논 / 단 신경재생연구의현재와미래 조용철 고려대학교생명과학과 E-mail: ycho77@korea.ac.kr 서론인간을포함한고등동물은다른생물종에서볼수없는특화된시스템으로신경계를지니고있다. 신경계를통해동물은기초생명활동을위한호흡 / 운동 / 감각인지로부터, 기억 / 학습과같은고등기능을수행할수있다. 개체의생명이유지되는동안신경계는그구조와기능을온전히유지해야하며, 만일신경계가내 / 외적원인으로인해손상당하거나, 퇴행이진행되면지속적인통증유발및영구적기능상실등으로인해생명유지가불가능해지는상황에이르게될수있다. 신경계를이루는최소단위의하나인신경세포는, 다른세포에서찾을수없는독특한고유구조를가지고있다. 신경세포의 axon( 축삭 ) 이그러한특이구조중하나인데, 이는신경세포체로부터가늘고길게뻗어나와, 목표부위에연접을이루어전기생화학적신호전달을담당한다. 경우에따라 axon은짧게는수십 micrometer에서길게는수백 centimeter에달하며, 세포체와함께단하나의세포로서구조를완성한다는점이특이사항이다. Axon은신경세포의기능유지를위해필수불가결하여, 평생그구조를안전하게유지하여야한다. 그런데이렇게가늘고긴 axon이신체의각부위에뻗어있음으로인해, axon은다양한내 / 외 부적손상요인에노출될위험이커지게된다. 척추동물의신경계는뇌와척수로구성된중추신경계와그이외의신경계인말초신경계로간략히나눌수있는데, 이둘의신경계는손상에대한반응및그결과가서로상이하다. 일반적으로손상이후어느정도자발적재생이가능한말초신경과는다르게, 중추신경은손상에실패하여많은경우신경세포퇴행및사멸, 그에따른영구적기능상실이초래된다. 이와관련한흥미로운현상중하나로, 척수신경뒤뿌리절 (DRG, dorsal root ganglion) 신경의재생과정을예로들수있다. DRG neuron은 pseudo-bipolar neuron으로, 두개의 axon을뻗고있는데, 하나의 axon 은말초신경계로다른하나는중추신경계로뻗어목표조직에연접을이루고있다. 그런데이 DRG neuron의경우말초신경계에속하는 axon이손상당하면일정시간이내에자발적인재생이어느정도이뤄지는반면, 같은신경세포의중추신경계 axon이손상당하면재생속도가현저히떨어지며, 대부분의경우자발적으로완전하게재생하지못하고기능을상실하게된다. 이렇게하나의신경세포에서조차어느신경계에속하느냐에따라손상이후전혀다른결과를보이게된다. 이러한차등적재생능력의원인을이해하는것이신경재생과정을밝히기위한연구의시작점의하나로서, 만일 01 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter 말초신경계의재생원리를이해하면이를응용하여중추신경의재생을향상시키는방법을찾을수있을것이다. 이러한연구가지난 30여년에걸쳐서활발히진행되어왔는데, 이는크게세가지관점으로정리할수있다. 말초신경계와중추신경계의비교연구를통해현재까지확립한재생의성공조건은, 1) 신경외재적요인 2) 신경내재적요인 3) 흉터 (scar) 형성억제등이주요요건이다. 신경외재적요인의연구초기단계에진행된신경재생연구의가장중요한업적은, 중추신경계에서손상이후작용하는방해물질에관한연구이다서론에서언급한바, 중추신경은대부분의경우손상이후 axon이재생하지못하여기능회복에실패하는데이때, 신경계의손상부위의 myelin 에서 axon의생장을방해하는단백질들이작용하여손상 axon의재생을억제하게된다. 대표적인물질들로는 Nogo, MAG(myelin-associated glycoprotein), 그리고 OMgp(oligodendrocyte-myelin glycoprotein) 등이주요방해물질로서밝혀졌다. 이러한방해물질들은신경세포에존재하는수용체에결합하여, 신경세포내의신호전달기작을활성화시키는데, 가장잘알려진신호전달과정은 small GTPase중하나인 Rho-A를활성화시켜서, 세포골격근재배열유도에따른 axon 수축 (axonal retraction) 을유발하게되고이것이재생 axon의생장을방해하는주요원리로밝혀졌다 [1]. 이러한발견을기초로 2000년전후에걸쳐많은연구자들이방해물질들의기능을억제시켜서재생을촉진하는연구성과를발표하였다. 이분야의대표적연구자로스위스취리히대학의 Dr. Martin Schwab이있는데, Dr. Schwab 은방해물질들가운데에 Nogo-A에대한 monoclonal antibody를만들고이를척수손상동물모델에서시험한결과, 척수신경이손상이후어느정도향상된재생능력을보인다는것을보고하여전세계의이목을끌었다. 이후많은연구자들이독립된연구방법을통해, 방해물질을중화또는없애는방법을이용하거나또는방해물질로인한신호전 달기작과정을방해하는방법을이용하여신경재생을촉진시키는접근방법을시도하게된다. 그런데 2003년에저널 Neuron에독립된세그룹의유사한연구결과세논문이연달아발표가되는데, 흥미롭게도 Dr. Schwab을포함한두그룹의연구결과는손상된척수신경이 Nogo 유전자의 knockout에의해재생능력이향상됨을보고하였지만, Dr. Marc Tessier-Lavigne의그룹에서는 Nogo deletion 의경우에도별다른재생능력향상을확인할수없다는연구결과를발표함에따라, 논란이일게된다. 이후많은연구를통해, 중추신경의손상이후발생하는방해물질을통한신호전달기작이신경의재생을억제하는것은분명하지만, 방해물질의제거만으로재생능력자체를향상시킬수는없다는잠정적결론에이르게된다. 이러한결론에도달하기까지관련된연구결과몇가지가있었는데, 그중에서 2010 년 Neuron에 Dr. Lee가제 1저자로발표한논문이가장중요한연구보고이다 [2]. 이연구그룹은가장주요한재생방해물질 Nogo, MAG, OMgp 세유전자모두를 knockout 시킨생쥐에서재생능력을조사해보았는데, 이렇게주요방해물질모두를결손시킨생쥐에서조차별다른재생향상이관찰되지못함을결론내리며, 신경외재적요인의제어를통한재생향상연구의중요한전환점을열게된다. 신경내재적요인의연구신경의외재적요인을연구함으로써재생을향상시키는접근법이한창진행되던시기에, 일군의다른연구그룹에서는, 자발적으로어느정도재생이일어나고있는일부의신경계손상모델에주목하고, 신경세포자체가가지고있는재생능력을향상시키는방법을찾는시도를진행하게된다. Dr. Zhigang He가이끄는 Harvard 의과대학연구팀은 Dr. Park을제 1저자로하여저널 Science에논문한편을발표하게된다 [3]. 이논문에서연구팀은 PTEN 유전자를 knockout시킨생쥐의시신경재생능력이월등하게향상되는것을보고하였다. 시신경은중추신경의하나로, 자발적재생이거의불가능한신경이다. 이런이유로일단시신경이손상당하면, 대부분의경우재생에실패하여영구 웹진 2015 ㅣ 2 02
논 / 단 적기능상실을초래한다. 이연구팀은, mtor의 negative regulator인 PTEN을결손시키면, 재생을방해하는물질의제거없이도, 신경자체가지니고있는재생능력을향상시켜서재생을촉진시킬수있다는가능성을확인한것이다. 이후 Dr. He 연구팀은재차후속결과를발표하게되는데, SOCS3를결손시키거나, SOCS3와 PTEN을함께결손시키게되면재생능력이향상되거나 synergetic하게향상된재생능력을확인할수있다는결과를발표하게된다 [4][5][6]. 특히이연구그룹의일원이던 Dr. Kai Liu는최근연구발표를통해, 척수신경손상이후 1년이지난뒤에 PTEN을결손시키면척수신경의재생이다시시작되어어느정도재생이이뤄진다는결과를발표하여, 신경은내재적재생능력을지니고있고이능력은몇가지유전자조작을통해검증될수있음을보고하였다 [7]. 이처럼, 중추신경과말초신경의서로다른재생능력은각각이처한주변환경의차이때문만이아니고, 신경의재생프로그램이활성화되는원리자체가다르거나그활성화정도가다름에기인한다고볼수있다. 신경내재적연구를통한재생능력향상연구가주목을받아감에따라, 많은연구그룹은신경의손상과정에서발생하는신호전달기작을연구하며관련된핵심단백질들을발굴하고관련된하위유전자들을찾는연구가이후활발히진행되게되어현재에이르고있다. 한예로, Washington University의 Dr. Cavalli 연구그룹은 2013년연구발표를통해, 대표적인말초신경의하나인감각신경세포에서, axon 의손상에의해후생유전학적변화 (epigenetic regulation) 가일어나서 histone단백질들의아세틸화정도가변하게되고이에의해일군의유전자들이단계적으로활성이변화함을보고하게된다 [8]. 직후 Dr. Giovanni가이끄는다른연구그룹에서, 유사한결과를보고하게되는데, 단백질의아세틸화를담당하는단백질의하나인 PCAF의조절을통해 axon손상이후 histone 단백질의아세틸화가증가하고이에따라재생과관련된유전자들의발현이변화함을보고하게된다 [9]. 이러한연구결과는신경세포의재생을연구함에있어, 새로운시각을제시하게되는데, 신경의손상이일종의세포스트레스의하나로작용하여, 특정의신호전달기 작을활성화시키게되고, 이에따라신경세포의유전자발현양상을변화시켜서손상된신경세포가재생을개시할수있는상태로전환됨을암시한다. 내재적신경재생프로그램앞서서술한바와같이, 신경재생연구는주로외재적요인의연구가먼저진행된이후, 점차신경내재적요인의새로운사실들이밝혀지면서그폭이넓어지고있다. 그런데이러한지식의확장과새로운접근방법의제시에있어, 몇가지중요한연구결과보고가큰공헌을하였고, 그에따라신경세포에재생프로그램이존재함이증명되었다. 먼저 1997년 Duke University의 Dr. Smith와 Dr. Skene은논문을통해, 신경세포의 pre-conditioning paradigm 을제시하였는데, 이연구결과는이후신경세포의내재적재생프로그램의존재여부를연구하기위한초석이되는패러다임이된다 [10]. 이연구그룹의보고에따르면, 감각신경세포가 1차손상에의해어느정도자발적재생을소극적으로시작하게되는데, 만일같은신경세포가 1차손상이후일정기간이내에 2차손상을당하게되면 1차손상에의한재생시보다훨씬더빠르고능동적으로재생을하게됨을보고하였고, 이렇게 1차손상에의해신경세포의상태가전환되는과정에서유전자발현을관장하는신호전달이필수적임을증명하였다. 즉, 자발적인재생이가능한신경세포의경우, 1차손상이신경세포의유전자발현양상을변화시키고, 이변화에의해신경세포의생장상태가전환된다는것이다. 그리하여, 상태가전환된신경세포가두번째손상을겪게되면이후더빠르고적극적인재생을이룰수있다는점이다. 이연구결과에의해, 많은신경재생연구자들이신경의손상이후어떠한신호전달프로그램이작동하여신경세포의유전자발현을변화시키고, 그것이어떻게신경세포의상태를전환시키는지연구를하게되는데, 그과정에서 Jak/STAT pathway, mtor/pten pathway, JNK/ c-jun pathway 등이손상에의한신경세포상태전환의핵심기작임이밝혀지게된다 [11]. Dr. Smith와 Dr. Skene의연구및이후의많은연구에의해, axon의손상이신경세 03 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter 포의유전자발현양상을변화시켜서신경세포의상태전환이일어남은확인되었으나, 이과정을관장하는최상위신호조절인자는오랜시간동안밝혀지지않았다. 그러던중, 2012년 Washington University의 DiAntonio그룹의연구결과에의해 DLK(dual leucine zipper kinase, MAP3K12) 단백질의역할이규명되면서신경재생연구의새로운전기를맞이하게된다. 이그룹의연구은신경손상에따른 JNK c-jun pathway의활성화, STAT3 pathway의활성화를제어하는상위신호전달단백질이 DLK임을증명하였고, DLK가결손된생쥐의경우 1차손상이후 2차손상이발생해도재생능력이향상되지못함을보고하였다. 즉, 손상이후신경세포를재생상태로전환시키는과정에서이를관장하는물질이 DLK이며, 이단백질의작용에의해하위신호전달물질들이활성화되어최종적인상태전환이유도된다는것이다. 세포체및세포핵은자신으로부터멀리떨어져있는 axon에서발생한손상을인지하고이에반응하여유전자발현양상을전환하여야하는데, DLK는이과정에서 역방향손상인지신호 (retrograde injury signaling) 을제어하여, axon에서발생한손상정보가세포체에전달하게관장하여신경세포는유전자발현양상을변화시키게된다. 즉, 손상을인지하여신경세포의상태를전환하는핵심단백질로서 DLK가작용하고있음을증명하였다 [12]. 특이하게도, DLK 단백질은신경세포의 axon 생장을관장하는중요역할을수행하지만동시에신경의세포사멸및 axon의퇴행에도동시에관련되어있다는점이다 [13]. 이에향후신경세포의내재적재생프로그램의핵심원리를규명함에있어 DLK에대한연구가더욱가속화될것으로전망된다. 제 3의접근방법신경손상극복에있어빼놓을수없는것이줄기세포를응용한세포치료방법이다. 앞서살펴본외재적방법 / 내재적방법을연구하여재생을향상시키는방법은분명히지난 20여년에걸쳐서괄목한성과를내어왔고, 어느정도재생향상의가능성을제시하고있음은명확하지만, 기능회복에이르기에는턱없이부족한것또한사실이다. 신경손상 에따른통증및마비는환자의일생에걸쳐서삶의매순간극심한정신적 / 육체적고통을유발하고, 현재까지치료법이전무한상황이기때문에, 짧은시간내에강력한효과를보이는치료법이아닌한환자의증상이나아질가능성이거의없는것이사실이다. 이러한상황에서현재까지, 신경의재생이라는측면만놓고볼때가장성공적인재생결과를보이고있는것이바로줄기세포응용치료이다. 이분야의두각을나타내는선두그룹은 UCSD의 Center for Neural Repair 연구소소장 Dr. Mark Tuszynski이다. Dr Tuszynski는알츠하이머와같은신경퇴행성질환치료연구뿐만아니라, 줄기세포를이용하여척수손상을재생시키는연구를활발히진행하고있으며, 세계가주목할만한성과를발표하기도하였다. 이그룹의연구성과를보면, 신경세포로분화시킨인간줄기세포를면역부분무력화시킨실험쥐의척수손상부위에이식한결과, 엄청나게많은 axon이손상부위를넘어자라나고있음이확인된다. 이것은현존하는어떤다른방법을사용했을때보다도월등한재생능력을보인것이며, 신경손상에의한마비를극복할수있을지도모른다는희망을제시한결과이다 [14]. 그런데, 이후다른연구실에서의검증실험결과몇가지심대한문제점이발견되었는데, 첫째로이식한줄기세포가원거리이동을하여이식부위가아닌다른곳에자라게됨이관찰되었고, 둘째로줄기세포치료에의해 axon이많이잘자라났음에도불구하고기능적향상이생각만큼크지않았다는문제가드러났다. 이러한사실은, 줄기세포치료방법이만능의해결이될수없음을암시하며, 신경재생을완성하기위해서는여전히신경외재적 / 내재적연구를통한근원적접근이필요함을말해주고있다. 다른접근방법으로큰성과를내고있는연구그룹으로서, 독일의 Dr. Frank Bradke가이끄는신경재생연구단을주목할필요가있다. 이연구그룹은오랜시간동안, 재생이잘되는 axon과그렇지못한 axon의구조적차이를연구하여, 재생이잘되지못하는 axon의경우손상된 axon말단의세포골격근단백질의배열이망가져있음을밝혔다. 이에주목한연구그룹은, 세포골격근재배열에영향을주는 FDA 승인약물 Taxol을실험동물에처리한결과, 손상된 웹진 2015 ㅣ 2 04
논 / 단 척수신경의재생이촉진되며기능적향상까지이룰수있다는사실을보고하였다. 이후해당연구그룹은연구를지속발전시켜서, Taxol과비슷한다른약물인 Epothioline B를처리해도유사한재생향상과기능회복이이뤄짐을보고하여, 신경재생연구의새로운방향을제시하고있다 [15][16]. 결론신경손상에따른통증및마비는환자개인뿐만아니라환자의가족의삶에까지지대한영향을끼지게되며, 현재까지이를극복할명쾌한해결책이존재하지않음에더욱문제의심각성이크다고하겠다. 지난 30여년에걸쳐서, 신경의재생원리를밝히고이를응용하여신경손상을극복하려는연구가꾸준히성장하여왔으며, 응용을더욱확장하여신경퇴행성질환의극복에적용하는상화에이르고있다. 손상에의해신경세포내외부에서발생하는신호전달기작및유전자발현변화를연구하고, 신경재생프로그램의근본원리를탐구하여재생을향상시키는연구가전세계적으로진행되고있으며, 아직까지느리지만중요한생물학적사실들이점진적으로밝혀지고있다. 우리나라의경우 2014년통계로총 137만여명의환자가지체장애로고통받고있으며, 이가운데에 6만7천여명의환자가척수손상에따른장애를겪고있다. 많이개선되고는있지만, 장애를겪고있는사람에게우리사회는좀더이해와공감을기울여야하며, 장애를발생시키는사고는차별을하지않고다가온다는사실을기억하고지내야함을강조하고싶다. 그리고해당분야의연구를통해, 신경손상에따른마비극복이당장의내일에현실화될수는없겠지만, 이러한연구가진행됨에따라, 많은부분이아직미지의영역으로남아있는신경계에대한생물학적지식이증대되고이를통해생명현상의근원적이해가이뤄지고있다. [ ] 1. Schwab M, Nogo and axon regeneration, Current Opinion in Neurobiology, 14, 118 (2004) 2. Lee et al., Assessing spinal axon regeneration and sprouting in Nogo, MAG and OMgp deficient mice, Neuron, 66, 663 (2010) 3. Park et al., Promoting Axon Regeneration in the Adult CNS by Modulation of the PTEN/mTOR Pathway, Science, 332, 963 (2008) 4. Smith et al., SOCS3 Deletion Promotes Optic Nerve Regeneration In Vivo, Neuron, 64, 617 (2009) 5. Liu et al., PTEN deletion enhances the regenerative ability of adult corticospinal neurons, Nature Neuroscience, 13, 1075 (2010) 6. Sun et al., Sustained axon regeneration induced by co-deletion of PTEN and SOCS3, Nature, 480, 372 (2011) 7. Du et al., Pten Deletion Promotes Regrowth of Corticospinal Tract Axons 1 Year after Spinal Cord Injury, Journal of Neuroscience, 35, 9754 (2015) 8. Cho et al., Injury-Induced HDAC5 nuclear Export Is Essential for Axon Regeneration, Cell, 155, 894 (2013) 9. Puttagunta et al., PCAF-dependent epigenetic changes promote axonal regeneration in the central nervous system, Nature Communications, 5, 3527 (2014) 10. Smith and Skene, A transcription-dependent switch controls competence of adult neurons for distinct modes of axon growth, Journal of Neuroscience, 17, 646 (1997) 11. Liu et al., Neuronal intrinsic mechanisms of axon regeneration, Annual Review of Neuroscience, 34, 131 (2011) 12. Shin et al., Dual leucine zipper kinase is required for retrograde injury signaling and axonal regeneration, Neuron, 74, 1015 (2012) 13. Miller et al., A dual leucine kinase dependent axon self-destruction program promotes Wallerian 05 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter degeneration, Nature Neuroscience, 12, 387 (2009) 14. Lu et al., Long-Distance Growth and Connectivity of Neural Stem Cells After Severe Spinal Cord Injury, Cell, 15, 1264 (2012) 15. Hellal et al., Microtubule Stabilization Reduces Scarring and Causes Axon Regeneration After Spinal Cord Injury, Science, 331, 928 (2011) 16. Ruschel et al., Systemic administration of epothilone B promotes axon regeneration after spinal cord injury, Science, 348, 347 (2015) 저 자 약 력 조용철 1996-2001 서울대학교분자생물학과, 학사 2001-2003 서울대학교생명과학부, 석사 2003-2009 서울대학교생명과학부, 박사 2010-2015 Washington University in St. Louis, 박사후연수 2015-현재 고려대학교생명과학부, 조교수 웹진 2015 ㅣ 2 06