알츠하이머 병과 관련된 타우 단백질의 역할 메커니즘 규명

연구 분야의 트렌드

2015년 보건복지부 자료에 따르면, 2020년에는 전체 노인 인구 중 치매환자의 비중이 10.39%에 육박할 것으로 예상된다. 치매 발병 원인의 70% 이상을 차지하는 것이 바로 알츠하이머 병이다. 알츠하이머 병은 다양한 지적 기능의 상실을 가져오는 퇴행성 신경질환이다. 주로 기억력의 감퇴를 보이다가 점진적으로 병세가 진행되면서 일상적인 사고와 추론이 불가능해지며, 언어 능력을 잃기도 한다. 1000억개가 넘는 신경세포로 구성되어 있는 인간의 뇌는 다른 장기와 달리 일단 손상되면 회복 및 재생이 되지 않는다. 한번 치매로 들어섰다면 신경세포의 사멸이 일어난 후이기 때문에 이전의 온전한 상태로 인지 기능을 되돌릴 수 없다는 것이다. 따라서 그 메커니즘을 이해하여 발병을 예방하는 것이 중요하다. 알츠하이머 병에 걸린 환자의 뇌 조직에서는 1) 베타아밀로이드 단백질이 침착되면서 생기는 노인반 (senile plaque)과 2) 타우 단백질이 과인산화되면서 형성되는 신경섬유다발이라는 특징적인 병변이 관찰된다.

타우 단백질의 역할

신경세포인 뉴런 내부에서는 물질 수송이 활발하게 이루어지고 있다. 세포의 기찻길에 해당하는 마이크로튜불을 따라 신경 전달 물질이 수송되고 있다. 기찻길이 붕괴되면 물자 수송이 멈추듯이 마이크로튜불이 무너지면 세포 물질 수송이 정지한다. 이때 마이크로튜불의 구조적 안정을 유지시키는 기찻길의 못과 같은 역할을 타우 단백질이 담당하고 있다. 만약 타우 단백질에 과인산화가 일어나면, 타우가 마이크로튜불에서 떨어져 나가고, 마이크로튜불은 구조적 안정을 잃어 결국 붕괴하기에 이른다. 결국, 마이크로튜불을 통한 세포 물질 수송이 정지하여 뇌 질환을 야기한다.

타우 단백질과 마이크로튜불 사이의 상호작용 연구

아직까지 과학자들은 타우가 어떻게 마이크로튜불과 결합하는지 그 구조와 상호작용에 대해서 제대로 이해하지 못하고 있다. 하지만 그 작동원리를 분자레벨에서 이해하게 되면 이를 어떻게 제어해야 할 지에 대한 치료 전략이 마련될 수 있다. 우리학과 최명철 교수 연구팀은 미국 UCBS 생물학과, 재료과, 물리학과 연구팀 (Safinya 교수, Wilson 교수, Feinstein 교수)들과 공동으로 가속기 X-선 산란 장치와 전자현미경 방법을 적용하여, 타우 단백질이 마이크로튜불의 구조와 상호작용을 제어한다는 것을 규명하였다. 앞서 발표한 2016년 Nature Communications 논문과 2015년 PNAS 논문에서는 마이크로튜불 사이의 거리에 따른 타우의 상호작용을 밝혔다. 즉, 타우가 원거리에서는 척력을, 근거리에서는 인력을 유도한다는 새로운 사실을 밝혔다. 올해 9월에는 Biochimica et Biophysica Acta 논문에서는 마이크로튜불을 구성하는 프로토필라멘트의 수를 13개에서 15개까지 조절하는 타우의 역할뿐만 아니라, 마이크로튜불 간의 상호작용을 조절하여 bundle-to-nonbundle transition을 유도하는 분자 스위치로서의 역할 또한 보고하였다. 위 연구를 통해 치매 단백질과 약물 그리고 마이크로튜불의 상호작용에 대한 이해의 폭이 증가할 경우, 알츠하이머 혹은 파킨슨병의 일종인 FTDP-17과 같은 치매의 치료에 다양하게 적용될 것으로 기대된다.

앞으로의 연구 계획

최명철교수: “타우를 보는 연구 (Seeing Tau)”가 알츠하이머 연구의 breakthrough를 가져올 것이다. ‘본다(seeing)’는 것의 의미는 구조를 측정한다는 의미뿐만 아니라 상호작용을 측정한다는 의미도 포함한다. 일반 단백질이 2, 3차 구조를 가지고 있는 것과는 달리 타우는 미접힘(unfolded) 단백질이기 때문에 구조를 관찰하는데 어려움이 있다. 이를 극복하는 도전적 아이디어가 현재 정문술 빌딩 10층 연구실에서 한창 진행 중이다. 아직 아무도 밟아보지 않은 길을 걸어가야 하는 어려움도 있지만, 인류가 당면한 난제인 알츠하이머 병의 핵심 단백질을 X-ray/neutron scattering이라는 frontier technique으로 분자레벨에서 구조와 상호작용을 연구한다는 자부심이 있고, 이런 새로운 시도에 과감히 도전하는 연구실 학생들 (정대웅, 이수호, 이준철, 이지민, 조하새암, 장현우, 이재희)과 함께 연구하는 즐거움이 있다.”

참고자료

C. Choi, P. Chung, C. Song, H. P. Miller, E. Kiris, Y. Li, L. Wilson, S. C. Feinstein, C. R. Safinya (2016), Paclitaxel suppresses Tau-mediated microtubule bundling in a concentration-dependent manner, Biochimica et Biophysica Acta-General Subjects

Chung, C. Song, J. Deek, H. P. Miller, Y. Li, M. C. Choi, L. Wilson, S. C. Feinstein, C. R. Safinya (2016), Tau mediates microtubule bundle architectures mimicking fascicles of microtubules found in the axon initial segment, Nature Communications, 7 12278

J. Chung, M. C. Choi, H. P. Miller, H. E. Feinstein, U. Raviv, L. Wilson, S. C. Feinstein, C. R. Safinya (2015), Direct force measurements reveal protein Tau confers short-range attractions and isoform-dependent steric stabilization to microtubules, PNAS 112 E6416

작성자: 정문경