“단백질 간 ‘소통’이 알츠하이머 독성 완화…분자 수준 첫 규명”

알츠하이머병의 핵심 병리 단백질 '타우'와 '아밀로이드 베타'가 직접 소통하면서 독성을 조절하는 과정이 분자 수준에서 규명됐다. 이는 질환의 조기진단을 위한 바이오마커 발굴과 신경 퇴행성 뇌 질환 치료제 개발에 중요한 단서가 될 것으로 기대된다.

KAIST는 화학과 임미희 교수 연구팀이 한국기초과학지원연구원(KBSI) 이영호 박사 연구팀과 공동연구를 진행해 타우의 미세소관(세포 내 수송로) 결합 영역이 아밀로이드 베타와 직접 상호작용하면서 응집 경로를 바꾸는 동시에 세포 독성을 완화할 수 있다는 사실을 분자 수준에서 규명했다고 24일 밝혔다.

(왼쪽부터) 임미희 교수, 김민근 박사, 이영호 박사. KAIST 제공

알츠하이머병은 신경 퇴행성 뇌 질환이다. 전 세계 치매 환자(5000만명) 10명 중 7명 이상이 알츠하이머병을 앓고 있는 것으로 조사된다. 이 병은 타우의 응집으로 형성된 '신경섬유 다발'과 아밀로이드 베타 조각이 뭉쳐 있는 '아밀로이드 베타 응집체'가 세포 내부와 외부에 각각 축적된 특징을 보인다.

타우는 병리학적으로 신경세포 안에서 영양분과 신호 물질을 운반하는 수송로 역할을 하는 단백질이다. 아밀로이드 베타 조각은 뇌 신경세포 막에 뇌 발달, 세포 간 신호 전달, 신경세포 회복 등에 관여하는 아밀로이드 전구 단백질이 효소의 영향을 받아 비정상적으로 잘린 형태를 말한다.

그간에도 타우와 아밀로이드 베타가 세포 안팎에 공존하면서 상호작용하는 가능성은 제시됐다. 하지만 두 단백질의 직접적인 상호작용이 질환의 발병과 진행에 미치는 영향을 설명할 수 있는 분자 수준의 이해는 명확하게 밝혀지지 않았다.

공동연구팀이 이들 단백질의 상호작용을 분자 수준에서 규명한 것은 세계 최초의 사례다.

공동연구팀에 따르면 타우 단백질은 신경세포 안에서 미세소관에 붙는 구조(K18, R1-R4, PHF6, PHF6) 중 K18, R2, R3이 아밀로이드 베타와 결합해 '타우?아밀로이드 베타 복합체(이종 복합체)'를 만든다.

이 과정에서 아밀로이드 베타는 독성이 강한 딱딱한 섬유(아밀로이드 피브릴)로 쌓이는 본래의 성질과 다르게 타우의 특정 부분이 붙어 독성이 줄어들고, 덜 단단한 형태의 응집체 형성 경로로 전환되는 것으로 관찰됐다.

타우 미세소관 결합 영역과 상호작용에 의한 아밀로이드 베타의 병리학적 특성 변화. KAIST 제공

특히 타우의 반복 구조는 질환 '발병'과 연결되는 아밀로이드 응집(핵 형성단계)을 지연, 질환 '진행'과 관계있는 아밀로이드 베타의 응집 속도 및 구조적 형태를 동시에 변화시켰다. 이러한 과정으로 뇌세포 안팎 환경 모두에서는 아밀로이드 베타가 일으키는 독성 수준이 눈에 띄게 감소했다.

타우의 성질이 아밀로이드 베타와의 결합력·응집 경로·독성 조절 능력을 결정짓는 핵심 요인으로 작용하는 것이 입증된 것이다.

임미희 교수는 "이번 연구는 알츠하이머병 뿐 아니라 다양한 단백질 응집 기반의 신경 퇴행성 뇌 질환에서 치료 표적으로 활용할 수 있는 새로운 분자 모티프를 발굴했다는 점에서 의의를 갖는다"고 말했다.

이영호 박사는 "분자 간 상호작용과 단백질 응집에 관한 다학제적 융합연구는 알츠하이머병과 파킨슨병 사이의 상호작용은 물론 치매·당뇨병·암 등 여러 질환 사이에 상호 연관성을 밝히는 데 중추적 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구는 KAIST 화학과 김민근 박사가 제1 저자로 참여해 수행했다. 연구 성과는 지난 22일 국제 학술지인 '네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr