도파민 신경세포의 새로운 보호 메커니즘 규명
(A, B) 면역블롯 실험을 통해 인산화된 PAK4(pPAK4)와 PAK4 단백질 발현이 감소돼 있음을 확인
(C) 정상인의 중뇌 조직과 파킨슨병 환자(PD)의 중뇌 조직에서 도파민 신경세포의 마커인 티로신 수화효소(TH)와 PAK4를 이중염색한 결과
(F) 파킨슨병 환자의 도파민 신경세포에서 pPAK4/PAK4의 수치가 정상인에서 보다 높게 나옴
(A, G, H) 뇌 수술을 통해 쥐 선조체(Striatum) 부위에 활성형의 PAK4 바이러스 주입 후 4주와 6주에 행동분석한 결과
행동을 분석하기 위해 암페타민 테스트(H)와 실린더 테스트(G)를 실시
활성화된 PAK4 유전자가 발현되면 파킨슨병 동물의 행동이 개선됨
(B, C, D, E) 활성화된 PAK4 유전자를 주입하면, 6-하이드록실도파민(6-OHDA)에 의한 도파민 신경세포의 죽음이 방지되는 효과 관찰
(F) 활성화된 PAK4 유전자를 주입하면, 파킨슨병 쥐에서 도파민(DA)과 도파민 유도체(DOPAC, HVA)의 양의 감소가 억제됨
인산화 효소는 아데노신 삼인산(ATP)의 말단 인산기를 전달해 인산 화합물을 만드는 반응을 촉매하는 효소이며, PAK4 단백질은 6개의 p21-activated kinase(PAK) 인산화효소 중 네 번째로 발견됐으며 세포의 생존에 중요한 역할을 한다.
파킨슨병은 뇌의 흑질에 분포하는 도파민성 신경세포가 점차 소실돼 가는 퇴행성 신경계 질환이다. 노인성 치매와 함께 대표적인 뇌질환 중 하나이나 근원적인 치료법은 현재 없는 상태이다.
연구팀은 도파민 신경세포에 PAK4 인산화 단백질이 존재하고 있으며, 이 단백질은 파킨슨병 환자의 도파민 신경세포에서 정상인에 비해 현저히 감소돼 있음을 밝혔다.
인위적으로 만든 파킨슨병 모델 쥐에서 PAK4 단백질의 발현이 감소돼 있음을 확인했으며, 실험동물 쥐의 도파민 신경세포에서 PAK4 단백질의 발현을 감소시키면 파킨슨병이 쉽게 유발됐다. 이러한 사실을 기반으로 파킨슨병 동물모델에 PAK4 유전자 치료를 시행했을 때 도파민 신경세포 보호 및 행동 개선 효과가 관찰됐다.
특히 이번 연구결과는 파킨슨병의 새로운 치료법으로 세계적으로 관심을 받고 있는 유전자 치료법을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 기존의 약물 치료가 증상의 개선을 목표로 하는 데 반해 PAK4 유전자 치료는 도파민 신경세포가 없어지는 것을 막아주는 근본적인 치료를 목표로 한다. 따라서 이 유전자가 지속적으로 발현되면 장기간에 걸쳐 치료효과가 나타나는 장점이 있다. 또한 약물 치료의 부작용을 보완해 줄 수 있는 병합치료도 가능할 것이다.
김응국 교수는 “이 연구는 파킨슨병 동물 모델에서 PAK4 유전자 치료 효과로 도파민 신경세포가 보호됐을 뿐 아니라 개체 수준에서 파킨슨병의 특징적인 행동 이상이 개선되는 효과가 있음을 밝힌 것이다. 향후 후속 연구를 통해 PAK4 유전자 치료법을 사람에게 적용할 수 있다면 파킨슨병의 예방 및 치료에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구성과는 미래창조과학부와 한국연구재단의 기초연구사업(선도연구센터지원사업)의 지원을 받아 수행됐으며, 사이언스 트랜스레이셔널 메디슨 11월 30일자에 논문명 ‘Nigral dopaminegic PAK4 prevents neurodegeneration in rat models of Parkinson’s disease‘, 김응국 교수(교신저자, 충북대), 원소윤 초빙조교수(제1저자, 충북대)로 게재됐다.