표적 물질 응집 억제 성공…치매 신규치료제 개발 단초 제공

치매로 인한 사회적 비용이 해마다 증가하는 가운데, 국내 연구진이 알츠하이머병을 유발하는 병원성 아밀로이드 응집체의 형성과정을 규명하여 신규 치료제 발굴의 실마리를 제공했다. 
  ※ 알츠하이머병 : 가장 흔하게 발생하는 치매의 유형. 아직 정확한 원인 물질은 규명되지 않았지만, 아밀로이드 베타 단백질로 구성된 병원성 아밀로이드 섬유 응집체에 의한 연쇄적인 작용으로 발병된다는 아밀로이드 가설이 가장 유력하다고 알려졌다.
  ※ 병원성 아밀로이드 응집체 : 알츠하이머병 환자의 뇌에서 발견되며, 주성분은 아밀로이드 베타 단백질이다. 신경 세포에 독성을 나타내는 것으로 알려졌다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 김준곤 교수(고려대학교)와 최정모 교수(부산대학교) 연구팀이 알츠하이머병을 유발하는 것으로 알려진 단백질인 아밀로이드 베타의 응집 과정을 규명하고, 이를 기반으로 단백질의 병원성 아밀로이드 응집체 형성을 억제하는 신규 응집 억제제를 발굴했다고 밝혔다. 

알츠하이머병을 치료하기 위해 세계적으로 아밀로이드 베타 단백질의 섬유 응집체를 표적으로 하는 항체 치료제 연구가 활발하다.  
최근‘레카네맙’이 경도 인지장애에 대한 증상 완화 효과를 인정받아 알츠하이머병 치료제로 FDA의 승인을 받았지만, 여전히 많은 치매 치료제 후보물질이 증상 완화 효과가 부족해 약물로 승인받지 못한 상황이다.
  ※ 레카네맙 : 병원성 아밀로이드 응집체를 표적하여 경도 인지장애의 증상 완화 효과를 인정받은 항체 치료제. 아밀로이드 베타의 병원성 아밀로이드 섬유 응집체의 구조를 인식해 선택적으로 제거하는 작용 기전을 갖고 있다.

다양한 치매 치료제의 효율 증대를 위해 병원성 아밀로이드 응집체의 형성과정을 이해하고, 이를 제어하는 기술이 요구된다.

연구팀은 아밀로이드 베타 단백질의 각 영역이 병원성 아밀로이드 응집체 형성과정에 참여하는 역할을 규명하여, 아밀로이드 베타 단백질 응집을 억제하기 위한 핵심 표적 영역을 특정하였다.

연구팀은 인공지능 기반 단백질 복합체 구조예측을 통해 단백질의 각 소수성 영역에 결합하는 저해제 후보물질을 발굴했으며, 실험을 통해 단백질 응집 저해 및 신경 세포 독성완화 효과를 확인했다.

김준곤 교수는 “아밀로이드 베타 단백질 응집의 핵심 영역을 비활성화하는 방식으로 다양한 유형의 신규 응집 저해제를 발굴하면, 치매 치료제 후보물질로 활용 가능할 것으로 기대된다”라며 “후속 연구를 통해 저해제의 효과를 표적 영역으로 집중시킬 계획이다”라고 밝혔다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구, 기초연구실 및 우수신진연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회 골드지(JACS Au)’에 3월 2일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 고려대학교 김준곤 교수>

논문명
Decoding the Roles of Amyloid- (1-42)’s Key Oligomerization Domains toward Designing Epitope-Specific Aggregation Inhibitors
저널명 
JACS Au
키워드 
Aggregation(응집), Hydrophobicity(소수성), Inhibitors(저해제), Nanofibers(섬유), Peptides and proteins(펩타이드 및 단백질)
DOI
10.1021/jacsau.2c00668
저  자
김준곤 교수(교신저자/고려대학교), 최정모 교수(교신저자/부산대학교), 임동준 학생(제1저자/고려대학교), 김수형 학생(공동저자/고려대학교), 윤규섭 학생(공동저자/고려대학교), 현다경 학생(공동저자/고려대학교), 엄유곤 학생(공동저자/부산대학교), 이예은 학생(공동저자/고려대학교), 손창호 교수(공동저자/연세대학교)

1. 연구의 필요성
 ○ 치매는 사람의 언어 구사 능력, 상황 판단력, 기억력, 그리고 행동까지 전반적인 사고 능력의 소실로 인해 일상생활에 어려움을 유발한다. 그중에서도 알츠하이머병(Alzheimer's disease)은 치매의 가장 흔한 유형으로 처음 보고된 지 약 100년이 지났지만, 아직도 정확한 발병기전이 밝혀지지 않았다.
 ○ 알츠하이머병 환자의 뇌 부검 시 발견되는 아밀로이드 플라크(amyloid plaques)는 주요 병리학적 징후로 알려져 있으며, 이를 제거함으로써 알츠하이머병을 치료하고자 천연물, 소립자 수용체, 항체 등 다양한 형태로 치료제 후보물질이 개발되었다.
 ○ 단백질 섬유 응집체를 표적으로 하는 치료제 후보물질은 오랜 기간 약물 사용 승인을 받지 못했으며, 이 때문에 아밀로이드 가설의 실효성에 대해 의문이 제기되었고 다양한 가설들이 새롭게 제시되었다. 하지만 병원성 단백질 섬유 응집체를 표적으로 작용하는 항체 치료제인 아두카누맙(aducanumab)과 레카네맙(lecanemab)은 최근 알츠하이머병에 대한 약물 사용 승인 허가를 받으면서 대증요법(symptomatic therapy)이 아닌 근본적인 치료제로써는 최초로 치매 치료제 사용 승인을 받았다는 의미가 있다. 따라서 치매 치료제의 다양화와 효율 증대를 위해서는 아밀로이드 베타 단백질 응집의 분자적 기전을 이해하고 이를 제어하기 위한 기술 연구가 필요하다.

 2. 연구내용 
 ○ 아밀로이드 베타 (1-42) 단백질이 병원성 아밀로이드 응집체를 형성하는 과정은 물속에서 발생하는 단백질의 소수성 상호작용으로 시작된다. 아밀로이드 베타 (1-42) 단백질은 크게 3가지 소수성 영역(17번 류신부터 19번 페닐알라닌까지; 32번 아이소류신부터 34번 류신까지; 41번 아이소류신과 42번 알라닌)으로 구성되어 있으며, 그중에서 단백질 응집 과정에서 중요한 역할을 하는 병인 단백질의 소수성 영역을 규명하기 위해 용액상 X선 소각산란 실험을 수행했고, 단백질의 C 말단부 소수성 영역(32번 아이소류신부터 34번 류신까지)이 중심부 소수성 영역(17번 류신부터 19번 페닐알라닌까지) 혹은 C 말단부(41번 아이소류신과 42번 알라닌)와 일시적인 상호작용을 이루는 것을 확인했다.
 ○ 인공지능 기반 단백질 복합체 구조예측을 통해 단백질의 각 소수성 영역에 결합하는 저해제 후보물질을 선별하여 발굴하고, 실제 합성 후 각 저해제의 단백질 응집 저해 및 신경 세포 독성 완화 효과를 확인했다.
 ○ 질량분석기 기반 연구를 통해 단백질 응집 저해 및 신경 세포 독성 완화에 성공한 저해제가 어떤 소수성 영역을 표적 했는지 관찰하여 아밀로이드 베타(1-42) 단백질의 응집 핵심 영역을 규명하는 데 성공했다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 아밀로이드 베타(1-42) 단백질의 응집 현상은 중심부 소수성 영역이 외부로 노출되어 있어야 발생한다는 것을 규명했다.
 ○ 단백질의 중심부 소수성 영역을 표적 하는 저해제를 발굴하고, 이를 활용해 단백질의 병원성 아밀로이드 응집체 형성을 억제했다.
 ○ 본 연구내용은 병인 단백질의 응집을 저해하는 신규 치매 치료제 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.|
 

(그림1) 아밀로이드 베타(1-42) 단백질의 소수성 영역을 표적하는 저해제를 활용한 병원성 아밀로이드 응집체 형성 억제
아밀로이드 베타(1-42) 단백질의 3가지 소수성 영역(17번 류신부터 19번 페닐알라닌까지, 노란색; 32번 아이소류신부터 34번 류신까지, 녹색; 41번 아이소류신과 42번 알라닌, 다홍색)과 작용하는 저해제를 발굴했으며, 그중 중심부 소수성 영역(17번 류신부터 19번 페닐알라닌까지, 노란색)을 차단하는 저해제가 단백질 응집을 효과적으로 억제할 수 있었다.
그림설명 및 그림제공 : 고려대학교 김준곤 교수

연구 이야기

<작성 : 고려대학교 김준곤 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

알츠하이머병은 퇴행성 신경질환, 즉 치매의 가장 대표적인 유형입니다. 퇴행성 질환의 특성상 나이가 많아질수록 발병 위험이 증가하지만 치매 치료제로 승인받은 약물은 극히 일부에 불과하며, 치매와 관련된 사회적 비용은 매년 기하급수적으로 증가해 국제사회의 문제를 야기하고 있습니다. 이러한 배경에서 신규 치매 치료제 발굴에 도움이 되고자 연구를 시작하게 되었습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

아밀로이드 베타 단백질은 본래 어떤 특정한 구조를 이루고 있지 않은 비정형 단백질입니다. 저희는 구조가 없는 단백질의 특성을 분석하고 구조가 없는 와중에 일시적으로 형성되는 분자 내부 및 분자 간 상호작용을 관찰해야 했기 때문에 다양한 실험 장비를 종합적으로 활용해야 했습니다. 예를 들면 포항 가속기연구소의 지원으로 용액상에서 존재하는 비정형 단백질의 다양한 구조적 특성을 관찰할 수 있었고, 고려대학교 유전 단백체 연구센터의 질량분석기를 활용해 다양한 환경에서 단백질을 관찰하여 가속기연구소에서 수행한 실험 결과와 교차검증하였습니다. 또한 실제 실험으로 관찰하기 어려운 부분이 있었는데 국가 슈퍼컴퓨팅센터의 지원으로 대규모의 구조 전산 모사 실험을 수행하여 완성도 높은 연구성과를 확보할 수 있었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

아밀로이드 베타 단백질이 응집되는 과정을 분자 수준에서 규명하여 응집 과정을 억제할 수 있도록 발표한 것이므로 본 연구 결과를 바탕으로 다양한 신규 단백질 응집 저해제가 발굴될 것으로 기대하고 있습니다. 또한 최근 발전한 데이터베이스 기반 인공지능 단백질 구조예측 기술을 대규모의 구조 전산 모사 실험과 접목하여 비정형 단백질을 대상으로 활용했다는 점과 비정형 단백질 간의 일시적인 상호작용을 다양한 실험 기법을 활용해서 규명했다는 점은 이 연구 방법론을 확장 적용하면 다른 퇴행성 신경질환의 치료제 개발에도 응용할 수 있음을 의미합니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구에서는 아밀로이드 베타 단백질 응집의 핵심 영역을 규명했을 뿐만 아니라 해당 영역을 표적으로 단백질 응집을 저해하는 저해제를 제시하였습니다. 저희는 발굴한 저해제가 병원성 아밀로이드 응집체의 독성을 완화하는 사실을 세포 수준에서 확인하였습니다. 하지만 실용화를 위해서는 더욱 고차원 모델에서의 효과 검증과 안정성 확인 과정이 필요합니다. 몇몇 단점을 보완하고 면밀한 검증 과정을 거치면 발굴한 단백질 응집 저해제는 신규 치매 치료제 후보물질로 활용될 수 있을 것입니다.