전체 인구의 1%가 가진 조현병. 운동성 저하 및 소뇌 크기 감소를 보이는 조현병 환자의 새로운 유전적 원인과 그 기작이 규명되었다.

한국연구재단은 안지인 교수(성균관대학교 의과대학, 제1저자 황인우 박사) 연구팀이 조현병 환자에서 소뇌의 크기가 감소하는 현상의 새로운 원인 유전자로 Ebp1과 그 기작을 규명했다고 밝혔다.

지금까지 조현병은 대뇌에서 많은 연구가 이루어져 왔으나, 조현병 환자 MRI 분석 결과, 소뇌의 부피가 유독 크게 감소 되어 있다는 보고가 지속 되었다. 이후 소뇌 기능이상과 발달성 정신질환과의 연관성이 꾸준히 제기되어 왔지만, 그 병인과 치료법에 대해서는 아직 연구가 미미한 상황이다. 

연구팀은 Ebp1 돌연변이가 조현병 환자에게서 발견됨에 착안하여 Ebp1 뇌 특이적 결손 마우스를 제작하였다. 
신경세포에서 Ebp1을 제거하면 마우스의 소뇌가 정상적으로 형성되지 못하고 소뇌의 중요 신경세포인 퍼킨지 세포의 감소, 시냅스 
    붕괴 및 운동성 저하를 동반할 뿐만 아니라 조현병 증상을 나타냄을 발견하고 그 원인을 분석하였다. 
   ※ 퍼킨지 세포 : 소뇌에 위치하고 있는 가바를 방출는 억제 신경세포 (가바너직 뉴런, GABAergic neuron)로, 소뇌에서 바깥층인 소뇌 피질에서 신호를 내보내는 유일한 세포이다.
   ※ 시냅스 : 두 개의 신경세포 사이에서 메시지 (뉴로트랜스미터, Neurotransmitter)를 전달하여 소통할 수 있는 부분이다. 

그 결과 Ebp1을 소뇌 및 퍼킨지 세포 발달시기에 다른 유전자 발현을 조절하는 후성유전학적 조절인자 중 하나로 규명하였으며, 특정 신경세포의 발달시기에 맞춰 특수한 단백질의 발현을 조절, 소뇌의 정상적 발달에 기여함을 알아냈다.

이에 연구팀은 소뇌 발달 시기에 맞춰 Ebp1 결핍 마우스 자궁 내 배아 소뇌에 Ebp1 야생형과 조현병 환자 유래 돌연변이형을 전기천공법으로 주입, 이후 태어난 마우스의 조현병 증상 및 운동성을 확인하였다.
Ebp1 야생형은 병적 증상과 운동성이 개선된 반면, 돌연변이를 주입한 마우스는 여전히 조현병 증상이 나타나는 것을 확인하였다.

안지인 교수는 “조현병 발병의 원인을 종전의 연구와는 전혀 다른 새로운 관점에서 접근하였고, Ebp1의 돌연변이가 조현병 및 소뇌의 기능 장애에 중요한 연관이 있음을 제시하는데 의의”가 있다면서이번 연구 성과가 조현병의 새로운 치료방안을 모색하기 위한 기초자료가 될 것으로 기대하고 있다고 전했다. 
또한 “정신성 질병들도 환자 맞춤형 관점에서 접근하는 연구가 필요하다”는 연구의 방향성을 제시하였다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터(MRC) 및 중견연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘분자정신의학 (Molecular Psychiatry)’에 2월 15일 온라인 게재 및 표지에 선정되었다. 

주요내용 설명

 <작성 : 성균관대학교 의과대학 안지인 교수>

논문명
Cerebellar dysfunction and schizophrenia-like behavior in Ebp1-deficient mice
저널명 
Molecular Psychiatry
키워드 
Ebp1, Schizophrenia (조현병), Cerebellum (소뇌), 퍼킨지세포 (Purkinje cell)
DOI
10.1038/s41380-022-01458-1
저  자
안지인 교수(교신저자/성균관대학교 의과대학)
황인우 박사(제1저자/성균관대학교 의과대학)

1. 연구의 필요성
 ○ 전체 인구의 1%가 갖고 있는 조현병의 발병은 유전적 요인과 환경적 요인이 복합적으로 작용하고 있지만, 아직도 발병의 원인에 대해 잘 알려져 있지 않습니다.
 ○ 조현병 환자의 MRI 분석결과 소뇌가 위축되어 있으며, 퍼킨지 세포의 수가 감소되어 있다는 보고가 지속되고 있지만, 대뇌 부분의 연구에 비해 아직 소뇌 위축에 대한 자세한 분자적 기전의 연구는 미미한 상태입니다.
 ○ 본 연구는 Ebp1이라는 조현병과 연관이 있는 새로운 유전자를 제시하고 있으며, 조현병과 소뇌 위축의 연관성에 대해 새로운 사실을 확인하였으며, 환자 맞춤형 치료의 가설을 제시하였습니다.

2. 연구내용 
 ○ 조현병 환자에게서 Ebp1 돌연변이 (8번 아미노산과 183번 아미노산에서 단백질 전사가 종결 됨)가 발견됨에 기인하고, Ebp1 뇌 특이적 결핍마우스를 제작한 후 태어난 지 21일 (소뇌 발달이 끝나는 시점) 과 6달된 마우스의 뇌를 MRI를 이용하여 뇌 부위별 부피를 측정해본 결과
    소뇌의 크기가 약 20% 감소되어 있음을 확인하였습니다. 그리고 면역조직염색법 (Immunohistochemistry, IHC)을 이용하여 퍼킨지 세포의 수가 야생형 마우스 대비 50%  감소되어 있음을 확인하였습니다.
 ○ 또한 조현병 증상을 확인할 수 있는 동물행동실험인 선행자극 억제실험 (Prepulse inhibition, PPI)에서 Ebp1 결핍 마우스는 야생형에 비해 그 수치가 약 87% 감소 (낮을수록 조현병 증상 악화) 되어 있습니다. 그리고 소뇌 기능인 운동능력을 확인하기 위해 수행한 로타로드 (Rotarod)에서는 결핍 마우스에서 약 70% 감소된 것을 확인하였습니다.  
 ○ 이에 연구팀은 소뇌발달의 복구 및 조현병 증상의 완화를 확인하기 위해 임신되어 있는 Ebp1 결핍 마우스의 배아 (E11.5) 소뇌에 자궁 내 전기천공법 (In utero electrophoration)을 이용하여 Ebp1 야생형 (WT) 과 돌연변이형을 각각 다시 발현시킨 후 태어나게 하였습니다. 
 ○ 생후 한달 뒤 소뇌발달과 조현병 증상을 확인하였는데, Ebp1 야생형이 주입된 마우스는 정상적인 소뇌발달과 조현병 증상이 완화된 반면, 돌연변이는 주입한 마우스는 여전히 발달 이상 및 조현병 증상을 보였습니다. 
 ○ Ebp1 결핍에 따른 소뇌 위축의 자세한 기작을 찾기 위해 RNA-seq 과 ChIP-seq을 수행하였고, 결과적으로 Ebp1이 Fbxw7 (E3 연결 효소, E3 ligase) 히스톤 아세틸화 (Histone acetylation)를 억제함으로써 퍼킨지 세포 발달에 중요한 전사인자 (Transcription factor) 인 Ptf1a 단백질의 안정성을 향상시키는 것으로 확인하였습니다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 시간이 갈수록 가파르게 증가하고 있는 조현병에 대해 기존 대뇌 중심의 연구에서 탈피하여 소뇌라는 새로운 부분에서 다른 관점에서 발병 원인과 분자 기전을 규명 하였습니다. 
 ○ 운동성 저하 및 소뇌 위축을 보이는 조현병 환자 맞춤형 치료의 토대를 마련하는 새로운 연구입니다.

(그림1) EBP1 결핍 마우스를 이용한 조현병 연구의 개념도
(a) 조현병 환자에게서 EBP1 돌연변이 발견을 바탕으로 뇌 특이적 EBP1 결핍 마우스를 제작한 후 행동실험으로 조현병 증상 (선행자극억제, PPI) 및 퍼킨지 세포의 수 감소를 확인하였습니다. 이후 마우스 배아에 EBP1 유전자 재주입으로 표현형의 회복 정도를 측정하였습니다.  
(b) MRI를 이용하여 EBP1 결핍 마우스에서 소뇌 위축증을 확인하였으며, 면역염색법 (Immunohistochemistry)을 이용하여 소뇌에서 퍼킨지 세포 수 (녹색)가 감소되어 있음을 관찰하였습니다.
※ 면역염색법 : 면역염색법은 질병에 연관이 있다고 생각되는 단백질의 위치 및 발현정도를 확인하기 위해 조직 (예를들어 뇌조직) 에 항체를 사용하여 특정한 색을 띄게 하는 방법이다.
그림설명 및 그림제공: 성균관대학교 의과대학 안지인 교수

(그림2) 소뇌 특이적 EBP1 유전자 재주입 모식도와 결과                       
(a) 소뇌 발달시기에 맞춰 마우스 배아에 전기천공법을 이용하여 EBP1 야생형 (Wild-type, WT)과 돌연변이 (E183Ter)를 재주입 후 생후 21일에 면역염색법과 행동실험을 수행하였습니다 (제작:BioRender).
(b) 유전자의 발현은 형광현미경 (녹색, GFP)을 이용하여 확인하였습니다.
(c,d) 퍼킨지 세포의 수와 조현병의 증상은 EBP1 야생형이 주입된 마우스는 모두 증상이 호전되었지만, 돌연변이를 주입한 마우스는 전혀 회복되지 못하고 여전히 소뇌 위축과 조현병 증상이 나타났습니다.
그림설명 및 그림제공: 성균관대학교 의과대학 안지인 교수 

연구 이야기

<작성 : 성균관대학교 의과대학 안지인 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

조현병은 건강보험심사평가원 국민관심질병통계에 따르면 2018년에만 121,439명으로 매년 증가 추세입니다. 마침 Ebp1 신경세포 특이적 결손 마우스가 소뇌 위축과 조현병 유사 행동을 보임을 관찰하였고 또한 조현병 환자에게서는 Ebp1의 돌연변이가 발견되었기에  Ebp1 유전자 결손이나 기능 이상이 조현병의 발병에 영향을 미칠 것이라는 가설을 세우고 실험을 진행하게 되었습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

Ebp1 신경세포 특이적 결손 마우스는 소뇌의 크기가 감소되어 있으며, 소뇌의 억제신경세포 (Inhibitory neuron) 중 하나인 퍼킨지 세포의 수가 급격히 감소되어 있음을 확인 하였습니다. 그리고 동물행동실험을 통하여 운동성 저하와 동시에 조현병 증상을 확인 할 수 있는 선행자극 억제 실험 (Prepulse inhibition test)이 정상 마우스에 비해 감소되어 있음을 확인하였습니다. Ebp1 결손 마우스에서 소뇌 발달 장애를 극복 (rescue) 할 수 있는지 확인하기 위해 소뇌의 발달 시점에 맞춰 마우스 배아 11.5일에 배아의 소뇌에 직접 Ebp1 야생형과 돌연변이 DNA를 넣어주고 출생을 유도하였습니다. 결과적으로 Ebp1 야생형 DNA를 넣어 준 마우스는 정상적으로 소뇌가 생성, 발달하여 조현병 증상이 완화되는데 비해, Ebp1 돌연변이 DNA를 넣어 준 마우스는 여전히 소뇌의 비정상적 발달과 함께 조현병 증상이 나타나는 것을 확인함으로써 Ebp1의 결손/기능이상이 조현병 발병의 중요한 요소라는 사실을 확인하였습니다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

크게 두 가지로, 첫째는 유전적 소인이 주된 발병 원인인 조현병에서 Ebp1이라는 새로운 유전적 요인을 발견한 것입니다. 둘째는 소뇌와 조현병의 연관성을 연구한 것입니다. 
소뇌는 운동성을 조절하는 부위로 알려져 왔으나 최근 인지기능 및 신경계 질환과 활발한 연구가 진행되고 있습니다. 반면 조현병은 대뇌를 중심으로 연구가 진행되어 왔는데, 이번 저희 연구팀에서 소뇌의 기능저하가 조현병을 유발할 수 있다는 것을 확인하였습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구결과는 조현병 환자 중 소뇌의 크기 감소 및 운동성 저하를 동반하는 환자에게 적용할 수 있는 환자 맞춤형 치료의 가능성을 제시 하였습니다. 다만, 향후 실용화 및 치료제에 적용은 실제 임상적 치료 전략을 개선할 수 있는지에 대한 후속연구의 추진이 필요합니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

현재 Ebp1이 조현병의 새로운 발병 원인으로 예방 및 치료에 관한 내용으로 특허가 진행 중에 있습니다. 저희 연구팀의 발견이 조현병 치료제 개발의 중요한 포석 중 하나가 되었으면 합니다.