알츠하이머 질환 아밀로이드-베타 (Aβ) 중합체에 의한 시냅스 독성 및 세포분비 소포체(exosome)에 의한 독성 조절에 관한 연구

Abstract

뇌 신경 네트워크에서 기억의 저장은 시냅스 가소성을 통하여 이루어 진다. 시냅스 가소성은 시냅스 활성에 따른 절전 시냅스와 절후 시냅스 간의 시냅스 연결성이 강화 (LTP)되거나 약화 (LTD)되는 능력이다. 시냅스와 신경 세포의 감소로 인한 점진적 기억력 감퇴 및 인지 능력의 감소로 특정되는 알츠하이머 질환 (AD)은 퇴행성 신경계 질환 중 가장 많은 발생빈도를 보인다. 또한 AD 질환 신경계의 시냅스는 전반적인 시냅스 약화 (LTP 억제, LTD 증가) 현상을 보인다. 따라서, AD 질환에서의 시냅스 가소성 변화의 발생 기작을 연구하는 것은 시냅스에서의 기억 형성을 연구하는데 중요한 단초를 제공할 것이다. AD 연구 결과 시냅스 가소성 악화의 원인물질로써 세포 외부의 노인성 반점 (senile plaque)의 주요 성분인 베타 아밀로이드 (Aβ)가 제시되었다. Aβ는 다양한 형태의 중합체로 존재하는데, 특히나 수용성 Aβ 중합체가 시냅스 가소성의 악화 원인물질로 작용한다. Aβ 중합체가 LTP 억제와 같은 유독한 효과를 나타내기 위하여 니코틴 아세틸콜린 수용체 (α7nAChR), 세포성 프라이온 단백질 (PrPC) 등과 같은 수용체 추정 단백질들과 결합하기 때문에 Aβ 중합체 혹은 수용체들은 AD 치료 기술개발의 대상 물질로써 연구되고 있다. 이러한 노력에도 불구하고, Aβ 중합체의 활성을 조절하는 세포 밖 인자들에 대한 연구는 부족한 실정이다. 뇌는 Aβ 생성과 분해 조절, 중합 과정 조절, 뇌혈관막 (BBB)을 통한 운송의 조절 등 다양한 조절 기작을 통하여 세포 밖 Aβ의 양을 조절한다. 이 연구에서 본 연구자는 exosome으로 명명되는 세포 밖 분비 소포체에 초점을 맞춰 이 소포체에 의한 Aβ의 시냅스 가소성 조절에 미치는 효과를 살아있는 실험동물의 해마에서 연구하였다. Exosome은 엔도좀 (endosome)에서 생성된 작은 크기의 세포 밖 분비 소포체로써 Aβ의 생성 및 분해, 중합 등에 관여하는 것으로 알려져 있다. Exosome이 Aβ와 반응할 수 있는 다양한 성분들이 존재하며, 생체 수용액에 편재해 있음에도 불구하고 Aβ에 의한 시냅스 조절에 미치는 영향에 대한 연구는 이루어 지지 않았다. 본 연구에서는 우선적으로 합성 Aβ 펩타이드를 이용하여 만든 수용성 Aβ 중합체 (ADDL)가 실제로 시냅스 가소성을 억제하는지를 확인하였다. Exosome에 의한 Aβ 중합체의 시냅스 악화 조절을 확인하기 위하여 뇌강 (intracerebroventricularly)에 exosome을 주입하여 그 양을 조절하였다. 이러한 방법을 적용하여 본 연구자는 신경모세포종 세포주 (N2a)와 환자의 뇌척수액 (CSF)에서 분리한 exosome이 Aβ 중합체 (ADDLs 혹은 AD 환자의 뇌에서 추출한 Aβ)에 의한 시냅스 가소성 와해현상을 억제시킴을 in vivo 모델에서 보였다. 생화학적 실험방법을 통하여 이러한 현상이 일어나는 원인이 exosome에 존재하는 PrPC와 같은 표면 단백질들에 의한 Aβ 중합체의 흡착임을 규명하였다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 본 연구 결과는 exosome이 Aβ 중합체의 시냅스 독성 효과를 완화시킴으로써 시냅스의 가소성을 유지시킴을 보였다. Exosome의 활성은 결과적으로 AD 질환의 발생 및 진행에 영향을 미칠 것이며, 인지기능의 변화에도 영향을 미칠 것으로 유추된다.

Over decades, memories have been postulated to be represented in the synaptic network of brain in the forms of synaptic plasticity. The synaptic plasticity is the ability of synapse to strengthen (long-term potentiation, LTP) or weaken (long-term depression, LTD) the synaptic connectivity between presynaptic and postsynaptic compartments in response to the change of synaptic activity. In Alzheimer’s disease (AD), which is one of the most prevalent forms of neurodegenerative disease that is characterized by progressive impairment of episodic memory and cognitive decline with synaptic- and neuronal loss, these forms of synaptic plasticity are severely altered to a direction of depression: impaired LTP and facilitated LTD. Therefore, elucidating the underlying mechanisms of these changes might give clues for the study of memory formation in the synapse. Studies on AD have suggested toxic AD-associated amyloid β-protein (Aβ), a predominant constituent of extracellular senile plaque as a culprit molecule acting on the synaptic alteration in AD. Among different Aβ assemblies, soluble Aβ oligomers have been shown to be the most toxic species in devastating synaptic plasticity. As Aβ oligomers appear to execute their deleterious activity (i.e., LTP impairment) by binding to their putative receptors such as α7 nicotinic acetylcholine receptor (α7nAChR) or cellular prion proteins (PrPC), Aβ assemblies or their receptors have been targeted to develop effective therapeutic strategies. Despite enormous efforts, however, the molecular identity and importance of intrinsic extracellular factors for regulating the activities of Aβ oligomers are poorly understood. The brain utilizes multiple regulatory mechanisms to control the toxicity of extracellular Aβ such as balancing production/degradation, assembly process, or controlling transporting machinery through blood brain barrier. In this study, I focused on one class of extracellular vesicles, exosomes, as a potential regulator of Aβ and their effect on synaptic plasticity in vivo at the rodent hippocampus. Exosomes, small extracellular vesicles of endosomal origin, have been suggested to be involved in both the metabolism and aggregation of Aβ. Despite their ubiquitous presence and the inclusion of components which can potentially interact with Aβ, the role of exosomes in regulating Aβ-induced synaptic dysfunction has not been explored. In this study, I first validated that synthetic Aβ-derived soluble Aβ oligomers (Aβ-derived diffusible ligands, ADDLs) genuinely hinder maintenance of LTP. Then I manipulated the concentration of exosomes in the brain by infusing exosomes intracerebroventricularly and examined their effect on Aβ-mediated impairment of synaptic plasticity. Applying these strategies, I provide in vivo evidence that exosomes derived from N2a cells or human cerebrospinal fluid can abrogate the synaptic-plasticity-disrupting activity of both synthetic and AD brain-derived Aβ. Mechanistically, I showed that this effect involves sequestration of synaptotoxic Aβ assemblies by exosomal surface proteins such as PrPC, but neither degradation nor internalization of Aβ assemblies.These data suggest that exosomes can counteract the inhibitory action of Aβ, which contributes to perpetual capability for synaptic plasticity. The efficiency of exosomes for neutralizing synaptotoxicity of Aβ oligomers might be critical and play a role in determining the onset and progression of AD, perhaps as well as cognitive decline.