NHEJ). 대부분의 단일가닥 손상들은 NER에 의해 복구되는 반면, 염기 내에 작은 손상들은 BER의 타겟이다. NER과 BER은 온전한 상호보완적인 가닥(complementary strand)을 template로 이용하여 DNA 합성을 통해 오류 없이 DNA의 복구(error-free DNA repair)를 가능하게 한다. 예를 들어 NER은 자외선, 사이클로뷰테인 피리미딘 2량체(cyclobutane pyrimidine dimers), 화학물(bulky chemical adduct)과 같은 것들에 의해 형성된 손상들을 다양한 경로를 통해 복구한다. 활발하게 전사(transcription)가 일어나는 지역 내에 손상이 위치하는 경우에는 전사포크(transcription fork)의 지연(stalling)이 NER 단백질의 하위과정에 신호를 보내고, 전사과정과 더불어 NER (transcription-coupled NER)을 개시한다. 전사가 일어나지 않는 지역에 위치한 손상들은 다른 복합체들 - UV손상 DNA결합 단백질(UV-damaged DNA-binding protein)과 색소성건피증 그룹C 복합체(xeroderma pigmentosum group C-containing complexes) - 에 의해 DNA 나선구조에 뒤틀림이 발견되고, 이로 인해 전반적인 유전체 NER이 시작된다. DNA 이중가닥 손상에 대해서는 주로 HR과 NHEJ에 의해 복구된다. HR은 자매염색분체(sister chromatid)의 온전한 서열을 이용하여 복구하는 것으로 이것은 주로 세포주기의 S와 G2기 동안 발생하는 이중가닥 손상을 복구하는 데에 이용된다. 그와는 반대로 NHEJ는 손상된 양끝의 부위를 단순하게 접합시킨다. 따라서, 자매염색분체와 같은 정상 서열의 도움이 없기 때문에 HR보다 오류 발생이 쉽게 발생하며 이로 인한 작은 결손은 피할 수 없다. NHEJ는 G1기에서 주로 발생하고 가끔 S기에서도 발생한다. 뉴런은 일단 성숙하면 체세포분열이 끝나기 때문에(postmitotic), HR은 더 이상 이중가닥 손상 복구를 위한 옵션이 아니다. 그러므로 뉴런은 거의 NHEJ에 의존한다(신경시스템에서 다양한 DNA 손상 복구 경로는 McKinnon의 최근 리뷰를 참조). 만약 DNA 손상이 특정 한계를 넘어서면, 세포는 세포노화(senescence)나 세포죽음(cell death)을 야기할 수 있도록 페일세이프(fail-safe) 기전을 작동시킬 수 있다. 이러한 중첩적인 손상 조절 시스템은 특히 뉴런과 같은 분화된 체세포에 중요하고 형태학적으로(morphologically), 기능적으로(functionally) 전문화되어 있으며 영구적으로 postmitotic하다. 뉴런은 결손되었거나 고장난 부위를 복구하기 위해 세포분열에 의존할 수 없고, DNA 복제과정에서 가장 흔하게 일어나는 HR을 통해서도 DNA를 복구할 수 없다. 호모사피엔스와 같이 오랜 기간 살아가는 종에서의 전형적인 CNS 뉴런은 정확한 DNA 손상 복구 없이 80년 혹은 그 이상 생존해야만 한다. 그러므로 알츠하이머병과 같은 후발성의 퇴행성 질환이 불충분한 DNA 손상 복구로 인해 발생되었을 것이라고 부분적으로 설명하는 것이 이상한 일은 아니다.

2. 충분한 DNA 손상 복구가 뉴런의 건강을 유지한다

DNA 손상 복구의 실패가 노화과정을 촉진(driving force)한다는 개념은 충분히 매력적이다. 하지만 이 개념을, DNA 손상의 축적이 단지 노화과정의 부산물(즉, 원인이 아닌 결과)이라는 또 다른 개념과 함께 구별 지어 생각해보는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 우선적으로, 복구될 수 없는 DNA 손상의 기준치(baseline burden)를 만드는 발달과정의 범위를 추정하여 백그라운드 (background)를 제외해야 한다.

2.1 발달 과정 동안의 계획된 DNA 손상과 염색체 불균형

유전체 손상의 위험에도 불구하고 여러 정상적인 발달 과정들은 일시적으로 DNA 나선구조 내에서 이중가닥 손상을 유도한다. 예를 들어, 감수분열 동안 염색체의 접합(synapsis)과 교차(crossing over)의 과정은 매우 정교한 SPO11-cayalysed DNA 이중가닥의 손상 및 복구와 관련이 있다. 또한 T세포 B세포의 V(D)J 재조합(recombination) 과정에서 ‘위치 특이적 재조합 반응’(site specific recombination event)은 이중가닥 손상과 부정확한 복구과정을 통해 항원인식에 있어 다양성을 만들어낸다. 신경생물학자들은 뇌 세포들간에 다양한 표현형을 만들어 내는 이 기발하고도 경제적인 방법에 대해 흥미를 느끼고 있다. V(D)J 시스템의 여러 주요 단백질들은 실제로 성인 CNS 내에서 발현하고 있고, RAG1 전사체는 해마체와 공간적인 학습과 기억에 중요한 또 다른 번연계 지역 내에서 발견되고 있다. 게다가, RAG-1 결손 쥐들은 사회적 인식기억의 손상을 보임으로써, 이러한 전사체들의 기능적인 중요성을 강조한다. DNA 접합효소 의존적 재조합 반응이 또한 해마추출물(hippocampal extract) 내에서 발견되어, 기억의 강화에 관련이 있음을 보여준다. 그러나 뇌 안에서 site-directed V(D)J-like effects를 특정적으로 탐지하는 목적의 연구에도 불구하고, 그러한 활동들은 아직까지 발견되지 않고 있다. V(D)J 재조합과 생식세포분열과 같은 정상적인 발달 과정 동안 발생하는 계획된 손상반응 외에도, 빠르게 분열하는 전구세포에서 발생하는 ‘염색체분열결함(chromosome segregation defect)’이나 ‘유전자/텔로미어 지역 복제관련 DNA 손상 (replication-associated DNA damage at gene loci or telomere regions)’과 같은 계획되지 않은 손상들이 존재한다(그림1). 복구되지 않은 이러한 거대한 유전체상의 오류들은 뉴런 전구체의 이수체(aneuploidy)를 발생시킬 수 있고 유전체 상에 상당한 스트레스를 부여한다. 이러한 유전체 상의 스트레스로 인해 태아(fetus)의 몸 도처에 기형이 발생하여 중간 잉태(mid-gestation) 과정에서 결국 죽음에 이르게 하는 ‘DNA 접합효소 4’와 같은 DNA 복구 효소 내 변이의 치명성(lethal)이 반복적으로 발견되고 있다.

3. 성인의 뉴런 유전체의 상태

역설적으로 들리겠지만, 성인의 뉴런 유전체의 integrity는 확실하지 않기 때문에 심도 있는 조사의 대상이 되어왔다. 특정한 V(D)J 과정의 직접적인 증거의 부재는 오직 한가지 특정한 형태의 DNA 배열을 배제시켰다. 다른 종류의 ‘손상과 복구전략’이 틀림없이 가능한데, 아마 다양한 환경하에서 다양한 세포의 종류들에 의해 사용될 것으로 생각된다. 비록 이러한 전략들이 존재할 것이 확실치는 않지만, 성인 뉴런의 유전체의 또 다른 ‘손상과 복구 전략’이 존재하고 또한 일정하게 활용되고 있다고 제안될 만한 특징들이 존재한다. 다양한 증거들이 뇌 안의 뉴런들의 염색체 수의 변화를 주목하고 있다. 실제로 발달 과정에서, 대뇌피질(cerebral cortex)이 만들어질 때, 이 중 33%가 이수성의 신경모세포로부터 만들어진다고 추정된다. 물론 많은 수의 이수체의 전구체들이 아마도 발달 과정 중 세포사멸로 제거되겠지만, 비정상적인 수의 염색체를 가진 분열 후 뉴런(postmitotic neuron)들은 성숙한 뇌에서 발견될 수 있다. 그 숫자들은 종에 따라, 분석된 뇌의 지역에 따라, 사용한 기술에 따라, 의문을 가진 염색체에 따라 다르게 나타날 것이다. 쥐의 뇌에서 부위특이적 형광표지법(locus-specific FISH)을 통해 쥐의 뇌를 관찰하면 세포의 약 1-6%가 성염색체의 증가 혹은 손실이 나타난다. 형광표지법, 면역세포화학법(immunocytochemistry), 세포분리기법(cell sorting array) 등은 인간의 뇌에서 염색체 21번에 약 4%의 이수성의 비슷한 측정값을 보여주며 또한 최근의 연구는 정상적인 성인의 뇌에서 염색체 21번에 13% 비율의 이수성을 제안했으며, 이 내후각피질 (entorhinal cortex)에서 염색체 17번의 높은 이수성(6-19%)을 보고했다. 물론, 뇌의 노화과정에서 발견되는 몇몇의 이수성 증가현상은 비뉴런세포(non-neuronal cell)에서 발생하는 것이겠지만, 위의 연구결과에서 보여주는 숫자들은 여전히 성인의 뇌가 작지만 상당한 비율의 염색체 이수성의 뉴런들과 많은 비율의 ‘작은 이수성들’(microaneuploridies)을 가진 세포들을 가지고 있다는 것을 보여준다. 만약 이수성에 대한 조사가 염색체 하위단계(subchromosomal scale)까지 가능하게 되어 copy number variation 등까지 포함하게 된다면, 이 불균형의 추정수치는 13-41%까지 상승하게 될 것이다. 이 비율은 발달 과정 동안 뉴런의 전구체내의 DNA 복제과정에서 발생하는 오류에 의해 생성되는 기본값(background)이며, 대부분의 이러한 이수성들은 전체 계통(lineage)까지 전파되어, 광범위한 염색체 모자이크 현상(chromosomal mosaicism effects)을 야기하게 될 것이다(그림1).

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그림 1. DNA 깨짐은 정상적인 발달과정의 일부분이다.
(원문 이미지: http://www.nature.com/nrn/journal/v16/n11/fig_tab/nrn4020_F1.html)
이 그림은 신경 발생 동안 발생할 수 있는 DNA 손상들을 나타낸다; 뇌실 지역(ventricular zone)에서의 일반적인 신경세포 계통을 통한 퍼져나감이 보인다. 신경 전구세포가 분열하는 동안, 손상들(DNA뼈대의 빨간부위)은 DNA가 복제하는 과정에서 발생하여 전파될 수 있다. 복구기전(repair machinary)으로 인해 이러한 손상이 발견되더라도, 만약 오류발생이 쉬운 DNA 복구기전이 사용되었을 경우에는, 영원한 결함(빨간 X표시)이 게놈에 삽입되어 유지된다. 이러한 작은 손상(microlesions)뿐만 아니라, 잘못된 염색체 분리가 발생하여, 수정되어질 수 없는 염색체 이수성(aneuploidy)를 야기시키기도 한다. 발달 기간에 발생 가능한 DNA 손상의 마지막 형태는, 증가하는 세포의 분열과 함께 발생 가능한 텔로미어 길이의 단축이 있는데, 이는 염색체 끝 부분의 염색질 지역에 후성유전학 변형을 야기할 것으로 생각된다. CNV, 복제수변이.


3.1 노화하는 뉴런에서 DNA integrity의 감소

뇌세포의 DNA는 지속적으로 다양한 손상에 노출된다. 이러한 손상의 대부분은 임의적이며 방사선, 활성산소(reactive oxygen species) 등과 같은 스트레스 유발물질에 의해서도 발생한다(그림 2). 예를 들어, 뉴런의 높은 전사비율은 ‘topoisomerase I cleavage complexes’ 통해 DNA 손상의 발생으로 유전체에 위험을 가져올 수 있다. 이는 활발한 전사단계에서 DNA 슈퍼코일링 (supercoiling)이 topoisomerase I에 의해 풀릴 때, 내재적으로 형성되는 ‘topoisomerase I 연계 DNA 단일가닥 손상’이다. 보통 Topoisomerase I의 효율적인 전환(turnover)는 ATM kinase 독립적인 활성에 의해 촉진된다. 최근 제안된 뉴런의 DNA 손상의 또 다른 예는 뉴런의 활동 중의 작은 변화가 유전체 내에 손상을 일으킨다는 것이다. Suberbielle 연구진은, 4-7달 된 야생형의 쥐에서 풍요로운 환경의 탐구(exploration)동안 보여지는 증가된 뇌 활성도에 의해 이중 가닥 손상이 발생할 수 있다고 발표했다. 이 겉보기에는 무해한 활동이 광범위하지만 일시적이고 효율적인 복구를 수반해야만 하는 뉴런의 이중가닥손상을 증가를 야기시킨 것이다. DNA의 손상 정도는 활성도의 정도와 직접적으로 관련이 있었고, 복구과정의 중요성을 언급하며 저자들은 또한 알츠하이머 쥐 모델에서 비슷한 정도의 손상을 관찰하였다. 하지만 복구 과정은 더 느렸다.

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그림 2. 발달, 성숙, 노화과정에서 신경시스템의 DNA손상의 원인.
(원문 이미지: http://www.nature.com/nrn/journal/v16/n11/fig_tab/nrn4020_F2.html)
초기 발달 과정 동안, 분열하는 전구세포의 활발한 DNA복제가 그림1에서 제시되었던 기전에 의한 주된 DNA 손상의 원인이다. 그러나 신경조직발생(neurogenesis)이 끝난 후에도 다른 출처의 DNA 손상이 유전체에 영향을 끼칠 수 있다. 만약 미성숙한 신경세포가 성인의 운명(adult fate)에 특이적인 다양한 유전자를 발현하기 시작하면, 활발한 대사과정과 다양한 단백질 변화(modification)과정으로 인해 유발되는 스트레스가 추가적인 DNA 손상에 기여한다. 끝으로 노화단계에서는, 지속적으로 발생하는 다양한 단백질 변화 (modification), 산화(oxidation), 대사 스트레스(metabolic stress), 전사 및 뉴런의 활성(transcriptional and neurnal activities)에 의해 성숙하게 분화한 뉴런이라 할지라도 유전체에 스트레스를 준다. 이러한 스트레스들은 염증성 사이토카인과 미세교세포의 활성(microglial activation)과 같은 외부 영향으로도 발생한다.


비임의적 DNA 손상의 또 다른 예는 텔로미어(telomere)와 관련이 있다. 해이플릭 효과(The Hayflick effect) – 가능한 세포분열의 수는 상한선이 있다 – 는 각 세포가 분열하는 동안 발생하는 텔로미어 길이의 짧아짐을 설명한다. 그러나 뉴런은 더 이상 분열하지 않기 때문에, 텔로미어가 안정적으로 유지된다. 그럼에도 불구하고 텔로미어 기능의 고장은 인간의 신경 질병와 관련이 있는데, 아마 이것은 telomerase의 유전체적(텔로미어의 직접적인 이유가 아닌) 기능과 세포의 생존을 조절하는 또 다른 텔로미어관련 단백질 때문일 것이다. 한 예로, 텔로미어의 헤테로 크로마틴의 펴짐으로 인해 발생하는 유전자 발현의 변화이다. 출아하는 효모 내에서 텔로미어는 지속적인 텔로머레이즈의 발현으로 인해 유지가 되는데, 텔로미어의 ‘긴 거리 고리형성’(long dis-tance looping)이 끝단으로부터 20kbp까지 유전자를 억제하는 것이 발견되었다. 인간에게서는, 3 곳의 서로 다른 하위 텔로미어 끝부분(1p, 6p, 12p)에 위치한 여러 유전자들의 발현이 인터페론-자극 ISG15(Interferon-stimulated ISG15), 데스모플라킨(desmoplakin), 그리고 C1보체구성물질(complement C1 subcomponent)와 같은 과정에 의해 영향을 받는다. 텔로미어는 또한 또 다른 과정으로 인해 짧아져서, 노화의 속도에 영향을 끼치는 것이 가능하다. ATM, Werner helicase, 그리고 나이메헨 파손 증후군 단백질 1(Nijmegen breakage syndrome protein 1, NBS1 - nibrin 이라고도 부름)과 같은 DNA 손상 반응 단백질은 건강한 텔로미어와 연관이 있고, 그곳에서 그들은 DNA를 복구하기 위해 텔로머레이즈와 함께 작동하고, 스트레스에 반응하여 크로마틴 구조를 재구조화한다. 텔로미어의 기능장애는 알츠하이머와 같은 노화관련 신경퇴행성 질환 환자의 백혈구에서도 보고되었다. 종합해보면, 기능적인 텔로머레이즈 효소(functional telomerase enzyme)를 포함한 텔로미어 integrity의 유지는 정상적인 뉴런의 성장에 필수적인 것으로 나타난다. 그러므로 성인 뉴런의 부족한 세포분열에도 불구하고, 텔로미어 integrity의 느린 손실은 뇌의 노화에 몇 가지 특징들을 설명한다.

끝으로, 비임의적 DNA 손상의 추가적인 원인으로 ‘선택적인 복구 과정’을 들 수 있다. 뉴런은 개체의 생존기간 동안 분열할 수 없기 때문에, 정확한 기전인 HR보다 NHEJ를 통하여 이중가닥 DNA 손상을 복구할 수 밖에 없다. 이러한 문제에 직면하여 분열 후(post-mitotic) 성인 뉴런은 선택적인 접근법을 채택하는 것으로 보인다. 즉, 전체 게놈레벨에서 복구하는 것은 줄이는 반면 활발하게 전사되는 유전자는 보다 효율적으로 복구하는 것이다. 이 접근방법은 노화의 과정에서 상당한 의미가 있다. 특정 두 뉴런의 전사적 패턴이 보통 같지 않기 때문에, 덜 복구된 유전적 위치(genomic regions)는 세포마다 매우 다양하게 나타난다. 게다가 만약 활발한 뉴런들이 주위의 조용한 뉴런들보다 더 자주 DNA가 손상되고 복구되는 과정은 거친다면, 축적된 손상들에 대한 전반적인 차이들이 시간이 지날수록 점점 더 명백해 질 것이다. 만약 이 손상이 우연히 생기는 것이 아니라, 각각 세포들의 전사활성도의 패턴과 관련이 있다면, 뇌의 나이에 따라 다양한 지역 내의 다양한 뉴런들이 그들의 유전체에 복구되지 않은 상처의 다양한 패턴을 얻을 것이다. 그러므로 뇌의 각각의 뉴런들의 유전체는 독특하고, 유전적, 발달과정, 그리고 전기적, 생화학적 활성에 따른 자연적인 차이에 기반한 후성유전학적 상처들에 기인한다는 설명이 가능해진다. 특정한 질병의 화학적 상황에 노출되었을 때, 이러한 상처들이 ‘피드포워드 퇴행’(feed-forward degeneration) 주기를 만드므로써, 유전적 손상들이 특정 질병 상황(예를 들어, 신경염증반응)에서의 활성도를 증가시키는 취약성(vulnerability)을 야기시킬 것이라는 것을 생각해 볼 수 있다. 이 활성도는 특정 위치에서의 유전체에 더 많은 손상을 야기할 것이고, 이는 초기 취약성을 더욱 증가시킬 것이다. 이 피드포워드 과정은 다양한 신경퇴행성 질환에서 발견되는 다양한 분자적 표현형을 설명하는 가장 매력적인 모델이다.

3.2 완벽하지 않은 DNA 복구는 노화관련 질병을 발생시킨다

DNA 손상과 복구 사이의 균형이 무너졌을 때, 노화 관련한 인지의 감소와 뉴런의 정상적인 생리학의 점진적인 손실은 피할 수 없는 결과이다. 불충분한 DNA 복구과 신경퇴화 (neurodegeneration)의 관계는 미성숙한 뉴런의 죽음과 색소성 건피증(xeroderma pigmentosum) 환자에게서 보이는 신경학적 증상의 발견 이후로 첫 번째로 제안되었다. 이러한 연관성은 다른 신경퇴행성 질환을 야기하는 돌연변이들이 DNA 손상 반응 단백질과 연관이 있다고 밝혀짐으로써 더욱 더 지지를 받았다. Sykora 그룹은 이 관계가 후발성의(late-onset) 신경퇴행성 질환과 관련이 있다고 주장하며, DNA 중합효소 베타(DNA polymerase β (Polb+/−))의 반수체부족성 (haploinsufficiency)과 함께 트리플 유전자(3xTg; homozygous for the presenilin 1 (Psen1) mutation and for the co injected APPSwe and tauP301L transgenes)를 이식한 쥐가 완벽하지 않은 BER, 증가된 DNA 손상 그리고 뉴런의 사멸을 증가시킨다고 보고했다. 게다가, 알츠하이머 질병을 보이는 인간의 전사체(transcriptome) 프로파일이 Polb+/− 또는 3xTg 쥐보다 3xTg Polb+/− 쥐와 더 비슷했다. 노화 과정을 촉진자로써 작동하는 ’복구 과정의 실패’는 Ercc1 (excision repair cross-complementation group 1) 결핍의 신경학적 결과로 인해 더욱 더 강조되어졌다. Ercc1은 BER을 포함하여 여러 DNA repair pathway의 필수적인 주요성분으로써 동형의(homozygous) Ercc1 제거변이는 임신기간 동안 죽음을 야기시키고; 정상하위대립인자(hypomorphs)는 살아남지만, 매우 빠른 속도로 다양한 형태의 DNA 손상을 축적시킨다. Ercc1 정상하위대립인자(hypomorphs)가 보여주는 신경퇴행성 표현형은 – 꾸준히 진행되는 신경가소성의 손상과 인지 감소 – 상당한 발견이다. 그러므로, 많은 증거들이 완벽하지 않은 DNA 복구가 노화과정을 가속시키고, 신경퇴행성 질병을 야기한다는 결론으로 모아지고 있다.

다양한 신경퇴행성 질환이 유전체의 다양한 영역의 상처(scars)에 의해 발생하는 유전적, 후성유전학적 특징에 기인한다는 제안의 맥락에서 보면, 성인 뉴런의 노화과정에서 DNA 복구를 위한 역량(capacity)의 변화에 대해 상대적으로 적게 알려진 것은 주목할 만 하다. 만약 유전체 손상의 비임의적 성질(non-random nature)이 복구기전의 결핍이라는 특이한 성질 때문에 형성되는 것이라면, 여러 질병에서의 지역적/세포타입별 특이성은 거의 직접적인 예측이 가능하다라는 뜻이다. 하지만 이 가설을 증명하기 어렵다. 쥐에서, KU70 (XRCC6로도 알려져 있음), KU80 (XRCC5로도 알려져 있음), XRCC4, 접합효소 4(ligase 4)와 같은 NHEJ 기전의 필수요소의 손실이 초기 분열 후 세포(postmitotic cells)의 대대적인 세포사멸(massive apoptosis)을 일으키고, 이는 즉시 뇌실 지역으로부터의 탈출을 유발한다는 것이 오랜 기간 동안 알려져 온 반면 뇌실 지역 그 자체 내의 체세포 전구세포(mitotic progenitor cells)들은 영향을 받지 않는다. 그러므로 뉴런의 이중가닥손상을 복구할 수 있는 유일한 방법인 NHEJ 능력의 유전적인 손실은 세포가 성숙(maturation) 과정을 시작하자마자 치명적으로 작용한다. 게다가 최근의 연구는 활발한 NHEJ 역량이 평생 동안의 필요한 요소임을 발표했다. ATM, MRE11, DNA-PKcs(DNA 의존 kinase의 촉매소단위)와 같은 DNA 손상반응 단백질들이 나이가 지남에 따라 감소한다는 증거가 늘어나고 있고, 감소는 알츠하이머병과 같은 후발성의 신경퇴행성 질병과 연관이 있을 것으로 추정되고 있다.

3.3 세포주기 재진입 – 불충분한 복구신호에 의해 G1기로 넘어가기

분열 중인 세포에서, 세포주기 조절과 DNA 손상복구는 복잡하게 얽혀있다. 세포주기를 조절하는 단백질들이 DNA 복구의 구성요소의 발현에도 영향을 미치기 때문이다. 조절은 쌍방향으로 발생한다. 두 반응에서 사용되는 동일한 단백질뿐만 아니라 DNA 손상이나 세포주기 체크포인트의 활성에 대한 반응도 잘못된 정보의 복제로 인한 딸세포로의 돌연변이를 발생시키는 것으로부터 세포를 보호한다. 예를 들어, 이중가닥손상에 대한 반응으로써, ATM은 이중가닥손상 인지인자 NBS1뿐만 아니라 체크포인트 인산화효소(예, CHK2), γH2AX 그리고 체크포인트 중개 단백질 암억제자 p53 결합단백질(TP53BP1)을 포함한 중개분자들의 연쇄반응을 인산화시키므로써, 세포주기 체크포인트를 활성화한다. 이 과정 동안, 이중가닥손상의 복구와 신호전달 분자들은 별개의 핵 집합체(nuclear foci)를 형성하고, 이는 복구를 강화하고 체크포인트 반응을 증가시킨다.

뉴런에서, 세포주기 재진입과 DNA 복구 사이의 연관성은 특히 복잡하다[상자 1]. 비록 세포주기 재진입이 분열 후 뉴런 내에서 DNA 복구의 부분으로 생각될지라도, 신경퇴행에 대해 높은 위험을 가진 집단 내에서 개개의 뉴런이 세포주기 과정에 재진입하는 증거를 보인다라는 제안이 활발해 지고 있다. 알츠하이머 환자의 뉴런과 많은 다른 신경퇴행성 질병의 뉴런에서 세포주기 연관 단백질들이 기대와는 다르게 발현하고 있기 때문이다. 이 현상은 DNA 복구가 아니라 DNA 복제와 관련이 있다. Yang 연구진은 FISH를 통해 알츠하이머 환자의 해마 추체골 뉴런(hippocampal pyramidal neurons)의 4%가 이배체(diploid)가 아닌 고배수체(hyperploid)임을 보였다. 이 연구에서 비알츠하이머의 비이수성(aneuploidy)의 기본값(background)은 매우 낮았다. 이 결과는 지금 다양한 연구그룹에서 재현되고 있다. Mosch 연구진은 cyclin B1-positive tetraploid 뉴런집단이 알츠하이머 뇌 내의 모든 뉴런의 약 2%가 되는 것으로 여기고 있다. 게다가, 이러한 이상한 DNA 복제의 현상은 알츠하이머에 국한된 것은 아니다.

그러므로, 발달과정상의 손상의 기본값을 넘어, 여러 다양한 신경퇴행성 질환의 진행은 이수성(aneuploidy)의 증가를 야기하는 세포 주기 관련 DNA 복제의 증가와 관련이 있다. 그러나, 비록 알츠하이머와 같은 질병에서 증가된 이수성의 존재가 잘 정립이 되었을지라도, 노화 과정 동안 뇌 기능과 인지에 대한 결과성은 명확하지 않다. 이수성은 학습과 행동과 같은 영역 내에서의 기능적인 다양성에 잠재적으로 기여할 것으로 보이며, 또한 기능의 감소를 일으키므로써 질병의 소인(predisposition)을 유발할 수 있다. 이 때문에, 이수성, 특히 염색체 21번의 변화는 알츠하이머의 원인 중 하나로 여겨지고 있다. 염색체 이수성은 최소 두 가지 원인으로 발생할 수 있다; 발달 과정 동안의 체세포시 상동염색체의 비분리(mitotic non-disjunction) 혹은 성인에서 질병과정으로 인해 발생하는 불완전한 세포주기의 결과. 위에서 논의한대로, 뇌 안에서는 염색체 이수성의 기본값이 존재하지만 이는 정상인과 비정상인 사이에서 더욱 균일하게 분포된다. 그러므로, 대부분의 질병연관 이수성은 위험한 환경에 처해있는 분열 후 뉴런 내에서 실패한 세포주기로부터 발생하는 것으로 보인다. 비록 세포 주기 활성의 재시작이 질병과정의 필수적인 부분이라는 것이 매우 강력한 증거지만, 우리는 또한 성인 뇌의 기능을 위해 이 이수성의 결과가 어떨지 물어야 할 것이다. 이 질문은 구체적으로 답하기에 매우 난해한다. 왜냐하면, 다양한 신경퇴행성 질병의 과정 동안 고배수체(hyperploid) 뉴런들은 발달과정 동안 그들이 했던 것과 같은 빠르기로 죽지 않기 때문이다. 예를 들어, 알츠하이머와 같은 성인 후 발생하는 질병에서 복제되어진 거의 모든 DNA를 가지고 있는 뉴런들은 여러 달 동안 없어지지 않고 존재하는 것으로 추정되고 있다.

[상자 1] 분열 후 뉴런(postmitotic neurons)의 세포주기 재진입과 DNA 복구
분열 후, 뉴런에서, 세포주기 활동(cell cycle machinary)의 재활성화는 DNA 손상에 대한 NHEJ 반응을 위해 필수적이다. 과산화수소와 같은 특정 스트레스 유발물질의 약독성농도(subtoxic concentrations)는 분열 후 피질의 뉴런(cortical neurons)에 이중가닥 손상을 일으키고, G1 단계 단백질들이 이에 반응한다. DNA 복구에 대한 이러한 과정의 연결은 cyclin 의존성 kinase인 CDK4와 CDK6(G0에서 G1으로의 전환에 필수적인 요소)가 동시에 감소(knock down)된 세포 내에서 보여질 수 있다. 그러한 knock-down은 DNA 손상의 증가시키기 때문에, 세포주기의 과정이 억제되었을 때에는 DNA의 복구가 덜 합리적이라는 것을 보여준다.
이와 비슷하게, cyclin C 직접적으로 인산화된 RB 의존적 G0의 탈출(cyclin C-directed, phosphorylated RB-dependent G0 exit)은 분열 후 뉴런에서 NHEJ 복구를 활성화시키는 것으로 제안된다. G1기로의 입장을 강요함과 동시에, G1기에서 S기로의 전환을 막는 것은 심지어 DNA 손상이 없을 때에도 최대치의 NHEJ 반응을 발생시킨다. 이러한 데이터들은 세포주기의 잠잠한 상태인 G0기에서 활발한 상태인 G1기로의 전환이 분열 후 뉴런이 DNA복구 반응을 개시하는 수단의 한 부분일 것이라고 강한 논쟁을 불러 일으키고 있다. 그러나, DNA 손상이 매우 심할 때는 분열 후 뉴런들이 DNA 복제와 CDK2와 cyclin E 발현을 동반하며 세포사멸이 관찰된다. 이 반응은 S기의 진행을 방지할 뿐만 아니라, 신경세포의 사멸을 막는 CDK2 활성을 막음으로써 S기의 진행과 신경세포의 죽음 사이의 관계에 대한 힌트를 제공한다. 중요한 것은, CDK2의 억제는 DNA 복구의 효율에는 전혀 영향을 끼치지 않는다는 것이다. 이러한 다양한 관찰 결과들을 하나로 묶는 모델은, 세포주기의 G0에서 G1로의 재진입이 non-mitotic 뉴런들에 의해서 DNA복구를 촉진하기 위해 이용되었을 수도 있었다는 것이다. 만약 그 과정이 멈추지 않았다면, S기는 시작되었을 것이고 이는 신경세포의 죽음을 야기시킬 것이다. 알츠하이머병의 뇌조직에서의 뉴런에서 세포주기 마커의 증가된 존재는, 그러한 스킴의 예측된 결과이고 이는 노화연관성 질병의 병인학에서 DNA 손상의 역할을 더욱 더 강조한다.


4. 비 유전체 인자의 변화

일반적으로 세포에서, 유전체의 integriry는 단지 DNA와 4개의 염기뿐만 아니라, 화학적 변화(예를 들어, 아세틸화, 메틸화)를 수반 혹은 비수반하는 DNA 결합 히스톤 내의 변화와 더불어 염기 변화(modification)의 다양한 패턴도 포함한다(예를 들어, 사이토신 메틸화). 유전체 integrity에 영향을 주는 다른 요소로는, 시르투인(sirtuin)의 세포 내 양, 산화 스트레스(oxidative stress)의 양, 작은 비암호화 RNA (small non-coding RNAs)의 네트워크가 존재한다. 이러한 요소들의 변화는 이중나선 그 자체뿐만 아니라 DNA 복구의 속도와 정확성(fidelity)에 기여하고 또한 노화 표현형을 변화시킨다.

4.1 CpG 영역 메틸화

DNA 메틸화는 유전자 전사를 변화시키는 잘 알려진 역할 외에도 DNA 손상 복구에 잠재적인 역할을 가지고 있다. DNA 메틸화효소(DNMT1)에 의해 이뤄지고, DNMT1이 부족한 쥐의 세포는 유전적으로 불안정하다. 인간세포에서, DNA 메틸화의 전반적인 손실은 유전체 불안정성 (genome instability)을 야기한다. DNA 메틸화는 손상반응의 일부분이기 떄문에, 이 영향은 직접적인 효과인 것으로 보인다. DNA 이중가닥 손상은 DNMT1, DNMT3, 핵단백질 95(NP95; UHRF1으로도 알려져있음), 성장정지/DNA 손상 유래 알파(GADD45A)들을 손상 위치로 호출(recruitment)하고 그들은 그곳에서 메틸화 패턴의 조절을 돕는다. DNA 메틸화가 비정상적일 때 DNA 복구가 비교적 덜 효과적이기 때문에 DNA 메틸화가 나이에 따라 감소한다는 사실은 주목할 만 하다. 따라서, 이러한 DNA 메틸화의 손실과 그로 인한 DNA 복구의 감소는 노화과정 그 자체와 노화로 인한 신경학적 질병에 기여한다. 비메틸화 또한 후성유전체학의 한 요소이기 때문에, 5-hydroxymethyl-싸이토신(5hmc)는 ten-eleven translocation (TET) family of proteins의 활동으로 인해 생성되고, 비메틸화 과정의 중간 매게 물질로써 작동한다. 알츠하이머병에서, 5mc와 5hmc는 해마 내의 아밀로이드 플라그의 양과 음의 상관관계(negative correlation)를 가지고 있지만, 이러한 현상에 대한 연구는 아직 초기단계이고 불확실하게 남아있다.

4.2 히스톤 단백질 수정

크로마틴 단백질의 변화는 뇌의 발달 동안 일어나고 나이가 들어감에 따라 지속되며, DNA 복구에 특정한 방법으로 기여한다. 그러므로 노화와 신경퇴행성 질병의 병리학에 관여를 한다. 적절한 장소와 시간에 히스톤 단백질의 인산화는 DNA복구를 촉진시킨다. Serine 139 위치에 ATM과 DNA-PKcs에 의한 히스톤 단백질 H2AX의 인산화는 DNA 손상반응의 전형적인 특징중의 하나이며, 잘 알려진 DNA 손상 시그널인 γH2AX를 생성한다. γH2AX는 이중가닥의 손상이 복구되는 동안 핵 집합체(nuclear foci)에 나타나며, NBS1, BRCA1, 체크포인트 단백질(MDC1, TP53BP1)과 같은 다른 복구인자의 호출을 손상부위에 촉진한다. H2AX의 결손이 이중가닥 손상의 복구과정에 가볍게 영향을 미친다는 증거에도 불구하고, γH2AX에 의해 촉진되는 foci의 형성은 가벼운 DNA 손상에 반응하는 세포주기 체크포인트의 활성화에 중요하다. DNA 손상반응 동안 히스톤 단백질의 변화의 또 다른 예로써, 히스톤 단백질 H3의 serine 10 과 threo¬nine 11의 다양한 인산화를 들 수 있다. UV를 쪼이면, 이 두 부위는 손상반응 초기에는 비인산화되고, 손상이 복구되면 바로 재인산화된다. 또한 히스톤 단백질의 라이신 잔기 메틸화는 DNA 복구와 신경퇴행의 한 부분으로써 작용한다. DNA 복구의 맥락에서, H3K79 와 H4H20의 메틸화는 이중가닥 손상의 유도 후에 TP53BP1와 CRB2의 핵 집합체(nuclear foci)로의 호출과 관련이 있다. 마침내 히스톤 단백질은 UV 가 쬐어진 후, 전체적으로 초아세틸화되고 DNA의 복구는 초아세틸화된 뉴클레오솜(nucleosome)에서 더욱 효과적으로 일어난다. 최근 연구에 따르면, NHEJ 동안 이중가닥 손상복구의 과정의 일부분으로써 히스톤 디아세틸화효소 1 (HDAC1)가 호출되어 시르투인1 (SIRT1)에 의해 활성화된다. 그러나, HDAC1의 돌연변이는 지속적인 아세틸화 상태를 모방하여, 뉴런이 더욱 더 DNA 손상에 민감하도록 한다.

이러한 세가지 다양한 형태의 히스톤 변화는, DNA 복구과정 동안 함께 기능하는 것으로 보인다. 예를 들어, DNA 손상반응 단백질 ATM은 히스톤 아세틸화와 메틸화와 관련된 효소들을 타겟하고, 이로 인해 전자는 강화시키고 후자는 억제시킨다. 즉, 최종적인 결론은 ATM은 크로마틴을 여는 경향이 있고, 이는 DNA 복구 단백질로의 접근을 증진시킬 것이라고 기대된다. EZH2의 경우, 이러한 영향은 직접적으로 나타나는데, HDAC4는 그 영향이 간접적으로 나타난다. DNA 손상반응에서 그들의 역할에 덧붙여서, 히스톤 인산화, 아세틸화, 메틸화 내의 변화는 신경퇴행성 질병의 기저의 분자기전들에서 증가하는 것으로 나타난다. 보통 DNA 이중나선과 연관되어 위치하는 인산화된 히스톤 단백질은 때때로 정상적인 위치가 아닌 세포질(cytoplasm)에서 위치하는 것이 발견된다. 이와 같은 잘못 위치됨은 알츠하이머 병 뇌조직의 해마 뉴런 내의 비계획적인 세포주기 활성과 관련이 있다. 이는 신경세포의 비정상적 기능(neuronal dysfunction), 세포사멸(mitotic catastro¬phe and death)을 유발시킬 수 있다. 히스톤 아세틸화의 전반적인 수준은 정상군과 비교했을 때, 알츠하이머 환자의 측두엽(temporal lobe)에서 낮게 나타난다고 알려져 있다. 알츠하이머병의 쥐 모델에서, HDAC2의 비정상적 기능은 시냅스 가소성(synaptic plasticity)에 중요한 역할을 하는 다른 유전자와 마찬가지로 즉각적인 초기 유전자를 포함하여 학습과 기억에 중요한 역할을 하는 유전자의 조절의 손실의 부분이다. HDAC 억제제의 적용은 질병 병리학적으로 적절한 히스톤 아세틸화의 유지에 중요함에 대해 차후 더욱 더 강조될 것이다. 그러므로, 발프로산(valproic acid)의 사용은 PSAPP (APPV717F) 형질전환 쥐의 플라크(plaque)의 응집을 감소시키며 또한, 낙산염 (sodium butyrate) 혹은 트리코스타틴 A (trichostatin A)의 주입은 ‘가지 돌기의 발아’(dendritic sprouting)를 유도하고 시냅스의 수를 증가시키며, CK p25 쥐에서 학습과 장기기억을 회복시킨다. 결과적으로 HDAC 억제제는 알츠하이머병의 유력한 치료법으로 제시되고 있다.

4.3 시르투인과 DNA 복구

시르투인은 class III HDACs으로 다양한 세포기능을 조절한다. 시르투인의 유전자 돌연변이가 수명을 상당히 늘리는 것이 관찰되어, 노화 과정과 연관이 있음이 오랫동안 알려져 왔다. 히스톤 단백질을 타겟하는 class I 과 II HDACs와는 반대로, 시르투인은 다양한 인자와 결합하고, 많고 다양한 단백질 기질들을 타겟할 수 있다. 인간에게서 발견되는 7개의 시르투인 유사단백질(homologues) 중에, SIRT1은 가장 널리 연구된 단백질이며, 알츠하이머병에서 감소되어 나타난다. DNA 복구과정동안, SIRT1은 다른 히스톤 변화 효소들과 함께 DNA손상 부위로 호출되어 손상부위근처에 후성유전체적 변화를 발생시켜서 ‘크로마틴 리모델링’을 이끌어낸다. 또한 SIRT1은 많은 단백질을 디아세틸화시켜 DNA 복구반응의 개시를 촉진시킨다. 예를 들어, SIRT1은 NBS1을 디아세틸화시켜서 γH2AX, BRCA1, RAD1 그리고 NBS1 foci의 형성을 조절한다. SIRT1은 ATM 자가인산화 활성을 촉진시켜 손상부위에서 ATM을 안정화시킨다. 게다가, SIRT1은 NHEJ을 촉진시키기 위해 ATM과 결합된 상태로 HDAC1을 호출하여 활성화시킨다. SIRT1은 또한 NHEJ 반응동안 Werner helicase와 관련된 기전이나 KU70의 디아세틸화을 통해 ATM 경로에 독립적으로 이중가닥 손상복구를 매개하는 것으로 보인다. 단일가닥 손상복구에서는, SIRT1는 색소성 건피증 그룹 A (xeroderma pigmentosum group A; XPA) 단백질을 디아세틸화 시킨다. 이 과정은 중요하다. 왜냐하면 XPA가 부족한 세포는 UV에 상당히 큰 민감성을 보이고, 이는 부분적으로는 감소한 NAD+–SIRT1–PGC1α (peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α)로 이어지는 축 때문이다. 신경퇴행성 질병의 측면으로는, SIRT1과 XPA사이의 상호작용은 핵-미토콘드리아 상호교환 회로(nuclear–mitochondrial crosstalk circuit)의 중심에서 중요하게 존재할 수 있다.

SIRT1뿐만 아니라, SIRT6 또한 BER 기전의 DNA복구와 관련이 있다. SIRT6의 knock-down에 의한 제노톡신에 대한 초민감성(untra-sensitivity)뿐만 아니라, 증가한 염색체 손상도 ‘short patch’ BER의 부분을 담당하고 있는 polymerase-β, DNA polymerase의 조각의 introduction에 의해 회복될 수 있다. 기계론적으로, poly (ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1)도 이중가닥 손상반응에서 SIRT6에 의해 활성화되기 때문에 DNA 복구와 관련이 있다고 제시된다. SIRT6는 또한 sucrose nonfer¬menting protein 2 homologue (SNF2H; 혹은 SMARCA5)의 호출을 통해 DNA 손상의 부위에 크로마틴 오프닝을 촉진시킬 수 있고, TP53BP1, BRCA1 그리고 replication protein A (RPA)와 같은 하위기전 인자들의 호출도 촉진시킨다. 알츠하이머병에서, 다양한 시르투인 계열의 단백질들의 양은 비정상적으로 조절되는데, 약물이나 칼로리 제한등과 같은 방법을 통한 시르투인 양이나 활성도의 조절이 신경퇴행성 질병에서 예방이나 치료에 새로운 접근방법으로 제안되고 있다. 정리하면, 이러한 결과들은 노화의 속도의 변화와 오랫동안 연관이 있었던 시르투인이 DNA 복구과정애 영향을 끼치므로써 유전체 보전(genomic integrity)을 유지하는 데에 중요한 역할은 한다는 것을 제시한다. 이러한 두 활성이 단지 서로 관련이 있을지, 혹은 아마도 노화과정의 또 다른 촉진성(unrecognized driver)을 구성하는지는 앞으로 연구돼야 할 내용으로 남아있다.

4.4 미토콘드리아의 DNA integrity

핵 DNA가 성인의 뉴런에서 그 integrity가 유지 되야 할 세포 내의 유일한 DNA는 아니다. 비록, 많은 수가 각각의 세포 내에 존재하지만 미토콘드리아 DNA (mtDNA) 변이가 정상적인 노화과정 동안 증가하고, 노화와 신경퇴행성 질병에 모두 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 42부터 97세까지, 인간의 세포는 8 hydroxy 2ʹ deoxyguanosine (8 OHdG) 양의 꾸준한 증가를 경험하고, 노화 연관 손상의 정도는 대략 핵 DNA보다 mtDNA에서 약 10배 정도 더 크다. 산화 스트레스(oxidative damage)는 신경퇴행의 가장 강력한 위험인자 중의 하나이다. 1994년 초에 Mecocci 그룹에서는 정상그룹에서의 대뇌 피질(cerebral cortex)에서 핵 DNA와 mtDNA 내에서 나이가 들어감에 따른 8 OHdG 레벨의 증가를 보고했고, 알츠하이머 병에서는 더 큰 레벨로 증가함을 보고했다. 다른 그룹에서도 비슷한 결과를 보고했다. 이러한 산화손상(oxidative lesions)은 알츠하이머 병의 진행의 지행지표(lagging indicator)이기 보다는 선행지표(leading indicator)이다. 왜냐하면, 8 OHdG는 초기 알츠하이머병에서 증가한 상태로 나타나고, 그 도달한 레벨은 말기상태의 질병 동안 관찰되는 레벨과 비교할 만한 수준이기 때문이다. 비록 mtDNA의 복구는 주로 BER 기전에 의존하지만, SIRT1과 다른 시르투인 계열의 멤버들도 미토콘드리아 생합성을 촉진시키므로써 mtDNA 손상을 경감시키는데 중요한 역할을 하고 있다. 이는 호흡연쇄 반응(respiratory chain)으로부터의 초과산화물(superoxide)의 생성을 감소시키고, 항산화효소의 발현을 증가시킨다.

4.5 DNA복구와 신경퇴행에서 마이크로 RNA의 역할

질병의 발생이 단백질을 암호화 하지 않는 microRNA (miRNA)에 의해 조절될 수 있다라는 인식이 점차 증가하고 있다. 인간에 존재하는 총 mature miRNA의 수는 거의 1000개를 넘어간다. 단백질로 번역되지 않더라도, miRNA는 3’-UTR에 결합할 수 있거나, 빈번하지는 않지만 mRNA의 다른 지역에도 결합하여 발현양을 조절한다. miRNA 결합의 영향은 때때로 정반대의 영향을 보이기는 하지만 대체로는 조용하다. 이러한 조절 RNA들(family of regulatory RNAs)은 현재 논의되고 있는 내용에 대해 상당히 관련이 있는데, 왜냐하면 특정한 miRNA들은 뇌의 기능에 영향을 미치는 노화 연관된 변화와 신경퇴행성 질병에 역할을 가질 수 있기 때문이다. 예를 들어, miR-16R과 miR-193B는 아밀로이드 전구체 단백질(amyloid precursor protein; APP)의 발현의 전사조절과 연관되어있다. 알츠하이머에서 이 두 miRNA의 과발현은 in vitroin vivo에서 APP mRNA의 번역의 효율을 감소시킨다. 또한 miR-124는 APP mRNA 스플라이싱 과정을 조절하고, 알츠하이머 병이 진행하는 동안 하향 조절된다. 또 다른 miRNA β-secretase 1 (BACE1)의 전사체(transcripts)의 3’-UTR에서 miR-107의 결합부위가 발견되었다. 이 결합이 BACE1의 생성을 감소시킬 것으로 기대되어지기 때문에 알츠하이머병의 매우 초기단계에서 miR-107의 낮은 발현이 감소한다는 것은 매우 의미 있는 발견이다. 현재 알츠하이머병의 뇌에서 변화된 양상을 보이는 miRNA들은 표1(원문 표: http://www.nature.com/nrn/journal/v16/n11/fig_tab/nrn4020_T1.html)에 정리되어있다.

miRNAs와 DNA 손상반응 사이의 연결 또한 존재하지만, 그것은 많은 DNA 손상반응 유전자의 하위 조절단계에 의해 매개되는 간접적인 것이다. miRNAs에 의해 억제 조절을 당하는 유전자들로는 ATM, H2AX, RAD52, RAD23B, MSH2 그리고 BRCA1가 있다. 우리는 이러한 연결들이 더욱 더 직접적이고 얽혀서 나타날 것임을 증명하는 연구가 증가할 것이라고 생각한다. 그러므로, 알츠하이머병의 뇌에서 비정상적으로 조절되는 동일한 miRNAs은 또한 DNA 손상복구 유전자의 발현을 변화시킴으로써 직접적인 역할을 한다. 모세혈관확장성 운동실조증(ataxia telangiectasia)에서는, ATM kinase의 발현이 miR-421에 의해 하향조절(downregulation)된다. 노화과정, DNA 손상과 miRNAs사이의 이러한 관계는 DNA손상의 nature와 intensity에 대한 세포의 반응 내에서 강조된다. 예를 들어, miR-34 계열의 멤버들은 p53과 DNA 손상 반응인자(DNA damage responsive factor)의 직접적인 전사타겟으로 발견되었다. miR 34의 비정상적인 발현은 G1기 세포주기 정지를 유발시키고 세포주기 진행의 촉진과 관련된 유전자를 하양 조절한다. 또한 miR 34a는 알츠하이머 쥐 모델에서 증가되고, 이는 Bcl2의 단백질로의 번역을 억제하여 활성화된 caspase 3의 높은 레벨을 야기하는 것으로 제안되고 있다. miR 192, miR 194, miR 215 그리고 miR 17 92을 포함한 miRNAs의 다른 클러스터의 발현은 또한 DNA 손상 동안 p53에 의해 상향조절(upregulation)되고, 이는 ‘p53유래 세포 주기 멈춤’을 촉진시킨다. 그러므로, 후발성의 신경퇴행성 질병(late-onset neurodegenerative disease)을 발생시키는 DNA 복구 효율의 손실은 부분적으로는 다양한 miRNAs의 발현의 변화 때문이다.

5. 전망과 결론

나이는 대부분의 성인발병 신경퇴행성 질병(adult-onset neurodegenerative diseases)에서 단연코 가장 흔한 위험요소이다. 이러한 질병의 가장 심한 가족력의 형태는 40세 이전에 드물게 나타난다. DNA 손상은 나이가 들어감에 따라 축적되고, 이로 인해 증가하는 DNA integrity의 손실은 노화과정 그 자체에서도 주요한 원인인자 중의 하나이다(그림 3). 이는 실제로, DNA 손상과 신경학적 질병의 발병과 진행 사이의 feed-forward 관계가 있다는 가능성을 보여준다. 그러므로 잘못 접혀진 단백질이 지역적인 신경성 취약점(regional neuronal vulnerability)을 유발할 것으로 볼 뿐만 아니라, 다양한 질병에서 DNA 손상의 경향들을 형성하는 것으로 보인다. 알츠하이머병의 신경병리학적 특징은 아밀로이드 플라그(amyloid plasques)와 신경섬유엉킴(neurofibrillary tangles)이다. 그러므로 아밀로이드 베타 펩타이드는 DNA-PK를 억제할 수 있고, 그러므로 NHEJ 경로를 통해 DNA 복구를 방해한다는 것이 중요할 수 있다. 비슷한 맥락에서, 신경섬유엉킴의 주성분인 비인산화된 타우(tau)는 DNA 이중나선구조의 작은 홈(minor groove)에 결합하여, 그곳에서 산화 손상(oxidative damage)으로부터 DNA를 보호한다. 타우의 인산화는 DNA의 열변성(thermal denaturation)을 예방하는 그 자체의 능력을 감소시키고, 활성산소(reactive oxygen spe¬cies)로부터 DNA의 보호를 감소시킨다. 끝으로, 파킨슨병의 알파 시뉴클레인(α-synuclein)의 축적은 mtDNA의 결손의 증가와 산화적 DNA 손상과 관련이 있다.

DNA 복구유전자의 돌연변이가 미성숙 노화(premature ageing)와 관련이 있기 때문에, 그러한 유전자들의 활성도의 시간에 따른 체세포적 손실(somatic loss)은 노화과정 그 자체에 기저를 이루는 것 같다. 만약 사실이라면, 복구능력의 손실은, 후발성의 신경퇴행성 질병의 병리학의 추가적인 노화관련 인자를 대표할 것이다. DNA 메틸화, 히스톤 수정, miRNA 발현의 네트워크의 변화는 이러한 관계를 더 잘 설명한다. 이러한 후성유전학적 변화는 DNA 복구의 과정에 영향을 주거나 받는다. 이 같은 과정들이 여러 가지 신경퇴행성질병에서 발견되고 있기 때문에, 완벽하지 않은 DNA 복구가 신경퇴행과 함께 노화 과정에 연결되어있는 것으로 보인다. 원인과 결과가 복잡한 이 상호작용의 망으로부터 단순하게 풀어질 필요가 있는 것은 분명하다. 하지만, 사례들은 뇌세포 안에서의 DNA 손상의 오랜 기간의 축적이 노화시계와 같이 작동하는 주요인자라는 것과 후발성의 신경학적 질병의 다양하고 넓은 위험을 가차없이 증가시킨다라는 내용을 강력하게 주장하고 있다.

그러나, 이러한 연결에 관한 증거가 축적되었음에도 많은 중요한 질문들이 남아있다. 특히 성가시게 하는 질문은 알츠하이머나 파킨슨병을 결정짓는 질병의 지역적인 특이성(regional specificities)이 어디인가라는 것이다. DNA복구는 신체 내의 모든 세포의 매우 중요한 기능이다. 따라서 그러한 겉보기에는 일반적인 기능이 그 자체적으로 다양한 신경퇴행성 질병의 지역적 차이의(observed regional difference)의 원인이 될 수 있는가를 상상하기가 어렵다. 일반적인 “스노우볼” 모델이 DNA 손상과 노화과정의 상호작용의 역학관계(dynamics)를 이해하는 데에 시작점의 역할을 할 것 같다. 이 개념에서는, 눈덩이가 나즈막한 언덕을 내려오며 크기가 점점 커지는 것처럼 나이에 따른 DNA 손상의 느린 축적이 발생한다. 그러나 일단 노화 관련 질병이 시작되면, 질병과정은 그 자체로 관련 세포 내에서 추가적인 비임의적 DNA 손상을 발생시키고, 이는 feed-forward 효과를 발생시킨다(원문이미지: http://www.nature.com/nrn/journal/v16/n11 /fig_tab/nrn4020_F4.html - 눈덩이가 갑자기 방향을 틀어, 더 경사진 언덕을 내려가기 시작하는 것과 같은). 또 다른 모델 또한 관찰된 데이터에 적용될 수 있다. 하나는, DNA integrity의 손실은 단순하게 말하면 노화시계 그 자체라는 것이다. 모든 세포는 시간을 읽을 수 있고, DNA 복구 유전자 내의 다형성(polymorphism)과 같은 내부취약성이 노화과정 동안 개개인을 다양한 후발성의 신경퇴행성 질병들로 진행하도록 만들 것이다. 예를 들어, 파킨슨병에서, DNA polymerase subunit γ1 (POLG1) DNA 복구 유전자의 poly-Q-track 지역에 위치한 돌연변이는 그 질병의 위험인자를 대표한다. 노화는 파킨슨병의 발병을 유도하기 위해 그러한 내부적 취약성(intrinsic vulnerability)과 상호작용할 것이다.. 다양한 개개인에서, PARP1 유전자의 -3TT/4CC 하플로타입, 혹은 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1)의 Ser326Cys 다형성이 수반될 것이다. 전자는 알츠하이머의 발병의 위험도 증가와 유의하게 연관이 있고, 후자는 근위축성 측삭 경화증(ALS; amyotrophic lateral sclerosis)의 발병의 위험도 증가와 연관이 있다. 노화과정이 이와 결합되었을 때, 이 내부적 취약성은 신경퇴행의 질병특이적 연쇄반응(cascade)을 야기시킬 수 있다. 노화시계가 모든 과정에 적용이 되기 때문에, 식단조절과 운동과 같은 환경인자는 궁극적으로 생화학적 변화를 야기할 것이다. 몇몇에게는 알츠하이머 경고가 시계에서 사라지는 반면 다른 사람들에게서는 파킨슨 알람이 먼저 사라진다. 또 다른 내용으로는 Suberbielle에 의해 기술되었던 뇌 활성도-유도 DNA 손상(brain activity-induced DNA damage)이 circuit 특이적 DNA 손상패턴을 야기하고, 이는 다른 곳보다 특정 영역에서 정상적인 노화 관련 프로세스를 더 빠르게 촉진한다는 것이다. 위에서 기술한 것과 같이, 이 패턴은 circuit 특이적 취약점으로 인한 퇴행을 야기할 수 있다. 이러한 내용들은 상호 배타적이지 않으며, 마지막의 결과물은 아마도 3가지 이 모든 모델의 혼합일 것이다.

DNA 손상의 특이적 패턴이 다양한 질병의 임상적 특성을 결정할 수 있다는 가정 안에서, 우리는 유전적인 관점에서 손상의 패턴이 특이적이라는 것을 예측하게 될 것이다. 반대로, 만약 DNA 손상이 단지 시간의 문제라면, 손상의 범위는 각각의 세포에서 대략적으로 동일할 것이다. 우리는 단일세포기술을 활용하여 샘플들에 대해 매우 높은 해상도의 전사체, 후성유전체, 그리고 miRNA 프로파일의 포괄적인 데이터 세트를 보유하게 될 것이고 이로 인해 한 개인이 특정한 질병에 걸리게 하는 유전자의 특정 세트(subsets)를 보여주는 가장 종합적인 시야를 얻게 될 것이다. DNA 손상, 노화과정과 여러 신경퇴행성 질병들 사이의 연결고리를 정리하는 작업의 최고의 상은 미래 약물개발을 위한 비옥한 영역뿐만 아니라, 노화 관련의 생물학적 이해에도 새로운 길을 열어주게 될 것이다.

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그림 3. DNA integrity의 감소에 따른 노화하는 뉴런 내의 신경퇴화
(원문 이미지: http://www.nature.com/nrn/journal/v16/n11/fig_tab/nrn4020_F3.html)
노화과정은 영양, 화학물질 노출, 신체운동과 같은 라이프스타일 인자들을 포함한 여러 가지 방법으로 DNA integrity의 손상에 기여한다. 이러한 systemic한 스트레스는 전사패턴의 비율의 변화뿐만 아니라 DNA 복구 유전자의 다형성(polymorphisms; hypomorphs), 후성유전학 landscape의 변화, 마이크로 RNA 네트워크의 이동 (shift)에 의해 발생하는 분자적 스트레스와 더해진다. 이러한 모든 스트레스들은 뉴런 내에서 DNA 복구의 정확성(fidelity)에 영향을 끼친다. 그 결과, NER (nucleotide excision repair), BER (base excision repair), NHEJ (non-homologous end joining), MR (mismatch repair)를 포함한 다양한 DNA 복구기전의 이상이 뉴런 유전체 내의 DNA 손상의 축적을 가속화한다. 축적되는 DNA 손상에 대한 가능한 반응기전으로, 뉴런은 세포주기로 다시 진입하거나, 미성숙한 상태로 노화(senescence)되거나, 사멸기전을 밟게 될 것이다. 이러한 변화는 또한 뉴런 유전체 내에서 추가적인 해로운 변화를 촉진되는 가능성을 동반하는 feed-forward 고리를 만들어내고, 더 심한 유전자 발현의 교란을 일으킨다. 이러한 퇴행성 변화는 시냅스의 손실이나 수상돌기분지(dendritic arborization), 만성염증반응의 발생, 잘못 접혀진 단백질의 축적이나 응집(aggregation)을 발생시킨다. 이러한 하위 생산물들은 다양한 방법으로 결합하여 뉴런의 퇴행에 기여한다.


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배준석(2017). 유전체 보존(genome integrity)과 뇌의 노화(the ageing brain). BRIC View 2017-R05. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2689 (Feb 23, 2017)
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