NDRG1 upregulation by ubiquitin proteasome system dysfunction aggravates neurodegeneration – 유비퀴틴-프로테아좀 시스템 이상이 유도하는 NDRG1 발현 증가와 신경퇴행의 악화

dijw1412c1 2025. 5. 1.

본 리뷰는 Hoshino 등 연구진이 2024년 Molecular Brain 저널에 발표한 논문을 기반으로 합니다. 연구는 근위축성 측삭경화증(ALS)과 같은 신경퇴행성 질환에서 중심적인 역할을 하는 유비퀴틴-프로테아좀 시스템(Ubiquitin-Proteasome System, UPS)의 기능 저하가 어떻게 세포사멸 및 단백질 응집을 유도하는지를 밝히고자 했습니다. 특히 N-myc downstream-regulated gene 1(NDRG1)의 발현 증가가 UPS 기능 저하와 어떤 관련이 있으며, 이러한 경로가 신경세포 사멸에 미치는 영향을 규명하고자 했습니다. 연구는 전사체 분석, 면역염색, 신경세포주를 이용한 세포사멸 실험 등 다각적인 방법론을 사용하였으며, NDRG1이 UPS 이상으로 유도되는 새로운 세포사멸 유도 인자임을 제안하고 있습니다.

연구 배경 및 중요성

단백질 항상성(proteostasis)은 세포 생존에 필수적인 과정으로, 손상된 단백질의 제거와 새로운 단백질의 합성을 조율합니다. 이 과정은 주로 UPS와 자가포식(autophagy) 시스템을 통해 조절되며, 특히 노화나 신경퇴행성 질환에서는 UPS 기능 저하가 빈번히 나타납니다. ALS는 대표적인 예로, 운동신경세포의 선택적 사멸과 단백질 응집이 특징적인 병리입니다. UPS 기능 장애는 ALS 환자 및 모델에서 반복적으로 관찰되어 왔으며, 이는 단백질 응집, 미세아교세포 활성화, 신경세포 사멸 등을 유도합니다. 그러나 UPS 기능 저하가 실제로 어떤 분자 기전을 통해 신경세포에 해를 끼치는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았습니다.

연구 목적 및 배경

이 연구의 목적은 UPS 기능 저하로 인해 유도되는 운동신경세포 손상의 새로운 조절 인자를 밝히는 것입니다. 연구진은 Psmc4 조건부 녹아웃 마우스를 이용하여 UPS 기능이 결여된 운동신경세포를 획득하고, 이들로부터 전사체 분석을 수행하였습니다. 이를 통해 유전자 발현 변화를 추적하고, 특정 유전자가 세포사멸에 기여하는지를 분석하였습니다. 특히 NDRG1 유전자가 UPS 저해에 따라 상향 조절되며, 신경세포의 생존에 부정적 영향을 미친다는 가설을 중심으로 연구가 진행되었습니다.

연구 방법

Psmc4 유전자를 조건부 녹아웃한 마우스 모델(Psmc4 CKO)과 대조군(Psmc4 flox/flox)을 사용
운동신경세포를 레이저 미세절제(LMD)로 분리하여 RNA 추출
Affymetrix Mouse Genome 430 2.0 마이크로어레이를 통한 전사체 분석 수행
NDRG1 발현을 면역염색(immunohistochemistry)으로 확인
Neuro2a 세포주를 이용해 NDRG1 과발현 및 knockdown 실험 수행
WST-8 및 LDH assay를 통해 세포 생존율 평가

전사체 분석에서 총 23개의 유전자가 Psmc4 결손에 의해 2배 이상 발현 변화가 있었고, 그중 NDRG1이 주목을 받았습니다. 이어진 면역염색과 세포 실험을 통해 이 유전자의 발현과 신경세포 사멸의 직접적인 연관성을 확인했습니다.

주요 발견 및 결과

연구의 주요 발견은 다음과 같습니다. 첫째, UPS 기능 저하(Psmc4 결손)는 NDRG1 발현 증가를 유도합니다. 둘째, NDRG1은 세포 내에서 caspase-3 활성화 등을 통해 세포사멸을 유도하며, 이는 UPS 억제제가 유도하는 세포사멸을 더욱 가속화합니다. 셋째, NDRG1 발현이 너무 낮을 경우에도 세포 생존율이 감소하는 것으로 보아, 적절한 발현 조절이 필수적이라는 점이 강조됩니다. 넷째, NDRG1은 p53 신호 경로에 의해 조절될 가능성이 있으며, 이는 ALS, 파킨슨병, 알츠하이머병 등 다양한 신경퇴행 질환에서 관찰된 p53 활성 증가와도 일치합니다.

실험 결과 요약

실험 모델	분석 내용	주요 결과
Psmc4 CKO 마우스	운동신경세포 전사체 분석	NDRG1 포함 23개 유전자 발현 증가
Psmc4 CKO vs WT	면역염색	NDRG1이 운동신경세포에 과발현됨
Neuro2a 세포	NDRG1 과발현	세포사멸 증가
Neuro2a 세포	NDRG1 siRNA 처리	세포사멸 증가 (적정 발현 중요)
Proteasome 억제 실험	lactacystin 및 siPsmc4	NDRG1 과발현시 세포사멸 가속화

이상의 실험은 NDRG1이 UPS 기능 저하에 반응하여 발현되며, 이 발현 증가가 신경세포 사멸을 유도하는 기능적 역할을 한다는 것을 강하게 지지합니다.

한계점 및 향후 연구 방향

NDRG1은 세포사멸을 유도하는 것 외에도, 자가포식 억제, 스트레스 반응 조절 등 다양한 기능을 가진 다면적 단백질입니다. 본 연구는 주로 신경세포 내 세포사멸에 초점을 맞췄지만, 자가포식과의 상호작용, 스트레스 반응 경로와의 교차 등은 추가적으로 규명되어야 합니다. 또한 ALS의 진행성 모델에서 NDRG1의 발현이 말기 단계에서 감소한 이유에 대해서는, 고발현 세포가 사멸했기 때문이라는 해석 외에도 다양한 가능성이 존재합니다. 향후에는 NDRG1을 타겟으로 한 약물 개발 또는 유전자 조절 전략이 ALS 치료의 가능성으로 연구될 수 있습니다.

결론

이 연구는 UPS 기능 저하 상황에서 NDRG1 발현이 증가하고, 이는 신경세포 사멸을 가속화한다는 새로운 분자 기전을 제안합니다. NDRG1은 단순한 바이오마커를 넘어, 신경퇴행 질환에서 병리적 진행을 유도하는 조절 인자일 가능성이 있습니다. 따라서 NDRG1을 중심으로 한 세포사멸 경로의 정밀한 해석은 ALS를 포함한 다양한 신경질환의 기초 연구 및 치료 전략 개발에 중요한 전환점을 제공할 수 있습니다.

개인적인 생각

이 연구는 ALS 모델을 바탕으로 한 전사체 분석과 세포실험을 정교하게 결합함으로써, UPS 기능 저하와 신경세포 사멸 사이의 연결 고리를 분자 수준에서 규명한 매우 의미 있는 연구라고 생각합니다. 특히 단순히 발현 변화 관찰에 그치지 않고, NDRG1을 과발현/knockdown하여 그 기능적 결과를 직접 입증한 점이 연구의 설득력을 높였습니다. 또한 p53 경로, caspase 활성화, 자가포식 억제 등 다양한 경로와의 연계 가능성을 제시함으로써 향후 연구의 방향성도 제시하고 있다는 점에서 인상 깊었습니다. 향후 NDRG1을 조절함으로써 신경세포 사멸을 늦추거나 억제하는 전략이 현실화된다면, ALS 치료에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대됩니다.

자주 묻는 질문(QnA)

Q1. NDRG1은 어떤 유전자인가요?
NDRG1은 N-myc downstream regulated gene 1로, 다양한 세포 스트레스 상황에서 발현 조절되며 세포사멸, 분화, 성장 억제에 관여합니다.

Q2. UPS란 무엇인가요?
UPS는 유비퀴틴-프로테아좀 시스템으로, 세포 내 불필요하거나 손상된 단백질을 분해하는 주요 경로입니다.

Q3. ALS와 UPS의 연관성은 무엇인가요?
ALS에서는 UPS 기능 저하가 흔히 관찰되며, 이는 단백질 응집, 신경세포 사멸 등 병리적 변화와 연관됩니다.

Q4. NDRG1이 ALS에서 중요한 이유는?
UPS 기능 저하 상황에서 NDRG1 발현이 증가하며, 이로 인해 신경세포 사멸이 촉진되어 병이 악화될 수 있기 때문입니다.

Q5. NDRG1을 조절하는 약물이 있나요?
현재까지 임상적으로 사용되는 NDRG1 조절 약물은 없으며, 향후 연구개발이 필요한 영역입니다.

Q6. p53 경로와 어떤 관련이 있나요?
p53은 세포사멸 유도 단백질로, UPS 기능 저하에 의해 활성화되며, NDRG1 발현을 유도하는 경로로 작용할 수 있습니다.

용어 설명

NDRG1: 세포사멸, 성장 억제, 자가포식 억제 등에 관여하는 다기능 단백질
UPS (Ubiquitin-Proteasome System): 유비퀴틴 표지 단백질을 프로테아좀이 분해하는 세포 내 단백질 분해 시스템
ALS (Amyotrophic Lateral Sclerosis): 운동신경세포가 퇴행하는 진행성 신경질환
Psmc4: 26S 프로테아좀의 구성 요소로, 기능 저하는 UPS 기능 이상을 유발
Neuro2a: 마우스 유래 신경모세포종 세포주로, 신경세포 특성을 가지며 실험에 널리 사용됨
siRNA: 특정 유전자 발현을 억제하기 위한 짧은 이중가닥 RNA 분자
LDH assay: 세포막 손상을 반영하는 젖산탈수소효소 측정 분석법
WST-8 assay: 살아있는 세포의 대사활성을 측정하여 생존율을 평가하는 실험
p53: 세포 스트레스에 반응하여 세포주기를 정지시키거나 사멸을 유도하는 전사인자
Autophagy: 세포가 자체 구성 성분을 분해하여 재활용하는 세포 내 자가포식 경로