[정신과] 노인정신장애의 분자 유전학

Molecular Genetics of Neuropsychiatric Diseases in the Elderly

 

                                                      

                                                           순천향대학병원   우 성 일

 

 

우선, 알쯔하이머 병Alzheimer's Disease에 대한 분자 유전학적인 연구의 성과는, 1984년에 Glenner 와 Wong이 알쯔하이머 병 환자의 뇌조직(뇌혈관벽에서)에서 베타 아밀로이드 펩티드(이하 Aβ)를 분리하고 그 펩티드의 서열을 분석한 후, 1987년에 Kang 등이 아밀로이드 전구 단백질Amyloid Precursor Protein (이하 APP)의 유전자를 클로닝하는 돌파구를 연 이래로, 지난 20년 정도의 기간 중에 놀라울 만큼 축적되었다. 조발성의 가족성 알쯔하이머 병을 초래하는 세개의 유전자들 - APP 유전자, 프리씨닐린 1 presenilin 1 (이하 PS1) 유전자와 프리씨닐린 2 presenilin 2 (이하 PS2) 유전자에 존재하는 돌연변이들과, 알쯔하이머 병 환자의 뇌에 나타나는 병리적 소견의 생성 과정에 대한 유전학과 분자 생물학적인 연구 결과들은 알쯔하이머 병 환자의 임상적인 증상의 기저에 존재하는 기전을 깊이 이해할 수 있도록 하였으며, 새로운 치료제에 대한 전망을 제시하고 있다.

 

또한 픽 병, 진행성 핵상 마비progressive supranuclear palsy, 피질 기저핵 퇴행증corticobasal degeneration과 FTDP-17frontotemporal dementia and parkinsonism linked with chromosome 17 등 여러 질병들에서, 베타 아밀로이드의 침착이 없이 타우tau 병리 및 타우 유전자의 돌연변이가 중요한 병인으로 작용하는 결과들이 최근에 보고 되었다. 이 병들은 전측두엽 퇴행증frontotemporal lobar degeneration (이하 FTLD)으로 통칭되고 그 자체의 중요성은 물론, 여러 치매의 감별 질환으로서 상당히 중요한 의미를 지니고 있다. 특히 FTDP-17이라고 통칭되는 병에서 타우 유전자의 돌연변이들이 다수 발견되어, 타우 단백질이 타우 병이라는 질병 군에 속하는 많은 병들의 병태생리에서 중심적인 역할을 할 것임을 명백히 하였다.

 

루이체를 병리적인 특징hallmark으로 갖는 두개의 질환 즉, 루이체 치매dementia with Lewy bodiws (DLB)와 파킨슨 병은 공통되는 병태생리를 가질 가능성이 있는 데, 가족성의 파킨슨 병을 가진 가계에서 α-synuclein 유전자의 이상이 발견되었다. 헌팅튼 병은 삼핵산 반복 염기의 병인적인 작용이 발견되었고, 가족성 영국형 치매과 가족성 덴마크형 치매의 원인으로 BRI 전구 단백질(BriPP) 유전자의 돌연변이들이 보고 되었다. 또한, CASASIL cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leucoencephalopathy 은 Notch 3 유전자의 돌연변이들이 원인이며, 크로이츠펠트-야콥 병은 프리온 단백질 유전자(PRNP)의 돌연변이에 의해 초래되는 것으로 알려졌다.

 

1. 알쯔하이머 병의 유전학과 분자 생물학

알쯔하이머 병 환자의 대뇌조직에는 신경반neuritic plaque과 신경섬유 농축체neurofibrillary tangle라는 두가지의 대표적인 뇌신경 병리들이 광범위하게 관찰된다. 신경반은, APP의 절편인 Aβ가 신경세포밖에 침착되어 중심core을 이루고 그 주위를 변성된 신경돌기들neurites (축색 및 가지 돌기)이 둘러싸서 생성된 병리이고, 신경섬유 농축체는 과인산화된 타우 단백질이 신경세포안에 응결되어 형성된 병리이다. 또한 전뇌 기저부의 콜린성 신경계의 소실도 알쯔하이머 병 환자의 인지기능 저하를 초래하는 중요한 요인이다.

 

알쯔하이머 병은 조발성과 만발성의 두가지의 형으로 구분이 되는데, 65세를 기준으로 그 이전에 발병하는 조발성 알쯔하이머 병Familial Alzheimer's disease은 가족력이 강하고 세가지의 유전자, 즉 APP, PS1, PS2 유전자 상의 돌연변이들이 원인으로 알려져 있고, 65세 이후에 발병하는 만발성 알쯔하이머 병은 산발적으로 발생하며 APOE(Apolipoprotein E) ε-4 대립유전자가 위험인자로 알려져 있다.

 

가족성 알쯔하이머 병의 원인으로 밝혀진 유전자적인 변이들은, 공통적으로 APP의 생화학적인 대사 과정에 변화를 초래하여 신경반의 중심을 이루는 Aβ의 생성을 증가시키는 기전을 통하여 작용하는 것으로 알려져 있다. 만발성 알쯔하이머 병의 위험인자인 APOE ε-4 가 작용하는 기전은 상대적으로 덜 확실하며 몇가지의 가설들이 제시되고 있다.

 

1) 가족성 알쯔하이머 병의 유전적 원인

 

(1) APP 유전자의 돌연변이들

APP 유전자는 21번 염색체 상에 있으며, 알려진 10여개의 돌연변이는 모두 Aβ 서열의 내부나 인접영역에 위치하며, 가족적으로 발생하는 알쯔하이머 병의 2~3%의 원인을 차지한다고 보고 된다. APP의 유전자에 있는 돌연변이에 의한 알쯔하이머 병의 발생연령은 대략 39세에서 67세까지 분포되나 대부분 50대에 발병하고, 이 돌연변이들은 대개 100%의 투과성penetrance을 보인다(즉, 이 돌연변이를 가진 사람은 적당한 연령에 이르기까지 살기만 하면 알쯔하이머 병에 거의 걸리게 된다). APP 유전자상의 돌연변이들은 <Table 1> 에 열거되어 있다.

                   

Mutations in Codon

Gln665Asp Lys670Met & Asn671Leu Ala673Thr Ala692Gly Glu693Gly Glu693Gly Ala713Val Ala713Thr Ile716Val Val717Ile Val717Phe Val717Gly

Table 1. Mutations in APP Gene

Codon 번호는 아밀로이드 전구 단백질 중 아미노산 770개로 구성된 것을 기준으로 함. Glu693Gln 돌연변이는Hereditary cerebral hemorrhage with amyloidosis of the Dutch type(HCHWA-D)를 유발함. 670/671 부위의 이중 돌연변이는 스웨덴 가계에서 발견되어 Swedish mutation 으로, Val717Ile 돌연변이는 London mutation으로 호칭되기도 한다. 위 돌연변이를 가진 조발성, 가족성 알쯔하이머 병 환자의 발병 연령은 대부분 50대임.

 

알쯔하이머 병 환자의 뇌병리의 하나인 신경반의 중심부위를 이루는 요소로, Aβ 펩티드(분자량은 대략 4 kDa이며, Aβ40와 Aβ42/43의 몇가지 형이 있음)가 있고, 그 중에서도 Aβ42/43형이 알쯔하이머 병에서 더 중요한 의미가 있음이 보고 되어 왔다. Aβ는 대부분의 세포에서 정상 생리적으로 생성이 되지만, 가족성 알쯔하이머 병을 일으키는 돌연변이들(APP, PS1 및 PS2의 돌연변이들)을 가진 알쯔하이머 병 환자들의 혈장에는 Aβ 펩티드들 중에서 서로 응집을 잘 유발하는 Aβ42가 증가하고, 중년기만 되면 거의 모두 알쯔하이머 병과 같은 뇌병리를 보이는 다운 증후군 환자들의 뇌조직의 신경반에서 Aβ42가 Aβ40보다 먼저 증가하며, 만발성 알쯔하이머 병의 위험인자인 APOE ε-4를 가진 경우 환자의 뇌조직내에 Aβ의 침착이 가속화된다고 한다.

 

이러한 사실들은, 알쯔하이머 병와 연관된 것으로 알려진 APP 유전자의 돌연변이 혹은 PS1, PS2 유전자의 돌연변이들이 공통적으로 Aβ42/43 의 증가를 유발하는 생화학적인 경로를 통하여 알쯔하이머 병의 병태생리에 관여하는 것임을 시사한다.

 

APP의 대사와 Aβ의 생성에 대한 위의 소견들에서, APP 유전자상의 돌연변이들이 존재할 때 응집이 잘 되는 Aβ42/43가 증가하고, 알쯔하이머 병환자의 뇌조직에 신경반의 중심을 형성하게 되는 과정을 알 수 있다.

 

(2) Presenilin 1 유전자와 presenilin 2 유전자들의 돌연변이들

14번 염색체 상의 PS1 유전자에 70개 이상의 돌연변이들과 1번 염색체상의 PS2 유전자에 3개 정도의 돌연변이들이 보고 되고 있다. PS1과 PS2 유전자상의 돌연변이들은 가족적으로 발생하는 알쯔하이머 병의 약 50% 정도의 원인을 차지한다고 알려져 있다. PS1 유전자상에 있는 알쯔하이머 병을 초래하는 돌연변이들은 대개 완전한 투과성을 가지고 상염색체 우성으로 유전되며, 알쯔하이머 병의 발생연령은 평균적으로 45세이며, 대부분 32세에서 56세까지 분포된다. PS2 유전자상에 있는 알쯔하이머 병를 초래하는 볼가 독일가계의 돌연변이(Asn141Ile)와 이탈리아 가계의 돌연변이(Met239Val)의 경우, 알쯔하이머 병의 발생연령은 40세에서 85세까지로 PS1 유전자의 돌연변이를 가진 경우보다 넓은 연령대로 분포된다.

 

PS1과 PS2 유전자상에 있는 알쯔하이머 병의 원인 돌연변이들 중, 많은 수에서 1가계에서만 발견되거나 단 1명의 환자에서만 발견되고 다른 가계나 환자에게서는 발견되지 않으므로, 현재까지 알려진 PS들에 있는 모든 돌연변이의 대략 70%는 유전적으로 사적 private 이라고 부를 수 있으며, 그 의미는 PS들에 있는 돌연변이로 인해서 알쯔하이머 병를 가진 새로운 환자나 가계가 발견된다 해도 이들은 이미 기존에 알려진 PS 유전자들의 돌연변이들과는 다른 변이를 가지고 있을 가능성이 높다는 것이다.

PS1 과 PS2 유전자상의 돌연변이들은 <Table 2>와<Table 3>에 열거되어 있다.

 

Table 2. Mutations in Presenilin 1 Gene   

Mutations in Codon	Location
Ala79? Val82Leu Val96Phe Tyr115His Pro117Leu Glu120Asp Met139Thr Met139Val Ile143Thr Met146Leu Met146Val Met146Ile His163Arg His163Tyr Leu171Pro Gly209Val Ile213Thr Ala231Thr Met233Thr Leu235Pro Ala246Glu Ala260Val Cys263Arg Pro264Leu Pro267Ser Glu280Ala Glu280Gly Ala285Val Leu286Val del291-319 Gly384Ala Leu392Val Cys410Tyr	N-term loop TM1 TM1 TM1-TM2 loop TM1-TM2 loop TM1-TM2 loop TM2 TM2 TM2 TM2 TM2 TM2 TM3 interface TM3 interface TM3 TM4 interface TM4 interface TM5 TM5 TM5 TM6 TM6 TM6-TM7 loop TM6-TM7 loop TM6-TM7 loop TM6-TM7 loop TM6-TM7 loop TM6-TM7 loop TM6-TM7 loop TM6-TM7 loop TM6-TM7 loop TM6-TM7 loop TM7

TM : transmembrane 영역. 표1의 APP 유전자의 돌연변이들과 달리, 돌연변이 부위가 presenilin 1 유전자 전체에 골고루 퍼져 있다. 보고된 70여개의 돌연변이중 33개만 표에 제시됨. Presenilin 1 유전자의 돌연변이를 가진 경우 알쯔하이머 병의 발병 연령은 빠르며, 30대와 40대에 대부분 발병한다.

 

Table 3. Mutations in Presenilin 2 Gene

Mutations in Codon	Location
Asn141Ile Met239Val	TM2 TM5

볼가 독일가계에서 보고된 돌연변이(Asn141Ile)와 이탈리아 의 한 가계에서 보고된 돌연변이 (Met239Val)임.

 

2) 만발성, 비가족성 알쯔하이머 병의 유전적 원인

전 알쯔하이머 병의 95%가량을 차지하는 만발성, 비가족성(산발성)의 알쯔하이머 병의 경우, 19번 염색체 상에 존재하는 APOE 유전자 1가지만이 위험인자로 알려져 있지만, 유전적인 작용은 단순하지 않다. APOE 유전자는 3가지의 대립인자를 가지는 데, ε-2, ε-3, ε-4 이며, ε-4 대립인자, 특히 APOE ε-4/ε-4 유전자형이 알쯔하이머 병의 위험인자로 알려져 있다.

 

ApoE는 지방과 콜레스테롤을 세포간, 장기간에 수송하고, 신경세포에도 수송한다(ApoE는 단백질에 대한 표기이고, APOE는 유전자에 대한 표기이다). 이 단백질은 299개의 아미노산으로 구성되고, 112번과 158번째의 아미노산들이, ε-2는 CYS와 CYS, ε-3는 CYS와 ARG, ε-4는 ARG와 ARG로 구성된다.

 

서양인Caucassian 의 경우, 각 대립인자의 빈도는 정상인에서 ε-2는 7%, ε-3는 82%, ε-4는 11% 정도를 차지하고, 산발성의 알쯔하이머 병 환자에서는 각각 3%, 61%, 36% 정도를 차지한다(Table 4). 세가지의 대립인자형의 조합에 따른 각 유전자형의 빈도는 정상인에서, ε-4/ε-4는 1%, ε-3/ε-4는 17%, ε-2/ ε-4는 2%, ε-3/ε-3는 68%, ε-2/ε-3는 11%, ε-2/ε-2는 1%를 차지하고, 산발성의 알쯔하이머 병 환자에서는 각각 13%, 41%, 4%, 39%, 3%, 0% 정도를 차지한다(Table 5). 한국인의 경우는 산발성 알쯔하이머 병 진단이 임상적인 진단에 의거한 수치이므로 병리적인 확진에 의한 결과와는 오차를 보일 가능성이 있다고 하겠으며, 우종인 등에 의하여 보고된 바가 있다.

 

Table 4 Frequency of APOE Alleles in Caucassian Population

APOE	Normal(N=509)	Sporadic AD(N=573)
E2 E3 E4	7% 82% 11%	3% 61% 36%

N : 대조군 혹은 환자의 숫자

 

Table 5 Frequency of APOE Genotypes in Caucassian Population

APOE	Normal(N=509)	Sporadic AD(N=573)
E2/E2 E2/E3 E3/E3 E2/E4 E3/E4 E4/E4	1% 11% 68% 2% 17% 1%	0% 3% 39% 4% 41% 13%

N : 대조군 혹은 환자의 숫자

 

정상 대조군과 알쯔하이머 병 환자군을 대상으로 이러한 APOE 대립인자를 분석한 결과 일관성 있게 보고 된 점들은 다음과 같다. 즉, 알쯔하이머 병환자에서 ε-4 대립유전자의 빈도가 증가되어 있고, ε-2 대립유전자의 감소가 보이며, ε-4 대립인자의 보유개수와 알쯔하이머 병의 발병 연령과는 dose-dependent relationship이 있어 동형 접합형인 ε-4/ε-4 유전자형을 가진 환자의 평균 발병연령이 70세 이하로서, ε-4 대립인자를 하나만 가진 이형접합형인 환자보다 발병연령이 빠르고, ε-2 대립유전자를 가진 환자의 경우는 가장 늦은 발병을 보였다는 것이다.

 

APOE 대립인자형이 앞서 기술한 바처럼 각기 다르게 알쯔하이머 병의 발병에 작용하는 기전을 밝히기 위한 연구들에서 제시되는 가설은 APOE ε-4 나 ε-2 대립인자가 Aβ의 생산, 분포, 또는 제거에 영향을 미친다는 것이다.

 

그러한 가설과 연관된 보고들은 다음과 같다. 하나 이상의 APOE ε-4 대립인자를 가지는 알쯔하이머 병 환자는 ε-4 대립인자를 가지지 않은 환자에 비해서 더 많은 Aβ의 침착이 신경반과 뇌혈관에서 일어났다는 것이다. ApoE와 Aβ모두 LDL receptor-related protein(LRP)을 통해서 제거되고, apoE는 LRP 수용체의 리간드의 하나인데, Aβ는 α2-macroglobulin과 결합하고 LRP 수용체가 매개하는 경로를 통해서 제거된다는 것이며, apoE와 Aβ는 LRP 수용체에 결합할 때 서로 경쟁한다는 증거가 있다.

 

또한, 타고난 APOE 유전자를 그대로 가지면서, 혈소판에 있는 성장인자platelet-derived growth factor의 β-subunit promoter의 유도하에 Val717Phe 돌연변이를 내포한 인간의 APP를 과잉 발현시킨 유전자 변형 생쥐는, 생후 9개월부터 22개월까지 세포바깥에 많은 Aβ의 침착을 보인다. 반면에, APOE를 완전히 제거한APOE -/- background 상태에서 동일한 유전자 조작을 가한 유전자 전이생쥐는 세포바깥의 Aβ 침착이 극적인 감소를 보여, 세포바깥에 Aβ가 모이고 침착하는 데 apoE가 역할을 한다는 가설을 지지하는 보고들도 있다.

 

3) 타우의 유전학과 알쯔하이머 병의 신경섬유 농축체

신경섬유 농축체는 알쯔하이머 병의 두번째로 중요한 특징적인 병리이며, 화염형태로 세포내에 위치하는 원섬유성fibrillar 구조물이다. 신경섬유 농축체는 광학현미경으로 볼 때 항-타우 항체로 염색이 되고, 전자현미경적으로 볼 때는 두겹의 나선형의 미세섬유paired helical filament (이하 PHF)로 구성된다. PHF를 생화학적으로 분석하니 비정상적으로 과인산화된 타우 단백질의 압도적인 구성으로 이루어 진다.

 

타우 단백질은 미세관에 연합된 단백질microtubule associated protein(이하 MAP)로서, 미세관에 결합하고 안정화시킨다. 타우 유전자상의 알려진 모든 돌연변이들은 과인산화된 타우 단백질이 응집된 세포내 포함물inclusion body을 초래하는 데, 알쯔하이머 병에서는 신경섬유 농축체 병리를 초래하고, 다음에 설명될 전측두엽 퇴행증에서도 과인산화된 타우 병리를 초래하는 것이다.

 

인간의 타우 단백질은 염색체의 17q21에 위치하는 16개의 엑손exon을 가진 타우 유전자로부터 생성된다. 엑손들 2, 3 과 10의 대체 스플라이싱alternative splicing 결과에 의하여 총 길이가 352개(최단형)에서 441개(최장형)에 이르는 6개의 타우 isoform들이 성인의 뇌에 생성된다.

 

이 isoform들은 각각 3개씩의 isoform들을 가진 두 군으로 나눌 수가 있는데, 미세관 결합영역(아미노산 반복 서열)을 3개 가졌는가 4개 가졌는가에 따라, 3개인 경우 3R-타우군으로, 4개인 경우 4R-타우군으로 구분되며, 각군에 각각 3개씩의 다른 isoform들이 또한 존재한다. 두 군의 생성 기전은, 엑손 9, 10, 11, 12로부터 각각 발생되는 31개(혹은 32개)의 아미노산 길이를 가진 C-단C-terminal의 tandem 반복 서열들 중, 엑손 10에서 발생될 한 개의 C-단 반복서열이, 대체 스플라이싱 결과로 추가되는지 삭제되는지에 의해 3R-타우 혹은4R-타우군으로 차이가 나게 되는 것이다. 4R-타우 isoform은 3R-타우 isoform에 비교하여, 미세관 결합을 더 잘 촉진하고 미세관 결합 친화력이 더 크다.    

 

3R-타우 혹은 4R-타우군은 각각 3개의 isoform을 포함하는데, 엑손들 2와 3에 각각 1개씩 존재하는 29개의 아미노산을 가진 N-단N-terminal의 삽입서열insert이 0개(0N), 1개(1N)혹은 2개(2N)인가에 따라서 차이가 나는 3가지의 isoform들이 각각 발생된다. 총 타우량에서 0N, 1N, 2N의 타우 isoform은 각기 45%, 37% 및 9%를 차지한다. 타우의 대체 스플라이싱은 발생학적으로 조절되며 태아의 뇌에서는 가장 짧은 형인 3R/0N 타우 isoform만이 발현하나 출생 후 성인까지 뇌에는 6개의 isoform이 모두 발현한다. 말초 신경계에서는 엑손 4a 가 N-단 중간부위에 포함된 isoform - 254개의 아미노산이 추가된 큰 타우 단백질 - 도 발현된다.

 

          

Figure 1 인간의 타우 유전자의 모식도이며 6개의 타우 isoform이 대체 스플라이싱에 의하여 생성된다. 인간의 타우 유전자는 16개의 엑손으로 구성되며 엑손 0은 promotor의 일부이다. 엑손 2, 3과 10의 대체 스플라이싱에 의하여 6개의 타우 isoform이 생성되고, 엑손 6과 엑손 8은 인체의 중추 신경계에서는 전사되지 않는다. 엑손 4a를 가진 타우 isoform은 인체의 중추신경계에는 발현되지 않지만 말초 신경계에서는 발현된다. R1, R2, R3와 R4는 18개의 아미노산으로 구성된 미세관 결합 동기(microtubule binding motif)를 의미한다.

 

위치

 

알쯔하이머 병환자의 뇌 조직에서 나온 두겹의 나선형의 미세섬유를 SDS-PAGE sodium dodesyl sulfate - polyacrylamide gel electrophoresis로 분리하여 본 결과 68, 64, 60 kDa의 크기를 갖는 3개의 주요 band와 72 kDa의 크기를 갖는 얇은 band를 보인다. 탈인산화한후에 SDS-PAGE로 분리하여 보면 6개의 band가 보이며 성인의 뇌조직에서 보이는 6개의 타우 isoform에 해당한다. 알쯔하이머 병 환자의 PHF에서 관찰되는 타우 isoform들의 상대적인 비율은 정상 성인의 뇌에서 보이는 6개의 용해성 타우 isoform들과 유사하다.

 

2. 전측두엽 퇴행증frontotemporal lobar degeneration (FTLD)의 유전학

FTLD는 대개 35세에서 75세 사이에 발병하고, 노년 전기에는 피질성 치매 중 알쯔하이머 병 다음으로 흔하다. 임상적으로 FTLD에 걸린 환자는 행동변화와 언어장애를 기본적으로 보인다. 이 병들은 임상진단 기준의 준비단계를 거쳐 합동 지침이 확정되었으며, 치매증상을 보이는 중요한 질병군이며, 최근 타우 유전자의 이상이 보고 되면서 새로운 조명을 받고 있다.

 

위에서 설명한 대로 타우 유전자상의 알려진 모든 돌연변이들은 과인산화된 타우 단백질이 응집된 세포내 포함물inclusion body을 초래하는 데, 베타 아밀로이드의 침착이 없이 다수의 미세섬유성(실모양) 타우 병리와 뇌세포의 퇴행을 초래하여, 타우가 신경세포 퇴행의 일차적인 원인이 됨을 제시한 병들로서 픽 병, 진행성 핵상 마비와 피질 기저핵 퇴행증이 있다. 픽 병에서는 픽 소체의 주된 성분은 과인산화된 타우이고, 진행성 핵상 마비에서도 신경세포와 아교세포내의 신경섬유 농축체가 나타나며, 피질 기저핵 퇴행증에서는 신경섬유 농축체는 없으나 신경세포와 아교세포내의 실모양 타우 병리를 보인다.

 

또한, 가족형의 타우 병으로서, 베타 아밀로이드의 침착이 없이, 신경세포와 일부 아교세포에서 다수의 미세섬유성 타우 병리를 보이고 뇌세포의 손실(퇴행)을 초래하는 FTDP-17frontotemporal dementia and parkinsonism linked with chromosome 17이 있다.