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질병 관점에서 본 오토파지 유전자들의 생물학적 기능들
질병 관점에서 본 오토파지 유전자들의 생물학적 기능들 저자 이승규 (비엠에스, 미국)
등록일 2020.09.29
자료번호 BRIC VIEW 2020-R31
조회 1233  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
오토파지(Autophagy)를 통해 리소좀에서 세포질 내 카고(cargo)를 분해하는 메카니즘은 세포, 조직, 유기체의 항상성 유지에 중요하고, 진화적으로 보존된 오토파지 연관 유전자들(ATG, Autophagy-related gene) 에 의해 조절된다. 오토파지를 조절하는 유전자 변이들은 신경 퇴행, 염증 질환, 암 등의 질병에 명확한 인과관계가 있다. 오토파지는 비정상적 세포조직, 세포 내 미생물, 병원성 단백질을 선택적으로 표적 하기 때문에, 이 과정에 이상이 생기면 질병이 생길 수 있다. 이외에도, ATG 유전자들은 막수송과 신호전달 경로에서 다양하게 중요한 생리적 역할을 한다. 본 분석물은 질병 및 노화의 병리 이해와 치료전략의 관점에서 오토파지 유전자들의 생물학적인 기능을 논의한다.
키워드: 오토파지, 리소좀, 오토파지 연관 유전자(ATG, Autophagy-related gene), 치료전략
분야: Cell_Biology, Cancer Biology/Oncology, Neuroscience

본 자료는 Biological Functions of Autophagy Genes: A Disease Perspective. Cell, 176(1–2), 11-42(2019).의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.


목 차

1. 서문
2. 오토파지 및 오토파지 유전자 관련 메카니즘들
  2.1. 분해적 오토파지: 오토파지 유전자들의 일차적 존재이유
  2.2. LC3 연관 대식 작용(LAP)에서 오토파지 유전자들
  2.3. 분비 및 세포밖유출(exocytosis)에서 오토파지 유전자들
  2.4. 다른 역동적 막 활동에서 오토파지 유전자들
  2.5. 오토파지 단백질들의 다른 기능들
3. 선택적 오토파지: 세포 항상성의 파수꾼
4. 오토파지 조절: 치료제를 위한 넥서스
5. 조직 및 전신 항상성에서 오토파지
  5.1. 항성성 유지에서 오토파지
  5.2. 줄기세포성에서 오토파지
  5.3. 유전자 안정성과 암억제에서 오토파지
  5.4. 대사질환에서 오토파지
  5.5. 수명에서 오토파지
6. 결론


1. 서문

2008년 Cell에 “질병 발생에서 오토파지(Autophagy in the Pathogenesis of Disease)”가 출판된 후 10년이 지났다. 그 동안, 33,000개의 오토파지 관련 논문이 출판되었고 오토파지 분자 메카니즘의 발견으로 노벨상이 수상 되었으며 신약개발에서 오토파지를 조절하는 방식에 관심이 모아지고 있다. 2008년 리뷰에서 논의되었던 기본 개념은 현재까지 바뀌지 않았다. 거대 오토파지(macroautophagy)의 리소좀 분해 경로는 대사 스트레스, 해로운 카고(cargo)의 제거, 분화와 발달, 유전체 보호 등 세포에서 중요한 역할을 한다. 이러한 오토파지의 작용은 감염, 암, 신경 퇴행, 심혈관 질환, 노화 등 수많은 질병으로부터 보호 기능을 한다. 하지만, 어떤 환경에서는 오토파지가 암세포의 생존을 돕거나 중요한 세포들의 사멸을 촉진하므로 해로울 수 있다.

지난 10년간, 오토파지 메커니즘, 오토파지 조절, 오토파지 기능, 질병에서 오토파지 역할을 이해하는 데 상당한 발전이 있었다. 새롭게 등장한 주요 개념은 오토파지 핵심 단백질들이 막수송 및 신호전달 등에서 여러 가지 다른 기능을 한다는 점과 오토파지가 특정 카고를 분해하는 특이성을 가지는 선택적 오토파지가 있다는 것이다. 이러한 발전은 오토파지 관련 유전자 변이들을 특정 질환들에 연결시키는 유전학의 발전과 맞물려 ATG 유전자(autophagy-related genes) 관련 경로들이 질병으로부터 보호 기능이 있다는 점을 제시하였다. 본 분석에서는 오토파지 유전자들의 생물학적 기능 이해에서 질병 치료까지, 지난 10년간의 연구 결과 중 핵심내용을 다룬다.

2. 오토파지 및 오토파지 유전자 관련 메카니즘들

오토파지의 원래 과학적 정의는 세포질 내 카고를 리소좀으로 이동 시켜 분해하는 것이다. 세 가지로 구분할 수 있는데 샤페론 매개 오토파지(chaperone-mediated autophagy), 미세 오토파지(microautopahgy), 거대 오토파지(macroautophagy)가 있고, 이들은 카고를 리소좀으로 운반하는 방식이 다르다. 거대 오토파지는 진핵세포가 영양 항상성과 세포기관 질적 조절을 유지하는 주요한 분해적 메카니즘이며, 효모 유전자 스크리닝에서 발견되었지만, 진화적으로 보존된 ATG 유전자들에 의해 조절된다. 몇 가지 예외를 제외하고 ATG유전자들은 리소좀과 결합하게 될 오토파고좀의 형성에 필수적이다.

하지만, 이외에도 고등 진핵세포에서는 세포밖 카고를 리소좀으로 전달하거나, 세포막으로 수송하거나, 세포 내 카고의 세포밖 분비를 촉진하거나, 또는 다양한 세포 신호전달 경로로 세포 내 신호 교환을 조절하기 위해서 여러 ATG 유전자들이 다양한 기능을 수행한다 (그림 1). 이러한 기능들은 엄밀히 말하자면 오토파지는 아니고 ‘ATG 유전자 의존적 경로’라고 할 수 있을 것이다. 즉 ATG 유전자 기능은 세포의 기능과 질병을 조절하는 막수송과 신호전달에서 넓게 연관되어 있으며, 이는 오토파지와는 다른 경로이다.

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그림 1. 오토파지 유전자 의존적 생체막 수송 경로 - ATG 단백질에 연관된 생체막 수송 경로들.
(녹색박스는 ATG 단백질을 의미한다.)

 

2.1. 분해적 오토파지: 오토파지 유전자들의 일차적 존재이유

ATG 유전자들의 밝혀진 일차 기능은 세포 내 물질들을 분해하기 위해 리소좀으로 운반하는 이중 막 구조의 형성을 조절하는 것이다. 이 과정은 모든 진핵세포 유기체에 보존되어 있고 거의 모든 세포 타입에서 기본적으로 일어나며 다양한 세포내 와 세포외 신호에 의해 증가된다. 이는 세포 항상성, 세포 단백질 및 조직의 질적 조절, 환경 스트레스에 대한 적응에 필수적이다. 이러한 원칙은 다양한 진핵세포 유기체에서 오토파지 유전자 제거 등의 연구를 통해 거의 20년 동안 확립되었다.

리소좀 분해 경로는 16~20개의 핵심 ATG 유전자들에 연관되어 있다. 이러한 유전자들에 의해 발현된 ATG 단백질들은 오토파고좀 생성과 형성의 특정 단계에 작용하는 기능적 그룹들로 분류된다. 이러한 구도에서 ULK1 복합체(ULK1, FIP200, ATG13, and ATG101 포함)는 오토파지 시작과 그 아래 여러 신호전달 요소들의 인산화에 중요한 역할을 한다. 두 개의 다른 Beclin 1/classIII PI3KC3 복합체들은 오토파고좀 생성(Beclin 1, VPS34, VPS15, ATG14에 연관된 PI3KC3-C1)이나 엔도좀 및 오토파고라이소좀 성숙(Beclin 1, VPS34, VPS15, UVRAG에 연관된 PI3KC3-C2)에 작용하는 phosphatidylinositol 3-phosphate (PI3P)를 생성한다. 핵심 ATG 단백질 중 유일하게 막단백질인 ATG9A를 포함한 소낭은 오토파고좀에 막을 공급한다. WIPI 단백질들과 결합 파트너인 ATG2A, ATG2B는 PI3P 생성에서 막 확장 초기 단계에 작용한다. 오토파고좀 막의 확장 및 완성은 두 유비퀴틴 유사 단백질 접합 시스템과 관련되어 있다. 즉, ATG5와 ATL16L1과 연결된 Ub-like ATG12 그리고 phosphatidylethanoloamine (PE)와 연결된 Ub-like LC3 subfamily(효모에서는 ATG8)이다. 효모와는 다르게, 포유동물 세포에서는 유비퀴틴 유사 단백질 접합 시스템이 오토파고좀 막 완성에 필수적이지는 않다.

이러한 ATG 단백질 분류는 오토파지를 연구하고 이해하는 데 유용한 틀을 제공한다. 하지만, 이러한 단순화는 ATG 단백질의 오토파지의 새로운 기능과 복잡한 상호 연결성을 나타내는 다른 실험 결과들을 통합하기 어렵게 한다. 비편향 단백질체 분석에서 대부분 ATG 단백질은 고전적 기능 복합체 너머에 있는 다른 ATG 단백질과 상호 작용한다. 이러한 상호작용 중 일부는 오토파고좀 형성에 중요하다. 예를 들어, FIP200 (ULK1 인산화 효소 복합체 멤버)는 ATG16L1과 상호작용하여 초기 오토파고좀을 형성한다. ATG14(오토파지 특이적 PI3KC3-C1 복합체)은 SNARE-매개 막 융합에도 작용한다. 유사하게 Atg13은 Atg9과 상호작용하여 Atg9 소낭을 오토파고좀 전구체에 모집한다. 오토파고좀 생성에서 핵심 오토파지 단백질의 넓은 상호연결성과 다중 기능성은 앞으로 더 연구되어야 한다. 시스템 생물학적 접근을 이용하여 오토파지에 필요한 추가적인 유전자들(특히, 외부자극이나 세포 타입 의존적이고 종 특이적 방식으로 작용할 수 있는 유전자들)을 발굴할 수 있을 것이다.

효모에서 인간에 걸쳐 보존된 핵심 ATG 단백질은 분해적 오토파지에 필수적이지만, 충분하지 않다. 오토파고좀 카고의 분해는 라이소좀에 융합되지 않고서는 진행될 수 없다. 지난 십 년간 연구는 라이소좀 생성, 오토파고좀 융합, 오토파지 과정 중 라이소좀의 기능, 오토파지-라이소좀 재형성에 필요한 핵심 요소 일부분을 밝혔다. 파킨슨병, 리소좀 축척 질환, 타우질환, 알파1-항트립신 결핍증, 고암모니아혈증 등의 다양한 설치류 질병 모델에서 아데노 바이러스를 이용한 TFEB (라이소좀 생성의 핵심 전사 조절자) 발현은 치료 효과를 나타냈다. 오토파고좀 융합은 라이소좀의 산성도, 특정 세포골격 운동 단백질(dynein), 한계 인자(tethering factors), SNARE 단백질, 인지질, LC3/GABARAP의 변화를 필요로 한다. 예쁜꼬마선충(C. elegans)에서 스크리닝을 통해 분해적 오토파지에서 막융합 단계에 필요한 후생동물 특이적 신규 유전자를 확인하였다. 그 중 인간에게 연관되는 한 가지는 RAB7 effector를 발현하는 유전자 EPG5이며, 이 유전자의 상염색체 열성변이는 신경발달질환인 Vici 신드롬을 일으킨다. ATP6AP2와 presenilin1과 같이 라이소좀 산성화를 조절하는 유전자 변이는 X-linked 파킨슨병 및 알츠하이머병과 연관되어 있다. 결국, 오토파지 결함이 어떻게 질병을 일으키는지, 오토파지가 어떻게 질병을 예방하거나 치료하도록 조절될 수 있는지 이해하기 위해서는 라이소좀 생성 조절, 막융합 필수요소, 라이소좀 기능을 더 이해해야 한다.

2.2. LC3 연관 대식 작용(LAP)에서 오토파지 유전자들

일부 핵심 ATG 유전자들은 오토파지와 유사하지만, 세포 밖 물질들의 분해에도 관련되어 있다. LC3-associated phagocytosis (LAP) 동안, 단막 공포(single-membraned macroendocytic vacuoles (macropinosomes, phagosomes, and entotic vacuoles))는 세포밖 카고를 삼키고, 지질화된 LC3에 의해 둘러쌓여, 분해를 위해 라이소좀에 융합된다.

LAP은 오토파지와 4가지 다른 특징이 있다: (1) 세포 밖 내용물들이 공포(vacuole)에 있는 점, (2) 활성화를 위해 카고가 세포 밖 수용체에 결합하는 점, (3) 라이소좀과 결합되는 막 타입이 단막인 점, (4) 모든 핵심 ATG 단백질을 이용하지 않는다는 점이다.

LAP은 활성산소를 생성하는 NADPH-oxidase (NOX2), Beclin1/VPS34 복합체의 특정 요소들, PI3P 생성, 파고좀의 단막에 LC3 접합, LC3 접합의 모든 요소들을 필요로 한다. 하지만, ULK1 복합체 요소나 Beclin1/VSP34 복합체의 오토파지 특이적 요소 ATG14은 필요하지 않다. 다소 흥미로운 점은 LAP이 오토파지 특이적인 Beclin1/VSP34 복합체의 억제 요소인 Rubicon을 필요로 한다는 점이다. 파고좀의 LC3 장식이 라이소좀 융합과 라이소좀 기능에 영향을 주는지 아직 밝혀지지 않았다. 파고좀에서 LC3의 존재는 아마도 오토파고좀-라이소좀 성숙에서 LC3/GABARAP와 유사한 메카니즘을 통해서, 파고좀-라이소좀 성숙의 효율성을 강화시킬 것이다.

LAP은 원래 생쥐 대식세포(macrophage)에서 Toll-like receptors (TLRs)에 연관된 내용물들의 대식작용으로 밝혀졌고, DNA 면역 복합체와 다른 TLR9 리간드에 반응하는 type I IFN 분비에 연관되어 있다. LAP의 주요 기능은 LAP 특이적 유전자들(Rubicon 또는 NOX2)과 오토파지 특이적 ATG 유전자들(FIP200 또는 Atg14)을 골수-특이적으로 제거한 생쥐의 표현형을 연구하면서 밝혀졌다. LAP은 온전한 시력을 위한 필수 과정인 망막색소상피(retinal pigment epithelium, RPE)에 의한 광수용체 외부분획 분해에 필요하다. LAP은 또한 곰팡이 A. fumigatus와 세포 내 박테리아 L. monocytogenes에 의해서 유도되어 숙주 방어를 강화한다. LAP 경로의 몇 요소들이 제거된 생쥐는 전신성 홍반성 루프스 유사 질환(autoimmune systemic lupus erythematosus (SLE)-like disease)을 일으키는데, 아마도 강화된 염증신호와 자가항체 생성을 일으키는 죽어가는 세포의 제거 기능 상실 때문일 것이다.

사람에서 수용체를 통한 대식작용의 중요한 역할을 고려해보면, LAP도 질병에서 중요한 경로일 것이다. 오토파지와 LAP 경로가 중복되는 유전자들을 이용하는 반면, 이들은 서로 반대적이다. 예를 들어, Rubicon은 LAP에 필요하지만, 오토파지를 억제하고, RPE 세포의 광수용체 분해에서 LAP와 오토파지 간의 상호억제 관계가 있다. 왜 이 두 경로가 서로 반대로 조절되는지 분명하지 않지만, 아마도 세포는 스트레스 동안 중복되는 자원에 대한 경쟁을 줄이기 위해서 일 것이다. 메카니즘 수준에서 왜 Rubicon이 파고좀에서 Beclin1/VPS34 인산화활성을 촉진하지만, 다른 세포기관에서는 억제하는지에 대해서는 아직 밝혀지지 않았다. 흥미롭게도 ATG16L1의 WD repeat 포함 C-말단 도메인은 LAP에서 LC3를 엔도리소좀(endolysosome) 막에 모집하는데 필수적이지만 고전적 오토파지에는 불필요하므로, 오토파지와 LAP에서 ATG 단백질의 분자 역할은 분명한 차이점이 있다.

LAP과 오토파지의 유전적 중복과 상호 대항작용은 오토파지를 표적 하는 치료에서 실질적으로 고려해야 할 점이다. 이론상으로는 특이적으로 오토파지를 유도하기 위해 오토파지와 LAP에서 공유된 신호전달 단백질들보다는 ULK1 복합체를 활성화해야 할 것이다. 오토파지의 억제 요소 Rubicon이 제거된 생쥐는 고지질 식단 유도 지방간(hepatic steatosis)을 개선시키고, lipopolysaccharide (LPS)-유도 패혈증으로부터 심장을 보호하였지만, LAP 억제의 잠재적 부작용(진균성 질병 및 자가면역)에 대한 취약성 증가는 주의해야 할 것이다. 게다가 공유된 ATG 단백질을 표적 하는 치료는 이 단백질들이 속도 결정적이면서 두 경로가 공유된 ATG 단백질에 대해 경쟁적인 것을 가정하면 각 경로에서 예상치 못한 효과를 가져올 수 있다.

핵심 ATG 유전자를 이용하는 리소좀 분해 메카니즘으로써 LAP의 발견이 주는 교훈은 이러한 유전자 제거 생쥐 연구에 대한 더 넓은 해석적 렌즈를 가져야 한다는 점이다. ‘즉, beclin1, ATG5, ATG7, ATG16L1 같은 유전자들 결핍 생쥐에서 LAP과 오토파지 중 어떤 것이 병리 현상에 기여를 하는가?’, ‘증가된 오토파지와 감소된 LAP는 Rubicon 제거 표현형에 어느 정도씩 기여하는가?’, ‘전장 유전체 연관(Genome-wide association) 연구에서 나타난 일부 유전자 다형성과 면역 조절에 관련된 질병(천식, 홍반성 루프스, 염증성 장질환) 연결이 LAP 기능변화에도 연관되는가?’, LAP 관련 ATG 유전자들의 결핍으로 생쥐에서 홍반성 루프스 유사 증상을 일으키는 결과에서 이 질문들은 중요하다. 다시 말하면, 앞서 말한 질문은 오토파지와 LAP를 구분하는 특이적 분자 마커가 동물모델과 인간 질병의 연구에 필요한 이유를 설명한다.

2.3. 분비 및 세포밖유출(exocytosis)에서 오토파지 유전자들

ATG 유전자들은 세포 내 카고를 라이소좀에 보낼 뿐만 아니라 세포 내 카고를 세포막이나 세포 밖으로 보내는데도 관련되어 있다 (그림 1). 일반적으로, 이러한 경로를 “분비 오토파지(secretory autophagy)”라고 말한다. 하지만 이 과정에 “phagy” 역할이 없기 때문에 “ATG 유전자 의존적 분비”라는 더 정확한 용어가 사용되어야 할 것이다. 여러 다른 타입의 ATG 유전자 의존적 분비가 있지만, 이러한 과정들을 조절하는 메카니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 이 경로 또한 포유동물의 생리와 질병에 연관되어 있다.

이러한 분비는 N-말단 신호 펩타이드 리더 서열이 없는 단백질들을 분비하고, ER-Golgi를 통한 일반적 수송을 우회한다. 이러한 메카니즘에서 ATG 단백질(Atg1/5/6/7/8/9/12/17)의 역할은 효모의 Acb1 (acyl CoA-binding 단백질) 분비 연구를 통해 발견되었다. 포유동물 세포에서 IL-1β과 IL-18 같은 리더 서열이 없는 염증 단백질의 분비도 오토파지 단백질 ATG5를 필요로 한다. ATG 유전자 의존적 분비에 관련된 정확한 메카니즘은 아직 분명하지 않다. 즉 표적 단백질들이 오토파고좀 내부에 잡혀있는지 아니면 오토파고좀의 이중 막 사이에 있는지, 어떻게 이들이 세포막으로 전달 및 분비되는지 분명하지 않다. IL-1β를 포함하는 오토파고좀 유사 소낭은 syntaxin 17 의존적 라이소좀 결합을 하지 않고 대신에 카고 분비를 위한 세포막 결합과 관련된 특정 SNAREs와 syntaxins를 이용한다.

염증 매개체의 분비에서 ATG 유전자의 기능은 염증성 질환 및 다양한 다른 질환에 중요하다. 하지만, 생쥐에서 대식세포 혹은 조혈세포 특이적인 Atg5, Atg16l1, Atg7 제거는 IL-1β와 IL-18 생산 증가도 연관되어 있기 때문에, in vivo에서 ATG 유전자 의존적 IL-1β와 IL-18 분비의 생리적 중요성을 평가하기는 어렵다. 이러한 발견들은 염증복합체(inflammasome) 활성 억제에 ATG 유전자의 기본적 기능을 보여주는 반면, ATG 유전자 의존적 염증매게체 분비는 라이소좀 막 손상에 의해 야기된 염증복합체 활성 같은 특정 조건 동안에서만 나타나는 것일 수 있다. In vivo에서 오토파지 의존적 분비체(secretome)를 확인할 수 있으면, 임상적으로 유용한 혈청 바이오마커로서 오토파지 활성화의 단백질체 시그니쳐를 확인할 수 있을 것이다. 이론적으로 오토파지 유도 치료는 염증 매개체 혹은 다른 병리 단백질의 분비를 통해 원하지 않는 효과를 이끌 수 있다.

ATG 유전자 의존적 분비와 포유동물 생리 및 질병 간의 가장 잘 확립된 예는 분비과립(secretory granules)과 라이소좀의 세포밖유출이다. 핵심 ATG 유전자 ATG16L1T300A는 크론 질병의 주요 위험형질로서 다형성을 나타내는데, 분비과립의 세포밖유출 기능에 연관되어 있다. 생쥐에서 Atg16l1의 기능 저하(hypomorphic expression 또는 Atg16l1T300A knockin mutation), Atg16l1, Atg5, Atg7의 Paneth cells (라이소좀과 항균 펩타이드를 분비하여 장내 균을 조절하는 상피세포) 특이적 제거, Atg4b제거는 이상한 과립 형태를 나타냈고, Paneth cells의 과립 세포밖유출과 라이소좀 분비에서 결함을 나타냈다. Paneth cell에서의 결함은 크론병의 위험형질 변이 ATG16L1T300A를 가진 환자에게서도 관찰되었다. ATG 단백질이 어떻게 Paneth cell 혹은 다른 세포 타입에서 분비과립의 세포밖유출을 촉진하는지는 아직 밝혀지지 않았다. 그러나, 최근 연구에서 라이소좀은 정상 Paneth cell의 큰 LC3 부착 소낭에 위치하고 있었고 Atg16l1T300A 생쥐는 그렇지 않았다. 따라서, 비일반적인 단백질 분비에 관련된 오토파고좀 유사 소낭과 마찬가지로, 분비과립은 그 표면에서 LC3의 존재에 의해 세포밖유출을 하도록 할당되었을 수 있다.

오토파지와 분비 라이소좀 세포밖유출은 비슷하지만, 위상(topology)이 다르다. 이는 ‘파골세포(osteoclast)’라는 특이화된 분비세포에서 밝혀졌다. 파골세포는 골기질(bone matrix) 분해 분자들을 뼈 분해 장소로 보내면서, 주름진 경계로 구성된 뼈 인접 세포막과 분비 라이소좀이 융합하는 메카니즘에 의해 뼈를 흡수한다. 생쥐에서 ATG 단백질 접합 분자들과 Rab7 (Rab GTPase)은 LC3가 코딩된 주름진 경계 생성, cathepsin K 분비, 정상 뼈 흡수에 필수적이다. 이는 라이소좀 내용물을 세포 밖으로 분비하는데 ATG 유전자가 중요하다는 점을 나타낸다. 이런 시나리오에서 분비 라이소좀이 아닌 세포막은 LC3에 의해 코팅되어 있다. 따라서 분비 동안 ATG 단백질을 접합하는 단백질와 결과적으로 지질화된 LC3는 세포막과 결합하는 정상 분비과립의 형성이나 분비리소좀과 결합하는 특이화된 세포막의 형성에 작용할 수 있다.

ATG 유전자에 의한 파골세포 기능이상은 비정상적 밀도를 나타내는 골화석증을 나타낼 것이다. 이러한 예측대로 Rab7 effector PLEKHM1와 라이소좀 산성화와 관련된 v-ATPase a3 서브 유닛에서 변이는 인간의 골화석증 발병과 관련이 있었다. 반대로 대부분 세포 타입에서 감소된 오토파지와 연관된 노화는 생쥐와 인간에서 골감소증와 골다공증을 나타낸다. 이것은 조골세포(osteoblast)와 골세포에서 ER과 산화 스트레스에 대한 보호와 뼈 실질 줄기세포의 적절한 기능 유지를 포함하여, 뼈의 성장과 정상 골밀도에 기여하는 뼈의 다른 세포 타입에서 ATG 유전자의 역할을 반영한다. 따라서 뼈 연구는 어떻게 오토파지 단백질이 특정 조직의 구별된 세포 타입에서 특이화된 기능 다시 말하면, 전체적 항상성을 유지하기 위해 어떻게 뼈 흡수 및 뼈 형성의 반대 효과를 나타낼 수 있는지 보여주는 좋은 예시가 된다. 골감소증/ 골다공증과 연관된 골절은 노화된 인간의 사망원인 중 높은 순위를 차지하고 있다. 따라서, 오토파지 강화를 목표로 하여 정확한 연관성과 메커니즘이 증명될 필요가 있어 보인다.

ATG 유전자 KO 생쥐에서 단백질 분비 결함들이 밝혀졌지만, 이것이 오토파지 비의존적 수송에서 ATG 유전자들의 직접적 역할 때문인지 아니면 오토파지 결함의 더 간접적 결과인지는 아직 분명하지 않다. 이들은 전정기관 발달에서 이상을 나타내는 팔면(octogonial) 핵심 단백질의 조합과 분비에서 결함 그리고 췌장 베타 세포 인슐린 과립 형태 및 분비, 멜리나 및 색소 형성, 폐 상피 세포와 장 내 goblet 세포에서 점액 분비에서의 결함을 포함한다.

ATG 단백질은 엑소좀(exosome) 분비(multivesicular body (MVB)와 세포막의 결합에 의한 한 과정)에 대해 다면적 효과를 나타낸다. 오토파지는 α-synuclein, prions, amyloid precursor protein 등의 병인성 단백질을 포함하여 엑소좀의 세포 밖 분비를 억제할 수 있다(반대로 ATG 유전자 억제는 증가시킬 수 있다). 이러한 조절 메카니즘은 MVB가 오토파고좀과 융합되는 것에 관련이 있다고 여겨진다. 손상된 오토파지 환경에서 증가된 엑소좀 분비는 세포 항상성을 유지하기 위한 대체 질적 조절 경로로 작용할 수 있고 단백질 독성으로 인한 세포사멸을 억제할 수 있다. 그러나, ATG 유전자가 엑소좀 생산을 자극한다는 예시도 있다. Atg7이 아닌 Atg5는 V-ATPase를 간섭하여 후기 엔도좀 산성화를 감소한다고 밝혀졌다. 따라서 암 전이를 강화시키는 엑소좀의 생산을 촉진한다. 유사하게, 평상시 LC3 지질화에 필요한 ATG3-ATG12 접합체는 ESCRT 단백질 Alix와 상호작용하고 Alix 의존적 엑소좀 생성을 조절한다. 엑소좀 의존적 프로세스가 미치는 영향들(신경 퇴행, 면역 신호, 대사, 암전이, 바이러스 감염)을 고려하면, MVB 경로에서 오토파지 단백질들의 효과(리소좀에 의한 분해 혹은 세포밖유출)는 ATG 유전자 변이의 발병 효과에 부분적으로 관련되어 있을 수 있다.

ATG 단백질들은 엔도좀-세포 표면 재활용 경로(endosome-to-cell-surface recycling pathway)를 조절하는 레트로머(retromer)기능도 조절한다. 대사 스트레스(글루코스 결핍, 저산소, Ras transformation)동안, 오토파지 구조에서 LC3는 RabGAP 단백질 TBC1D5에 결합하여 레트로머 복합체와의 억제 상호작용으로부터 떼어낸다. 이러한 과정은 레트로머가 엔도좀 막과 작용하게 하고 글루코스 흡수를 촉진하는 GLUT1의 세포막 이동을 조절한다. GLUT1은 세포 호흡을 유지하기 위해 필요한데, 세포가 낮은 글루코스 농도에 노출되었을 때 GLUT1의 세포막으로의 이동은 증가한다. ATG 단백질 접합 억제는 이러한 GLUT1 수송과 관련된 메타볼리즘 항상성을 손상시킬 수 있고, 게다가 아직 밝혀지지 않은 수용체의 세포 표면 이동에 영향을 줄 수 있다.

2.4. 다른 역동적 막 활동에서 오토파지 유전자들

막수송에서 ATG 유전자의 비오토파지 기능들을 통해 바이러스, 박테리아, 다른 병원에 의한 감염을 조절할 수 있다. 이것은 위에서 설명한 대식세포에 들어간 해로운 미생물에 의해 부분적으로 억제될 수 있는 LAP과 오토파고좀 내에 있거나 바이러스 막이 LC3로 둘러쌓인 바이러스 유출에 연관된 세포밖유출을 포함한다. 많은 추가적인 ATG 유전자 의존적 막 재배치 또는 이에 대한 간섭도 감염을 조절할 수 있다. 예를 들어, 몇 ATG 유전자들은 hepatitis C virus 같은 중요한 RNA 바이러스의 세포질 내 막 관련 복제 형성에 필요하다. 유사하게, 소유산균(Brucella abortus)의 복제를 돕는 다중 막 공포(multi-membranous vacuoles) 형성은 class III PI3K 활성에 필요한 ATG 유전자와 연관되어 있지만, LC3 접합에 필요한 것은 해당되지 않는다. 대조적으로 IFN-γ는 LC3/GABARAP 지질화에 연관된 과정 및 IFN-γ에 의해 발현된 GTPase의 기생충 공포로 모집을 통해 (그 결과 막이 망가지고 기생충의 복제 환경이 파괴됨) 톡소플라스마 원충(Toxoplasma gondii) 복제를 억제한다. 마찬가지로 IFN-γ에 의한 생쥐 노로바이러스의 조절은 막과 연관된 바이러스 복합체의 지질화된 LC3 표지 및 IFN-γ에 의해 발현된 GTPase의 모집과 관련되어 있다. 따라서 복제관련 막 구조를 LC3 접합으로 표지하는 것은 IFN-γ에 의한 세포 내 병원균 복제 조절을 조절하는 공통된 메카니즘을 나타낸다. 어떻게 ATG 단백질들이 병원균 복제의 다른 단계들에 필요한 숙주 메카니즘을 제공하거나, 파괴하는지에 대한 정확한 이해는 새로운 항 감염 전략의 개발로 이어질 것이다.

2.5. 오토파지 단백질들의 다른 기능들

오토파지 단백질은 다양한 소낭(vesicle) 수송 경로의 신호전달을 조절하도록 도울 뿐만 아니라, 세포 죽음 경로, 세포주기 조절, 선천성 면역 신호전달 등을 포함하여 다른 여러 세포 경로들을 간섭한다. Atg13과 FIP200의 상호작용은 in vivo 오토파지 및 신생 생쥐 생존에 필수적이지만, 이들의 비오토파지 기능은 TNF-α 유도 세포사멸로부터 보호와 관련된 메카니즘을 통해 배아 발생을 유지한다. 오토파지에서 E1-like 효소 활성 기능과 별개로, Atg7은 p53 의존적 세포주기 억류와 세포사멸을 조절하고, Atg7 KO 생쥐의 신생치사는 단백질 인산화효소 Chk2의 제거를 통한 DNA 손상 반응의 억제에 의해 일부 구조된다. 생쥐에서 Atg5가 아닌 Atg9a의 제거는 형태발달동안 뼈 표면에서 일어나야 할 세포 괴사에서 결함을 나타낸다. 세포 죽음과 세포 주기 조절에서 개별 ATG 단백질의 이러한 추가적 기능에 관련된 정확한 메카니즘은 더 연구가 필요하다.

ATG 단백질들은 오토파지 의존적 메카니즘(예를 들어, ROS를 생산하고 RIG-I 신호전달과 NLRP3 염증복합체를 활성화하는 손상된 미토콘드리아의 오토파지에 의한 제거) 및 면역 신호전달 분자들과 ATG 단백질의 상호작용에 연관된 오토파지 독립적 메카니즘을 통해 염증과 면역 신호를 조절한다. 예를 들어 ATG5-ATG12 접합체는 RIG-1과 MAVs같은 RNA-인지 분자들의 CARDs에 결합을 통해 바이러스 감염에 반응하는 type I IFN 신호 전달을 억제한다. 마찬가지로, cGAS와 STING에 의해 매개되는 세포질 내 DNA 감지 선천성 면역경로는 오토파지 단백질에 의해 조절된다. cGAS에 의한 cGAMP의 생성은 ULK1을 활성화시키고, ULK1은 STING 의존적 사이토카인 생산을 억제한다. 제한이 없는 STING 신호전달이 인간 자가염증 질환을 일으킬 때, ULK1 활성제들은 이러한 질병들에 대한 잠재적 치료제가 될 수 있다. Beclin1은 cGAS에 결합하여 cGAMP합성을 억제하고 인터페론 생산을 멈춘다. Atg9a는 이중나선 DNA 존재에서 STING과 TBK1의 조합을 감소시킴으로 인해 선천성 면역 신호전달의 부정적 조절자로 작용할 수 있다. 이러한 같은 RNA 및 세포질 내 DNA 감지 신호 전달 경로는 오토파지의 활성자들이고 따라서 중요한 선천성 면역 유효 경로이다. 따라서, ATG 단백질은 선천성 면역을 조절하고 염증 신호전달에 피드백 억제를 제공하여 파괴적인 결과를 회피하게 하는 중요한 역할을 한다.

3. 선택적 오토파지: 세포 항상성의 파수꾼

반세기 동안 마크로오토파지 과정에 카고 특이성을 없다고 믿어져 왔다. 실제로 오토파고좀의 형태는 공포 내에 ER, 리보솜, 미토콘드리아와 같은 다양한 세포질 내용물의 존재에 의해 확인되었다. 하지만, 지난 십 년간 상당한 연구를 통해 이러한 개념은 완전히 폐기되었다. 오토파고좀에 의해 분해되는 카고들이 선택적이라는 것과 그러한 카고를 배정하고 선택하는 내장된 시스템이 있다는 것은 이제는 확정된 사실이다. 포유동물 질병에 대한 예방의 관점에서 ‘선택적 오토파지(selective autophagy)’라 불리는 이러한 과정은 영양 스트레스 동안 항상성 메카니즘인 무작위 오토파지(bulk autophagy)보다 더 중요하다.

세포의 많은 부분은 오토파지에 의한 분해에 대해 선택될 수 있다. 미토콘드리아, ER, 퍼옥시좀, 지질소립, 리보솜, midbody ring, 핵을 포함한 다양한 세포기관의 선택적 오토파지에 대한 연구결과가 있다. 오토파지는 신경퇴행, 뼈, 심근, 간 질환의 병리에서 관련된 단백질 응집성 폴딩을 선택적으로 제거한다. 게다가, 신생 phagophore와 카고를 연결하는 어댑터 단백질 뿐만 아니라 염증 및 면역 신호 전달 분자들을 분해한다. 선택적 오토파지는 공포 내에 있거나 세포질 내에 있는 병원균을 라이소좀 분해로 이끌 수도 있다. 일단 잡히면 카고 분해는 무작위 오토파지와 같은 루트로 진행된다. 선택적 오토파지의 다른 형태는 카고를 이름 앞에 붙이고 뒤에 ‘phagy’를 붙인다. 미생물 침입자의 선택적 오토파지는 ‘xenophagy’라고 불린다.

선택적 오토파지의 특정 국면, 특히 어떻게 카고가 형성되는 phagophore에 결합하는지에 대한 이해가 많이 발전했다 (그림 2). 대부분 알려진 경우, 카고는 LC3에 직접 결합하는 LIR 모티프(W/F/Y1x2x3L/I/V4)를 포함하거나 유비퀴틴 결합 도메인과 LIR 모티프를 갖는 어댑터 단백질에 결합하는 유비퀴틴 같은 표지에 레이블 되어 있어야만 한다. 아니면, 염증복합체 혹은 IFN 신호 전달과 같은 특정 단백질은 오토파지 분해로 그 단백질을 표적 하는 GABARAP와 상호작용하는 어댑터인 TRIM (tripartite) 패밀리 멤버에 결합 할 수도 있다. 여기에서 ‘어댑터’라고 불리는 단백질은 종종 ‘오토파지 수용체’라고 불린다. 하지만 이들은 리간드 의존적으로 활성화되는 세포막의 일부분이 아닌 연결 분자들로서 ‘수용체’라고 불리는 것은 다소 지칭에 혼선을 줄 수 있다.


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그림 2. 선택적 오토파지의 메카니즘

 

카고를 오토파지로 표적 하기 위해 몇 단계의 조절이 필요하다. 이론적으로 카고가 지속적으로 해롭거나(세포 내 병원같이), 세포에 잠재적으로 위험하거나(미토콘드리아 손상같이), 세포 분화의 결과로서 낡아졌을 때(적혈구 성숙 동안 세포기관처럼) 처분되어야만 한다. LC3가 직접적으로 LIR 모티프를 포함하는 세포기관의 단백질에 결합하는 시나리오에서 LIR 모티프의 숨김과 노출은 조절되어야만 한다. 지금까지 밝혀진 두 가지 메카니즘 중 첫 번째는 LIR 모티프 근처 잔기의 자극 혹은 억제 인산화(예시: 저산소 유도 마이토파지를 유도하는 FUNDC1)이며, 두 번째는 정상 시에 숨겨져야 할 LIR 모티프가 노출되는 메카니즘(예시: 미토콘드리아 외막의 파괴로 내막에 있는 prohibitin 2 노출)이다. LC3가 어댑터 단백질에 결합하는 환경에서는 분해될 카고에 어댑터가 결합할 방법이 있어야 한다. 이러한 과정은 표적을 유비퀴틴화하는 E3 라이게이즈, 이를 모집하거나 어댑터의 LIR 도메인을 인산화하는 효소, 탈유비퀴틴화하는 DUBs, 미토콘드리아 및 ER 표적 단백질을 아세틸/탈아세틸화의 종합적인 작용에 연관되어 있다.

카고를 배정하는 모든 메카니즘은 마지막 카고 처분을 위한 오토파고좀 형성과 연결되어 있다. 특정 오토파지 어댑터, 가장 두드러진 TRIM 군 단백질은 기질 단백질과 LC3/GABARAP 군 멤버에 결합할 뿐 아니라, 오토파고좀 형성을 시작하기 위해서 ULK1과 class III PI3K 복합체를 조합한다. 오토파지 핵심 다운스트림 단백질들을 인산화하는 마스터 인산화 효소 ULK1은 미토콘드리아 막 단백질의 FUNDC1의 LIR 도메인같이 선택적 오토파지에 연관된 단백질에 붙거나 인산화한다. 세포기관 특이적 LC3/GABARAP 결합 단백질 중 하나인 ER 막 단백질 CCPG1는 오토파지 시작 ULK1 복합체의 핵심 요소인 FIP2000과 상호작용한다. 따라서, 선택적 오토파지 기질 인지에 연관된 분자들은 오토파지의 시작 단계에서 적극적인 역할을 할 수 있다.

기질 유비퀴틴화에 연관하여, 오토파지 대 프로테아좀 분해를 선택하는 정확한 메카니즘은 아직 불분명하다. 효소에서, 기질 단백질 응집과 유비퀴틴결합 단백질의 올리고머화는 오토파지 분해를 선호한다. 유비퀴틴 체인에 사용되는 라이신의 잔기, 길이와 성질은 경로 선택에 기여할 거라고 생각하지만, 아직 명확한 증거는 없다. 게다가, 선택적 오토파지 카고의 유비퀴틴체(ubiquitylome)에 대한 연구들이 있지만, 오토파지 표적에 필요한 유비퀴틴 기질들은 아직 모르는 점이 많다.

선택적 오토파지는 카고의 적절한 제거를 보장하기 위해 협동적, 위계적, 부분적 잉여적 방식으로 작용하는 동시 발생적 표적 메카니즘일 것으로 추정된다. 이러한 조합적인 방식은 특정 세포 타입들이 주어진 카고에 대해 언제 어떻게 선택적 오토파지가 일어날지를 정확히 조절하게 한다. 부분적 잉여 방식을 덕택에 선택적 오토파지에 필수적 유전자를 제거해도 세포에 치명적이지 않으며, 따라서 메카니즘 연구가 가능하다. 선택적 오토파지 유전자들이 부분적으로 잉여이기에, 왜 인간에서 이들의 기능상실이 핵심 ATG 유전자들의 기능상실보다 잘 견디는지 설명이 된다.

실제로 선택적 오토파지에 연관된 알려진 많은 분자들에서 변이들은 다양한 인간 질병 감수성과 연관이 있다. 어댑터 단백질 p62/SQSTM과 optineurin, E3 라이게이즈 Parkin, 인산화 효소 PINK1과 TBK1은 파킨슨병, FTD, ALS를 포함하는 가족성 및 조발성 신경퇴행질환의 가장 흔한 원인들이다. 유전성 감각 및 자율신경병증 type II는 ER phagy에 필수적인 LC3 결합 단백질인 FAM134B의 변이에 의해 생긴다. 오토파지 분해에서 염증복합체를 표적 하는 능력을 손상시키는 TRIM20 변이들은 유전성 자가염증 질환인 가족성 지중해열(familial Mediterranean fever)를 일으킨다. 염증성 장질환에 연관된 유전자들은 오토파지의 여러단계에서 기능하는 단백질을 코딩하는데, 박테리아를 선택적으로 표적 하는 어댑터 CALCOCO2/NDP52와 E3 라이게이즈 SMURF1를 포함한다.

선택적 오토파지 유전자들 변이들이 질병들에 연관되어 있는 사실은 선택적 오토파지가 생리적으로 중요하다는 것을 의미한다. 이들의 유전형을 표현형에 정확히 연결하기 위해서는 연구가 더 필요한데, 아직 밝혀지지 않은 것 중 하나가 선택적 취약성(selective vulnerability)이다. 예를 들어, 어떤 선택적 오토파지 유전자들 Parkin과 PINK1의 변이들은 파킨슨병에 주로 연관되어 있는 반면, 다른 유전자들 optineurin, TBK1, p62는 ALS나 FTD에 연관되어 있다. 이러한 원인으로는 뇌 밖의 조직에서 이러한 유전자들의 변이의 비세포자율적(non-cell autonomous) 효과 말고도, 다양한 신경세포와 아교세포 그룹에서 다음과 같은 요소들이 영향을 줄 수 있다: (1) 선택적 오토파지 유전자들 일부에 대한 의존성, (2) 탈유비퀴틴화 효소의 발현과 활성, 선택적 오토파지를 조절하는 다른 네거티브 피드백 메카니즘, (3) 항상성을 유지하기 위해 다른 타입의 선택적 오토파지 반응을 위임하는 스트레스의 타입과 레벨(즉 신경퇴행질환에 연관된 aggrephagy 같은 선택적 오토파지의 다른 형태 혹은 마이토파지).

Parkin KO 생쥐는 Parkin을 결여한 초파리와 다르게 자발적으로 신경퇴행을 일으키진 않지만, 교정기능이 결핍된 미토콘드리아 DNA 중합효소(PolG) 변이 생쥐와 교배할 때 도파민 신경 퇴행을 발달시킨다. 이러한 질병은 뇌의 다른 신경세포와 비교하여 도파민 신경세포에서의 증가된 미토콘드리아 스트레스에 연관될 수 있다. 흥미롭게 Parkin null/mutator 생쥐에서 운동기능 손상과 신경퇴행은 cytosolic DNA에 반응하여 type I IFN을 조절하는 STING을 제거할 때 복구된다. 따라서, 마이토파지(mitophagy)에서 결핍의 결과인 비정상적인 염증신호전달이 Parkin 혹은 PINK1 변이들을 가진 환자에서 신경퇴행 발병의 원인이 될 수 있다.

선택적 오토파지의 대부분이 질병으로부터 보호 역할을 하는데, 그 중 마이토파지는 가장 활발하게 연구되어 왔다. 마이토파지는 수정된 난자에서 정자 미토콘드리아의 제거, 적혈구 성숙에서 미토콘드리아의 제거, 베이지 지방세포에서 백색 지방세포로 분화 등 포유동물 발달과 분화 과정들에서 필수적이다. 파킨슨병과 다른 신경퇴행 질환 이외에도 마이토파지 이상은 기관 특이적 및 전신성 염증 질환, 암의 발달과 진행, 잠재적으로 노화에 기여한다. 마이토파지에 의해 손상된 미토콘드리아의 제거는 정상 세포 대사를 유지하고, 염증과 스트레스를 생성하는 미토콘드리아 ROS 생성을 감소시키고, 미토콘드리아의 세포사멸 요소들의 분비를 억제한다. 따라서 마이토파지에 의한 적절한 미토콘드리아 기능의 유지는 세포와 기관의 건강에 중요하다. Xenophagy와 같은 다른 형태의 선택적 오토파지도, 마이토파지와 유사하게, 기질들의 정상적 역할과 비정상 기질 축척의 병리의 균형을 잡는 방식으로 작용할 것이다.

선택적 오토파지의 메카니즘과 생리 기능을 더 잘 이해하면 신약개발의 새로운 경로를 열수 있다. 미토콘드리아 탈유비퀴틴화 효소 USP30의 knockdown은 Parkin 유전자 변이를 갖는 초파리에서 마이토파지 결함을 제거하고 치료효과를 나타냈다. 이는 파킨슨병 등의 질환에서 선택적 오토파지 E3 라이게이즈를 표적 하는 탈유비퀴틴화 효소를 억제하는 치료 전략을 제시한다. 실제로 마이토파지를 가속시키는 USP30의 선택적 억제제가 최근에 발표되었다. 기질의 인산화가 선택적 오토파지에 관련된 공통된 메카니즘이기에 선택적 오토파지를 강화시키는 특이적 인산화 효소를 활성화하는 것도 치료전략이 될 수 있다. 잠재적으로 고친화적 LIR 도메인을 해로운 카고에 붙여서 LC3에 장식된 오토파고좀으로 보내는 것도 새로운 전략이 될 것이다.

4. 오토파지 조절: 치료제를 위한 넥서스

오토파지는 효모와 포유동물에서 영양 스트레스 반응 경로로써 연구되기 시작했다. 과거 10년 동안, 오토파지를 조절하는 생리적 및 병리적 자극의 스펙트럼, 핵심 오토파지 단백질의 활성을 조절하는 메카니즘, 오토파지와 다른 세포 스트레스 반응 경로와 상호연결, 오토파지 조절에 대한 지식이 축적되었다. 이러한 개념들은 다른 문헌에서 다루기 때문에, 여기에서는 생리 및 질병에 대한 관점만 선택적으로 다루기로 한다.

인산화, 유비퀴틴, 아세틸레이션 등의 번역 후 수식은 ATG 단백질의 활성을 조절하는데 핵심적 역할을 한다. 대부분 경우 상위 인산화 효소/탈인산화 효소, 유비퀴틴 라이게이즈/탈유비퀴틴화 효소, 아세틸트랜스퍼레이즈는 ATG 단백질과 오토파지와 함께 조절되는 다른 세포 스트레스 반응 경로에 연관된 단백질들을 동시에 수정한다. 결과적으로 이 효소들의 약물학적 조절은 다중적으로 얽힌 스트레스 반응 경로에 넓게 영향을 줄 것이다. 효소와 기질에 의존하여 그러한 비특이적 표적화는 어떤 곳에는 해로울 수 있고, 어떤 곳에 이로울 수 있다.

한 가지 중요한 예는 ATP의 고갈에 의해 활성화되는 저에너지 감지 효소 AMPK의 자극이다. 이 효소는 분해성 경로를 자극시키고 합성적 경로를 억제하기 위해 다중 단백질들을 인산화한다. 결과적으로 ATP 소비를 제한하고 대사산물의 분해를 통해 ATP를 생산한다. 최근 몇년 간 AMPK는 mTORC1의 억제를 통해 오토파지를 활성화할 뿐 아니라, ULK1, ATG9A, Beclin1, VPS34를 포함한 몇몇 ATG 단백질들을 직접적으로 인산화한다고 밝혀졌다. 게다가, AMPK는 ULK1에 대한 효과를 통해 마이토파지를 촉진하고 오토파지에 필요한 CLEAR 유전자 네트워크의 TFEB의존적 활성화를 촉진한다. AMPK의 오토파지 활성효과는 미토콘드리아 항상성과 지질 및 클루코스 대사에 대한 효과와 동시에 일어난다.

AMPK 활성화는 당뇨 치료로 처방되는 metformin의 바람직한 효과의 근거가 될 수 있다. Metformin은 마이토콘드리아 ATP 고갈을 통해 간접적으로 AMPK를 활성화하며, metformin과 유사한 효과를 나타내는 직접적 AMPK 활성화 물질은 현재 전임상 개발 단계에 있다. 오토파지 자극이 생쥐나 환자에서 얼마나 이로운지 아직 모르지만, 오토파지는 비만, 당뇨, 비알콜성 지방 간 질환 및 특정 암, 노화 등의 다양한 대사 질환에 대항하는 AMPK 활성화 허브의 핵심이다. 초파리에서 Beclin 1 ortholog (ATG6) 결핍은 장 줄기세포 노화를 억제하는 metformin의 효과를 감퇴시킨다. 초파리 ULK1 ortholog, ATG1는 신경 AMPK 발현에 의한 수명 연장에 필수적이다. 생쥐에서 AMPK에 의한 오토파지 활성화는 노화된 근육줄기세포 기능을 개선시킨다. 효모에서 핵심 ATG 유전자들은 급성 글루코스 박탈 기간 동안 AMPK에 의한 지질소립(lipid droplet) 분해와 생존에 필요하다.

ATG 단백질의 라이신 아세틸화/탈아세틸화는 지질, 당, 단백질 대사 센서에 의해 조절되는 오토파지의 핵심 노드이다. 게다가, 이러한 조절 센터는 AMPK와 mTORC1과 독립적이지만, 서로 연결되어 있다. 급성 영양 박탈 기간 동안, 단백질을 탈아세틸화하는 acetyl coenzyme A (AcCoA)의 레벨은 급감한다. Sirtuin 1은, acetyl transferase EP300의 활성감소와 같이, 다수의 ATG (ATG5, ATG7, ATG12, Beclin 1, VPS34, LC3)를 탈아세틸화하여 오토파지를 촉진한다. 따라서 sirtuin1의 내생적 활성화 분자들(nicotine adenine dinucleotide [NAD+]), EP300의 내생적 억제제(e.g., spermidine, a dietary polyamine), AcCoA의 감소(a rate-limiting step for EP300 function)는 모두 오토파지를 활성화한다.

칼로리 억제 효과를 모방하는 이러한 화합물들은 활발하게 연구되고 있고 유전자 연구는 오토파지가 in vivo에서 유익한 효과를 나타낸다고 보고했다. 간접적 sirtuin1 활성화 약물 Reservatrol은 선충에서 수명을 늘리는데 오토파지를 이용한다. Spermidine 유도 오토파지는 초파리, 벌레, 생쥐에서 수명을 연장하고, 노화된 파리에서 신경 기능을 향상시키며, 생쥐에서 근세포의 줄기세포 능력을 보존하는 등 건강의 유익한 효과에 필수적이다. 게다가, 칼로리 제한 모방제는 오토파지 가능(autophagy-competent) 생쥐에서만 암이식 후 항암 면역 감시를 개선하고 약물 치료 반응을 강화시켰다.

지난 십 년간, 오토파고좀 카고 분해의 다운스트림으로서 인식된 리소좀은 오토파지 업스트림 조절에서도 중요한 역할을 한다. 영양 감지 인산화효소 복합체 mTORC1은 오토파지를 억제하는 다른 메카니즘들을 통해 세포질 내 및 리소좀 내 아미노산을 감지한다. 알지닌 같은 리소좀 내 아미노산은 아미노산 트랜스포터이자 mTORC1을 활성화하기 위해 v-ATPase/Rag/Ragulator 복합체와 상호작용하는 SLC38A9에 의해 감지된다. 이 둘은 정상 상태에서 오토파지를 억제하고 급성 영양 결핍에 의한 오토파지 반응을 멈추기 위해 피드백으로 억제한다. 포만 및 과활성 조건에서 mTORC1 활성화는 세포를 합성적 성장 및 에너지 저장 상태로 전환한다. 유기체 수준에서 지속되는 mTORC1 활성화는 세포성장과 적절한 대사 조절에 필수적임에도 불구하고, 손상된 포도당 신생합성(gluconeogenesis) 및 생존, 췌장 베타 세포 기능에서 가속화된 기능 노화, 후발성 근육 위축, 변화된 지질 생성, 면역 억제, 간질 및 자폐적 특성, 암 발생, 노화 등을 포함하는 다양한 병리적 결과와 연관되어 있다. 오토파지 유도의 손상은 과활성화된 mTORC1을 가진 생쥐에서 나타나고 병적인 표현형(손상된 신생 포도당 신생합성, 후발성 근육위축)에 기여하지만, mTORC1 신호전달과 연관된 대부분 질병에서 오토파지 억제의 정확한 역할은 아직 밝혀지지 않았다. 오토파지 유도로 증상이 개선되는 신경퇴행의 치료를 위해 FDA 승인된 mTOR 억제제에 관심이 모아져 왔다. 하지만, 현재 약물들의 mTORC2에 대한 mTORC1의 선택성이 좋지 않고, mTORC1에 의해 조절되는 여러 필수 분해적 기능을 고려해보면, 치료 오토파지를 유도하는 mTOR 억제제에 대한 안정성과 유효성이 아직 분명하지 않다.

AMPK와 mTORC1는 오토파지, 리소좀, TFEB와 관련 멤버들을 연결하는 신호전달 축을 반대 방향으로 조절한다. 오토파지 자극에 대한 급성 반응에는 전사 활성화가 필수적이지 않다. 하지만, 지속적인 오토파지는 리소좀 막의 Ragulator에 결합하고, mTORC1에 의해 인산화되고, 14-3-3 단백질에 의해 세포질에 위치한 TFEB 전사 인자가 필요하다. mTORC1 억제 후, TFEB가 탈인산화되면 핵으로 이동하여 CLEAR 유전자 네트워크를 활성화하여 리소좀 가수분해효소, 리소좀 v-ATPase 펌프, 리소좀 조절인자 및 오토파지 조절 인자들을 발현시킨다. 위에서 언급했듯이, AMPK 역시 TFEB 의존적 유전자 발현을 활성화시키는데 이는 여러 다른 메카니즘을 통해 일어난다. 게다가, 최근 연구에서 ACSS2는 핵으로 이동하여 TFEB와 결합하고 TFEB 표적 유전자들의 프로모터 내에 히스톤 H3의 아세틸화를 촉진한다.

TFEB 외에도 같은 패밀리의 MITF와 TFE3, 다른 패밀리의 FOXO3A, HSF1, TP53도 오토파지를 자극한다. 오토파지와 리소좀 유전자들을 억제하는 전사효소 BRD4(bromodomain 4)는 AMPK-SIRT1 축에 연관된 신호전달에 의해 영양결핍에 반응하여 크로마틴으로부터 분리된다. 따라서, 여러 알려진 전사인자들이 오토파지에 필요한 유전자 합성을 조절한다. 이러한 전사인자들의 활성은 번역 후 수정으로 핵심 ATG 단백질 기능을 조절하는 많은 신호전달 요소들에 의해 섬세하게 조절된다.

리소좀 생성 및 오토파지의 마스터 조절자인 TFEB의 활성 조절은 잠재적 치료 전략으로 대두되었다. 개념적으로 이러한 전략은 설득력이 있는데 그 이유는 리소좀 숫자와 기능의 한계가 LSD (lysosomal storage disorders) 난치성 질병 및 해로운 응집 단백질의 제거와 관련된 질병(헌팅턴병, 파킨슨병, 타우병리)에서 나타나기 때문이다. 생쥐에서 TFEB 과발현은 몇몇 LSD, 신경퇴행 질환, α1-antitrypsin 결핍증을 경감시켰고, lipophagy를 증가 시켜 비만과 관련 대사증후군을 감소시켰다. TFEB 과발현이 LSD에서 리소좀 기능을 정상화하는 메카니즘은 완전히 이해되지 않았지만, 분해되지 않은 물질들의 분비를 위해 리소좀 세포밖유출(exocytosis) 유도와 연관되어 있다. TFEB 패밀리 활성을 강화하는 전략에 대한 한가지 잠재적 문제는 지속적인 활성화로 인한 암 발생 위험이다. TFEB로 인한 신장세포암을 일으킬 수 있고 MITF, TFE3, TFEB로 인한 췌장암을 일으킬 수 있다. MITF/TFE3/TFEB 의존적 오토파지-리소좀 활성은 췌장세포에서 세포 내 아미노산 풀을 유지함으로서 대사 리프로그래밍을 지속한다고 생각하지만, ATG 유전자들이 이러한 효과에 연관되어 있다는 것을 확인하기 위해 추가적인 연구가 필요하다. 게다가, 오토파지 전사 억제요소 BRD4의 강화된 활성은 NUT midline carcinoma를 유도하는데 암 발생에서 오토파지 전자 조절자의 효과가 세포타입 특이적이라는 것을 알 수 있다. TFEB 조절 유전자 네트워크의 일부 그룹이 오토파지-리소좀 경로에서 유익한 효과를 나타내면서 암 발생 유전자를 피하도록 조절할 수 있는지는 확실하지 않다. 간헐적으로 혹은 정해진 특정 기간 동안만 TFEB를 활성화하여 암발생 위험을 피하는 것도 하나의 전략일 수 있다.

흥미롭게도 아스피린은 뇌에서 PPARα를 활성화하여 TFEB 발현을 증가 시키고 리소좀 생성을 유도하며, 알츠하이머 생쥐모델에서 아밀로이드반(amyloid plaque)을 감소시킨다. 아스피린과 살리실산염(salicylate)은 acetyltransferase EP300 억제와 AMPK 활성화/mTORC1 불활성화를 통해서도 오토파지를 유도한다. 하지만, 오토파지가 아스피린의 유익한 효과에 기여하는지에 대한 직접적인 유전자와의 관련성에 대한 연구 결과는 아직 없다.

오토파지의 매우 특이적인 활성화는 핵심 오토파지 경로에서 업스트림 요소의 활성을 증가 시킴으로서 가능하다. 즉 ULK1 serine/threonine kinase complex 혹은 Beclin 1/VPS34 lipid kinase complexes. VPS34 지질 인산화효소 활성에 대한 핵심 allosteric 조절자로써, Beclin1 활성은 안정성을 조절하는 번역 후 수정, ATG14 혹은 UVRAG에 heterodimeric 결합, 비활성화된 homodimer 형성, Bcl-2/Bcl-xL 같은 부정적 조절인자와 결합 등에 의해 정밀하게 조절된다. 다양한 스트레스 인산화 효소인 AMPK, MAPKAPK2/3, ULK1은 Beclin1의 자극성 인산화를 조절한다. 암 생성 인산화 효소 Akt와 EGFR, EP300 acetylase는 Beclin1의 오토파지 활성을 억제한다. Beclin1의 번역 후 수정 위치에서 변이는 Beclin1 의존적 오토파지 억제가 생쥐 암이식 모델에서 암성장을 촉진한다는 것을 설명한다. 탈유비퀴틴화 효소 ataxin3의 감소된 결합으로 인한 Beclin1의 분해 강화는 헌팅턴병 및 spinocerebellar ataxia type 3 같은 polyglutamine-expansion 단백질 관련 질병 환자의 세포에서 오토파지 활성을 감소시킬 것이다.

Beclin1에 대한 Bcl-2 결합 억제는 오토파지가 스트레스 자극(영양결핍, 운동, 면역신호)에 반응해 활성화되는 핵심 메카니즘이다. 이러한 간섭은 DAPK에 의한 Beclin1 BH3 도메인의 인산화, E3 라이게이즈 TRAF6에 의한 BH3 도메인 유비퀴틴화, JNK1에 의한 Bcl-2의 인산화, BH3 단백질에 의한 경쟁에 의해 나타난다. Beclin1의 결합 간섭을 억제하는 Bcl-2 변이를 갖는 생쥐는 영양결핍이나 운동에 의한 오토파지가 나타나지 않고, 운동 지구력이 감소하며, 글루코스 대사에서 운동의 유익한 효과를 나타내지 않는다. 반대로, Bcl-2 결합을 감소시키는 Beclin1 변이를 가진 생쥐는 오토파지 증가, 수명 연장, 알츠하이머병과 HER2에 의한 유방암으로부터 보호를 나타낸다. 따라서, Beclin1/Bcl-2 결합의 간섭은 in vivo에서 오토파지를 일으키는 안전하고 효과적인 전략일 수 있다. 이 메카니즘을 통해 작용하는 약물을 개발하기 위해 전임상 연구가 진행 중이다.

VPS34 막과 연관 및 지질 인산화 활성에 중요한 Beclin1의 hinge 부위에서 유래된 세포투과 펩타이드 Tat-Beclin 1는 in vitroin vivo에서 오토파지를 유도하기에 충분하다. 생쥐에서, Tat-Beclin 1은 웨스트나일 바이러스, 치쿤구니야(chikungunya) 바이러스, E. coli 박테리아 감염, LPS (lipopolysaccharide)에 의한 심정지, 간 기능 실패와 요소 회로 질병에서 항암모니아혈증, FGF (fibroblast growth factor) 결핍과 LSD에서 뼈손실 등에서 보호효과를 나타낸다. 이 펩타이드는 또한 면역 유능 생쥐에서 암치료효과를 강화하고, 면역 결핍 생쥐에서 이종이식된 HER2-positve 유방암의 성장을 감소시키고, 췌장암 모델에서 erastin (ferroptosis를 일으키는 저분자 화합물)과 상승작용으로 생존을 증가 시켰다. 쥐에서는 Tat-Beclin1을 뇌해마에 주입했을 때 장기 공간 기억을 증가 시켰다. 다발성 낭포신 Zebrafish 모델에서는 Tat-Beclin1은 신낭포(renal cyst)을 경감시켰다. Tat-Beclin1이 오토파지, 오토파지 독립적 효과, 또 다른 메카니즘을 통해 이러한 효과를 나타내는지는 추가연구가 필요로 하며, 정확한 메커니즘이 밝혀지면 신규 저분자 약물의 개발까지 이어질 수 있다. Beclin 1/VPS34 복합체의 구조는 오토파지 특이적 Beclin 1-associated VP34 지질 인산화 활성을 선택적으로 활성화시키는 약물 설계의 기초를 제공할 것이다.

5. 조직 및 전신 항상성에서 오토파지

다세포 유기체의 건강을 위해 세포의 생존과 죽음 결정, 세포 운명 결정, 유전체의 온전한 보존, 면역 반응, 대사 회로에 대한 종합적 조절이 필요하다. 오토파지 신호전달은 위에서 다뤘던 다양한 기능을 통해 이러한 과정들에서 중요한 역할을 한다. 이번 장에서는 세포죽음, 줄기 세포의 보존, 암 억제, 수명, 대사 질환에 대한 방어에서 오토파지 역할에 대한 최근 연구 결과들을 요약한다.

5.1. 항상성 유지에서 오토파지

정상 상태 및 급성스트레스 반응 동안, 세포는 오토파지의 적응적 세포보호 수준을 유지하면서 동시에 오토파지의 부적응적이고 해로운 효과를 피해야 한다. 이러한 균형은 오토파지 레벨의 자가조절, 분해 산물이 세포에 해롭게 되는 것을 억제하는 메카니즘, 필수 카고를 분해하지 않는 메카니즘, 이러한 과정들을 통한 세포사멸의 억제를 필요로 한다. 세포에서 오토파지 레벨의 자가적정은 아미노산, acetyl-CoA, 호흡 기질들의 생성에 의한 영양 감지 신호들의 피드백 조절, ATG7에 의한 오토파지 전사인자들의 세포질 내 보유와 mTORC1의 TFEB에 의한 활성화를 포함하여 여러 다른 억제 피드백 루프와 관련되어 있다. 분해 산물에 의한 세포 독성은 오토파지 동안 피할 수 있다. 예를 들어 영양결핍 유도 오토파지 동안 오토파지 의존적 지질막 붕괴에 의해 생성된 지질소립 형성이 지방산을 격리시켜 지질 독성으로부터 미토콘드리아를 보호하고 세포 생존을 유지한다. 영양결핍 유도 오토파지가 특정 노화된 구조를 선택적으로 제거하는지 아니면 그저 비특이적인지는 알려지지 않았다. 미토콘드리아는 영양결핍 동안 신장하여 분열 후에 발생하는 오토파지 융합으로부터 스스로 보호한다. 미토콘드리아와 다른 조직들이 아직 알려지지 않은 많은 메카니즘들을 통해 스트레스 동안 발생한 과도한 오토파지 융합으로부터 보호 효과를 나타낼 것으로 예상된다.

앞서 언급한 음성 피드백 루프는 오토파지를 일정 수준에 유지시켜 스트레스 동안 세포를 보호하게 하고 세포 사멸 및 괴사로부터 보호한다. 게다가, ATG 유전자 의존적 과정들 예를 들어 GLUT1의 세포막으로 이동 증가는 세포를 죽이기 위한 손상의 역치를 증가 시켜 스트레스에 성공적으로 적응하게 한다. 스트레스 유도 오토파지 동안 in vivo 세포 생존의 증가는 ATP를 많이 소모하는 Na+K+ ATPase 펌프의 길항작용에 의존할 수 있다. 흥미롭게도, 한 차례 심한 운동이나 제한된 영양 조건에서, Na+K+ ATPase를 표적 하는 내재적 심장 glycosides는 50~500배 증가하여 ATP 소비를 감소시킨다.

하지만, 유기체가 에너지 박탈의 생리적 한계를 넘어설 때 적응적 메카니즘은 망가진다. 신경성 식용부진증을 갖는 환자의 간에서나 심한 뇌 허혈성 손상 신생 생쥐에서 세포사멸과는 형태적으로 유전적으로 다른 autosis를 일으킨다. Autosis는 기존 세포사멸 및 괴사와 다르게 ATG 유전자와 Na+K+ ATPase 활성이 세포죽음에 필요하다. 어떻게 ATP의 주요 소비하는 Na+K+ ATPase와 스트레스 중 ATP를 생성하는 기질의 mobilizer 오토파지가 상호작용하여 세포의 삶과 죽음을 조절하는지는 분명하지 않지만, 이러한 상호작용은 허혈성 조건 동안 적응적 메카니즘을 넘어 병리적이 되는 메카니즘을 대표할 수 있다.

최근에 밝혀진 형태의 오토파지 세포죽음은 glucosylceramide(GlcCer)를 ceramide와 글루코스로 분해하는 GBA1 (리소좀 효소 glucocerebrosidase (GCase))와 연관되어 있다. GBA1 knockdown은 resveratrol 처리된 in vitro 폐암세포나 초파리의 발생학적 중장(midgut) 소멸을 억제한다. 인간에서는 homozygous GBA1 변이는 LSD 중 하나인 Gaucher’s disease를 일으키는 반면, 이형(heterozygous) 변이는 파킨슨병에서 위험인자이다. 흥미롭게도, 초파리나 생쥐의 뇌에서 GBA1 결핍은 GlcCer의 축척, 손상된 오토파지-리소좀 플럭스, α-synuclein 응집체 축척, 신경 퇴행을 일으킨다. 이러한 특정들은 파킨슨병 환자에서 관찰된 것과 유사하다.

따라서, 세포 GCase 수준은 항상성에서 중요하다. 불충분한 GCase 활성은 오토파지-리소좀 기능에서 결함을 나타내고 신경 퇴행을 일으키는 반면, 잉여의 GCase 활성은 오토파지 세포 죽음을 일으킨다. 어떻게 GCase 활성이 생리학적으로 적정되는지 또는 잉여의 GCase 활성이 적응적 오토파지를 치명적 오토파지로 바꾸는지 아직 모른다. 한 가지 가능성은 리소좀 막 투과에 영향을 주는 대사 중간체 sphingosine이 생성되어 autosis가 일어난다는 것이다. 왜냐하면 리소좀 Bax에 의한 리소좀 막 투과는 Bax/Bax knockout 생쥐 배아 섬유아세포에서 오토파지 세포 죽음을 촉진하기 때문이다. 오토파지를 생존에서 죽음으로 바꾸는 정확한 메카니즘은 밝혀져야 하고, 오토파지 세포 죽음 경로의 역할이 설명되어야 하며 in vivo에서 이를 억제하는 새로운 치료 방법이 고안되어야 한다.

5.2. 줄기세포성에서 오토파지

오토파지가 줄기세포의 질적 조절(특히, 마이토파지 연관된 ROS감소를 통해), 에너지 항상성, 대사 리프로그램, 건강 유지에 필수적이라는 증거가 많다. 줄기세포 타입에 따라 오토파지는 여러 질병에 연관성이 있다. 일반적으로 오토파지는 자가분열과 분화를 둘 다 가능하게 하는 메카니즘으로서 근육 줄기세포, 조혈줄기세포, 신경줄기세포 등 성체 줄기세포에서 작용한다. 조건적 Atg7의 제거는 어린 생쥐에서 근육 위성 세포 수를 감소시키고 이른 근육 노화를 일으키며, 오토파지 활성은 노화를 늦추고 나이 든 동물에서 위성세포의 재생 기능을 복원시킨다. 조혈줄기세포에서 Atg12의 제거는 조혈줄기세포 무활성와 줄기세포성 유지를 손상시킨다. FIP200의 상실은 신경줄기세포의 점진적으로 상실시키고 성체 뇌에서 신경생성을 감소시킨다. 따라서 오토파지의 증가는 근육감소증에서 근육 재생을 자극하고 면역 세포 노화와 관련된 후발성 질병을 억제하며, 성체 신경생성을 촉진한다.

몇몇 연구에서 오토파지가 체세포의 유도만능 줄기세포로의 역분화에서 역할이 있다고 주장한다. 오토파지가 분화만능 역분화에서 어떤 기능을 하는지 논란이 있지만, 전사인자의 분해, 당 분해 대사를 유지하는 능력, 미토콘드리아와 다른 세포 조직의 분해, 마이토파지의 세포 ROS 생산 제한이 관련 될 수 있다. ATG 유전자의 제거 혹은 PINK1 의존적 마이토파지 제거는 리프로그램 과정을 손상시키는 반면, 오토파지 증가가 줄기세포 기반 치료의 최적화를 위한 분화만능 리프로그래밍의 효율을 개선하는지는 아직 확실치 않다.

추가적으로 오토파지는 암줄기세포(cancer stem cells, CSCs)의 생성, 분화, 생존, 자가분열과 악성종양의 잠재력을 갖는 독특한 환경, 암전이, 화학치료 저항에서 중요하다. CSC 형성은 오토파지 강화를 일으키는 저산소, 영양결핍, 산성 조건에서 잘 일어나고 CSC는 다른 일반 줄기세포에 비해 기초 오토파지 활성이 높다. 유방암 CSC에서 ATG 유전자의 knockdown은 in vitro에서 자가분열을 손상시키고 생쥐에 이식되었을 때 암성장을 억제한다. 이러한 관찰은 CSC에서 오토파지를 억제하는 치료제의 가능성을 제안한다. 하지만, 어떻게 CSC를 in vivo에서 표적할 수 있을지 아직 모르고 어른 생쥐에서 오토파지의 전신 억제는 여러 기관의 퇴행과 금식 동안 저혈당증을 포함한 심각한 독성에 연관되어 있다. 이러한 개념은 CSC가 non-CSC로 변하는 가소성 때문에 더욱 복잡하다. 게다가, HSC에서 오토파지의 제거는 급성 골수성 전구세포를 증가 시키고 악성 혈액 종양을 발달시킨다. 이러한 복잡성을 고려해보면, 항암치료 전략으로 CSC의 오토파지를 표적 하는 것은 아직 이르다.

5.3. 유전자 안정성과 암 억제에서 오토파지

변이로 인해 ROS를 생성하는 미토콘드리아를 제거하는 것 이외에도 오토파지는 다른 메카니즘들을 이용해 유전체 안정성을 촉진한다. 손상된 오토파지에서 오토파지 어댑터이자 기질인 p62/SQSTM1의 축척은 (1) 히스톤과 크로마틴 유비퀴틴화와 DNA 손상 반응에 필수적인 E3 라이게이즈 RNA168을 억제하고, 정상적 세포주기 체크포인트를 폐기하는 p53 의존적이면서 독립적 메카니즘을 통해 작용하는 MDM2의 NRF2 전사 요소를 활성화한다. 오토파고좀 형성 및 리소좀 기능의 유전적 억제는 small GTPase, RHOA를 분해하지 못하게 하여 세포질 분열 실패, 다핵화, 염색체 이수성을 일으킨다. 선택적 오토파지를 통한 미소핵과 내재적 retrotransposon의 제거도 유전자 안정성을 강화할 수 있다. 흥미롭게도, DNA 손상복구 경로 유전자는 pexophagy (예: ATM kinase)와 마이토파지(예: Fanconi anemia proteins) 등의 ROS 생성 세포기관을 선택적으로 제거하는 오토파지에 연관되어 있다. 따라서 유전체 안정성을 위협하는 세포조직 제거와 유전체 안정성을 유지하는 핵 이벤트의 조절을 통해 유전체를 보호하는 여러 단계에서 오토파지 단백질을 작용하게 하는 선택적 압력이 있을 것이다.

유전체 안정성을 강화하는 오토파지의 역할은 암을 억제하는 역할과 일치한다. 특발적 인간 유방암과 자궁암에서 가장 흔한 유전자 변이 중 하나는 beclin1의 대립유전자 상실이며 암 치명성 및 환자 생존률과 관련되어 있다(근처 암 억제 유전자 BRCA1의 대립유전자 상실과는 독립적이다). Beclin1 대립 유전자 하나가 결핍된 생쥐는 자발적인 악성종양을 형성하기 때문에, Beclin1이 반가불충분성 암 억제 유전자라는 것과 생쥐 유방 표피세포에서 beclin1 대립 유전자 상실이 유방암 생성, DNA 손상, in vivo에서 유전체 불안정성을 촉진한다는 것을 설명한다. 마찬가지로 다른 생쥐모델들(Ambra1+/-, Atg4c-/-, Sh3glb1-/-, and mosaic Atg5-/-)에서 부분적 오토파지 결핍은 특발적 암 혹은 유도된 암의 증가와 관련이 있다. 생쥐에서 마이토파지 수용체 BNIP3의 상실은 유방암으로 전이를 촉진하고, Parkin의 상실은 특발적 간암, 방사선 유도 림프종, Apc 변이 생쥐에서 대장선종 발달, KRas에 의해 촉진된 췌장암 생성을 일으킨다. 환자에서는 PARKIN 비활성화 유전자들은 교모세포종, 대장선종 및 다른 악성종양에서 관찰되었다. 많은 발암 변이는 mTORC1 활성화(activating mutations in Akt/class I PI3K, PTEN loss, LKB1 loss), ULK1과 Parkin 억제(cytoplasmic accumulation of TP53 mutant proteins), Beclin1/class III PI3K 복합체 활성의 억제(Akt, EGFR, HER2, Bcl-2 amplification or activation)를 통해 오토파지를 억제한다.

오토파지는 암 억제에서 세포자율적(cell-autonomous) 와 비세포자율적(non-cell autonomous) 기능을 갖는다. 세포자율적 수준에서는 유전체 불안정성 촉진과 함께 오토파지는 암유전자 유도 노화를 촉진하기 위해 핵막하층을 분해하고(LC3와 lamin B 상호작용을 통해), 강한 암유전자 발현인자인 염증신호를 줄인다. 오토파지 결함으로 인한 염증신호 해제는 비만, 노화, 알콜 남용, 만성 감염들, ATG16L1 결핍/크론병을 포함해 공통된 발암 경로를 나타낸다.

비세포자율적 수준에서는 오토파지는 암 촉진 염증신호를 억제하고 암 미세환경에서 골수세포의 항암 면역을 강화한다. 암세포에서 오토파지는 교차 제시 및 죽어가는 세포의 항원 노출을 증가에 중요하다. 오토파지 의존적 “면역원성 세포 죽음” 현상도 ATP와 다른 DAMP (danger-associated molecular patterns)를 분비하여, 항암 CTL (cytotoxic T lymphocyte) 반응을 강화시키고 화학치료 및 방사선 치료의 유효성에 기여한다. 흥미롭게도 KRAS 유도 비소세포암은 오토파지의 유전자 억제에 의해 증가되고, T 세포 의존적 항암 면역을 필요로 하는 메카니즘을 통해 오토파지 유도에 의해 감소된다. 종합하면, 암 생성 염증을 줄이고 암 성장과 진행을 축소하는 적응 면역을 증대하기 위해 암세포와 골수세포의 오토파지 작용이 중요하다. 하지만, 항암 치료 반응을 증폭하도록 오토파지 유도가 면역 체크포인트 억제와 함께 작용하여 시너지를 낼 수 있는 지에 대한 여부는 아직 확인되지 않았다.

암 억제와 항암면역의 촉진에서의 오토파지 메카니즘과 함께, 생존을 위해 높은 세포 대사 활성을 필요로 하는 KRAS에 의해 유도된 암에서 암을 촉진시키는 오토파지의 역할이 알려져 있다. 이러한 암 생성 효과는 암 미세환경에서 기질세포의 오토파지에 의해 암세포에 영양 공급을 함으로써 세포 내제적 및 외제적 방식으로 대사 스트레스 동안 암세포 생존을 지속시키는 오토파지 때문이라고 알려져 있다. 이러한 관찰들을 통해 특정 암을 치료하는 오토파지 억제제를 개발하는 관심이 모아졌다. 두 가지 주요 접근방식이 생쥐에서 테스트 되었는데 (1) 조직 특이적 또는 전체적 ATG 유전자의 유도 제거, (2) 클로로퀸 혹은 하이드록시클로로퀸 같은 오토파지 플럭스를 억제하는 리소좀 조절제의 사용이다. 이 두 가지 접근법은 생쥐에서 KRAS-유도 암성장을 줄였지만, ATG 유전자 제거는 췌장 특이적, 폐특이적일 때 염증과 기관손상을 일으켰고, 전신 knockout에서는 다양한 시스템에서 퇴행을 일으켰다. 게다가, KRAS 변이 암 패널에서 클로로퀸의 효과 연구는 ATG 유전자 의존적 성장 억제를 보여주지 못했다. 따라서, 암세포와 기질세포에서 암 성장을 촉진하는 오토파지의 중요한 역할에도 불구하고, 암치료제로서 오토파지 억제 역할을 지지하는 결정적 데이터는 없다. 하지만, 최근 KRAS 유도 췌장암 연구에서 오토파지 유전자 억제는 허용할 만한 독성과 유효성을 보여주었다. 이러한 문제는 앞서 언급한 암 억제와 항암 면역에서 오토파지의 여러 가지 역할과 오토파지 억제가 암전이를 촉진한다는 최근 결과에 의해 복잡해질 수 있다.

5.4. 대사질환에서 오토파지

비만, 당뇨, 동맥경화, NAFLD를 포함한 다양한 질환에서 오토파지 기능 이상은 많이 보고되어 있다. 이러한 질환들이 후성유전적 요소들과 관련되어 있지만, 과잉 칼로리 섭취와 감소된 물리적 활동은 일차적 원동력이며 둘 다 오토파지를 억제한다. 비만에서 오토파지가 강화되는지 억제되는지에 대한 많은 연구 결과들이 있지만, 대부분 생쥐 유전자 연구 결과에서는 감소된 오토파지가 비만에서 당뇨로 전이를 촉진하고 동맥경화와 NAFLD 위험을 증가 시켰다. 특히, ATG 유전자들이나 TFEB의 조직 특이적인 제거 또는 전체 변이를 가진 생쥐에서 고지질 식단에 의해 몸무게가 증가하였고 전체적 염증, 당뇨, 지방간을 발달시키는 경향이 있었다. 게다가, Atg5의 대식세포 특이적 제거는 동맥경화반을 더 생성하게 하였다. 인간에서는 오토파지 신호전달의 조합과 활성에 필요한 유전자 IRGM1의 유전자 변이들이 NAFLD의 위험 증가와 관련이 있다. 게다가, NAFLD 환자들의 간에서는 Beclin1/VPS34 PI3KC3 활성을 억제하는 Rubicon의 높은 발현이 나타났다. 생쥐에서 간세포 특이적 Rubicon KO는 고지질 식단에 의해 손상된 오토파지와 지방간에 대해 보호 효과를 나타냈다. 흥미롭게도, 에탄올 노출도 Rab7을 불활성화하여 간세포 lipophagy를 억제하였고, 이는 오토파지(즉, lipophagy) 이상이 알콜성 지방산 질병을 일으킬 수 있는가 하는 의문을 제기한다.

오토파지 결핍이 비만과 대사 질환을 촉진하는 정확한 메카니즘은 복잡하고 다양한 세포의 내재적 효과(영양대사, 미토콘드리아, 퍼옥시좀, ER, 지질소립 항상성), 외부 효과(염증복합체 비정상적 활성에 의한 염증 사이토카인 분비), 그리고 잠재적으로 인슐린과 mTORC1 신호 전달의 피드백 억제의 결여에 관련되어 있다. 비만에서 오토파지가 억제되는 메카니즘은 잘 모르지만, 지질 축척과 비정상적 리소좀 기능의 조합과 비정상적 내분비 신호전달에 연관되어 있다. 오토파지는 금식 동안 감소(인슐린 혹은 insulin like growth factor)하거나 증가(글루카곤, FGF21)하는 신경내분비 신호들에 의해 밀접히 조절되지만, 비만에서는 이러한 신호들의 반응이 이상해진다. 생쥐에서 금식 호르몬 FGF21의 결핍은 간세포에서 TFEB 활성을 손상시켜 오토파지-리소좀 기능을 망가뜨리고 지질 축척을 증가 시키는데, 이는 FGF21-TFEB 신호전달 축, 리소좀 기능, 지질 대사 간의 영양분 감지 호르몬 연결고리를 설명한다. 흥미롭게도, 신경내분비 신호가 오토파지를 조절할 뿐만 아니라, ATG 유전자들도 특정 그룹의 신경세포에서 대사와 섭식 행동을 조절하는데 작용할 수 있다. 시상하부 proopiomelanocortin (POMC) 신경 세포에서 특정 ATG 유전자들의 제거는 비만증, 글루코스 과민증, 과식증을 일으킨다. 제안된 메카니즘은 렙틴 저항성과 melanocyte-stimulating hormone의 분비의 결함에 연관되어 있다. 오토파지 유도, lipophagy의 특이적 활성자, ATG 유전자들의 항비만 기능 조절이 비만과 연관된 대사 질환 때문에 생기는 치명성을 감소시키는 데 유용할 수 있을지 결정하기 위해서는 추가적인 연구들이 필요하다. 최소한 생쥐에서 영양 간섭과 물리적 운동은 ATG 유전자 관련 메카니즘을 통해 호의적인 대사 효과를 나타낸다. 고지방 식단에 의한 췌장 세포의 상실에서 간헐적 단식의 효과는 오토파지를 결핍하는 Lamp2a-/-과 Becn1+/- 생쥐에서 상실된다. 게다가 비만증, 지방 수준, 글루코스 생성, 나이/비만 관련 대사 결핍에서 먹이를 주는 시간 간격의 증가 효과는 Atg7의 KO 동물의 다른 기관들(POMC 신경세포, 간세포, 백지방 세포, 골근)에서 손상된다. 고지방 식단 유도 글루코스 과민증으로부터 보호 효과를 내기 위한 지속적 운동 효과는 Beclin1과 상호작용을 막는 Bcl-2 변이 때문에 오토파지를 증가할 수 없는 생쥐에서는 나타나지 않는다. 물리적 운동은 TFEB를 근육 섬유 핵으로 이동 시켜, 글루코스 트랜스포터, 해당 효소들, 다른 대사 관련 유전자들의 발현을 변화시킴으로 근육이 적응하게 한다. TFEB 활성화가 운동 유도 오토파지 유도에 연관되어 있는지는 아직 모르지만, 운동 중 인슐린 감지와 글루코스 항상성을 조절하고 오토파지-리소좀 기능의 조절하는 이중적 역할은 매우 흥미롭다. 따라서, 대사 질환을 억제하는 데 중요한 라이프스타일 변화는 최소한 부분적으로는 오토파지를 통해서 그런 효과를 나타낼 것이다.

5.5. 수명에서 오토파지

효모, 초파리, 벌레, 생쥐를 이용한 유전자 연구들은 ATG 유전자들이 칼로리 제한, 인슐린 신호전달의 기능 상실, 다른 보존된 수명 패러다임에 필수라는 것을 보여주었다. 전신 오토파지 유도는 벌레, 초파리, 생쥐에서 항노화 효과를 일으키고 오토파지가 강화된 유전자 조작 생쥐는 수명 증가, 인슐린 민감도 강화, 근육 능력 강화, 감소된 심장과 신장섬유증, 감소된 특발적 암생성을 보여주었다. 흥미롭게도, 장수하는 사람들의 자손은 T 세포에서 활성으로 인한 오토파지 강화를 나타냈고 면역반응이 우수하였다. 오토파지는 세포기관 질적 조절과 항상성(mitophagy, aggrephagy, lipophagy, lysophagy 등 선택적 오토파지)을 개선, 인슐린 민감도 강화, 줄기세포 유지, 유전체 안정성 강화 등을 통해서 노화를 억제할 수 있다. 흥미롭게도 특정 조직에서 조직 특이적 오토파지는 조직간 상호작용을 조절함으로서 수명증가 효과를 나타낼 수 있다. ATG 유전자들은 수명을 증가 시키지만 오토파지와는 독립적 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 분비나 세포밖유출을 통해 조직간 상호 작용에 기여할 수 있을 것이다.

오토파지 유전자 발현과 리소좀 기능은 벌레, 초파리, 포유동물에서 노화에서 따라 감소하고, 나이에 따라 오토파지 역량은 감소한다. 이러한 노화 관련 감소는 노화 자체에 영향을 줄 수 있고 신경퇴행 질환 및 암 같은 노화 관련 질환의 발달에 영향을 줄 수 있다. 비만에 의한 오토파지 억제 이외에, 어떤 요소들이 이러한 노화 관련 감소에 영향을 주는지는 아직 모른다. 오토파지-리소좀 경로의 각각의 단계에서 노화 관련 감소의 분자 메카니즘은 앞으로의 오토파지 연구에서 흥미로운 분야가 될 것이다.

6. 결론

포유동물에서 오토파지 유전자들은 오토파지뿐만 아니라 다양한 세포 생물학적 경로에 작용하여 노화와 광범위한 질병에 대해 보호 기능을 나타낸다 (그림 3). 따라서 이 유전자들의 변이들은 인간의 질병 생성에 연관되어 있다.


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그림 3. 오토파지 유전자들의 다양한 기능은 포유동물 질병에 영향을 준다.
그림은 생쥐 실험과 인간 유전자 연관 분석을 바탕으로 오토파지의 주요기능과 연관된 질병들을 나타낸다.

 

질병 생성의 몇 가지 일반적 메카니즘은 이러한 연결에서 보여준다.
  (1) 마이토파지를 조절하는 유전자 PARKIN과 PINK1의 변이들은 유전성 파킨슨병에 원인으로 알려져 있으며 암에서도 발견된다. 이 변이들이 세포 ROS 축척이나 cGAS/STING 의존적 염증신호를 일으키는 미토콘드리아 DNA 축척을 통해 마이토파지를 손상시킨다고 알려져 있다.
  (2) p62/SQSTM1, optineurin, TBK와 같이 오토파지 어댑터 단백질 혹은 이들을 활성화하는 인산화 효소들은 가족성 ALS, FTD, 녹내장에 영향을 주는데, 이는 선택적 오토파지의 결핍이 질병원인임을 암시한다.
  (3) 리소좀 기능을 간섭하는 유전자 변이는 오토파지를 간섭하고 LSD, 알츠하이머병, 파킨슨병을 일으킨다.
  (4) 오토파고좀-리소좀 융합을 간섭하는 유전자에서 변이는 종종 선천성 신경발달 질환과 연관되어 있다.
  (5) 단백질 카고의 축척을 일으키는 유전자 변이들은 오토파지의 분해 능력을 넘어서 단백질 독성과 퇴행을 일으킨다.
  (6) 핵심 오토파지 혹은 선택적 오토파지의 돌연변이들은 암 발생 확률을 증가 시킨다.
  (7) 손상된 마이토파지, 강화된 염증복합체 활성, cGAS/STING에 의한 인터페론 신호전달의 결과로서 비정상적 염증신호는 오토파지 유전자 변이들과 연관된 질병(크론병, 파킨슨병, SLE)을 일으키는 공통된 다운스트림 이벤트를 나타낸다.
  (8) 크론병 같은 특정 질환은 임상 표현형으로 수렴되는 경로들을 동시에 간섭하는 유전자들(ATG16L1, CALCOCO2/NDP62, GPR65, IRGM, LRRK2, NOD2)의 변이 혹은 다형성에 연관되어 있다. 이러한 유전적 연결들은 오토파지 경로들이 다른 세포 타입과 항상성 프로세스에 넓게 영향을 미친다는 것을 보여준다.

결국, 치료를 위해서는 변이된 단백질의 기능을 복구하거나, 유전자 변이에 의한 다운스트림 병리적 결과를 되돌리거나, 오토파지 활성 및 리소좀 기능을 향상시켜야 할 것이다. 오토파지 및 리소좀 기능을 손상시키는 유전자 변이를 가진 쥐에서의 전임상 실험은 오토파지 경로에서 결함 때문에 생긴 질병에 적합한 치료 방법을 결정하는데 유용할 것이다. 게다가, 오토파지 관련 서브루틴을 선택적으로 강화하거나, 억제하는 것이 간접적으로 다른 서브루틴에 영향을 주어 ATG 단백질에 관련된 경로의 치료에 호의적 방향으로 이끈다는 흥미로운 가능성도 제시되고 있다.

 

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이승규(2020). 질병 관점에서 본 오토파지 유전자들의 생물학적 기능들. BRIC View 2020-R31. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3615 (Sep 29, 2020)
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