#. 간략한 소개

이 글은 2007년 『Biochimica et Biophysica Acta』라는 학술저널(research journal)에 게재된 인간 프리온 병(human prion disease)에 관한 소개 논문(review article)이다. 논문의 제목은 「Update on human prion disease」이며, 저자는 영국 University of College London의 Jonathan Wadsworth와 John Collinge이다. 의학과 생물학과 관련된 전문 용어가 많아서, 각 용어는 "괄호 ()" 안에 영어와 한자로 같이 표기했다. 본문 안에 [숫자]로 표시한 부분은 논문 원본에 기재된 참고문헌 번호이며, <숫자>로 표시한 부분이 있다면 그것은 내가 번역하면서 추가설명이 필요한 부분을 따로 주석처리한 것이다. 혹시라도 이 글을 인용하고자 하는 사람은 반드시 원 논문 <Wadsworth JDF, and Collinge J. 2007. Update on human prion disease. Biochim Biophys Acta 1772: 598-609>을 참조했음을 명시하기 바란다. [링크] 그리고 내 번역이 도움되었다면 "나의 번역이 도움되었음"을 표현해주는 것도 고맙긴 하겠다. 참고로, 번역 #1[링크], 번역 #2[링크], 번역 #4[링크]도 있다.

--------------------------------------------------------------------------------------

6. 인간 프리온 병의 표현형 다양성(phenotypic variability)에 대한 분자 근거(molecular basis)

인간 프리온 병에서 관찰되는 임상적인 이종성(heterogeneity, 異種性)은 아직 설명되지 않았다. 그러나 각각의 프리온 분리주(isolates, 分離株) 또는 종류(strain, 種類)가 같은 숙주에서 전파 가능하며 특유의 임상적·병리학적 특징을 통해 생물학적으로 인식된다는 것은 수년간 분명해졌다 [2, 101, 102]. 그러므로 sCJD와 다른 종류의 프리온 병에서 보이는 임상병리학적 이종성(clinicophathological heterogeneity, 臨床病理學的異種性)에 대한 비율(proportion, 比率)은 개별적인 인간 프리온 변종의 증식과 관계있을 것이다. 프리온 증식(propagation of prion)에 대한 단백질 유일 모델(protein-only model)의 체계(framework) 내에서, 각각의 임상적·신경병리학적 표현형은 서로 다른 물리화학적 특성(divergent physicolchemical properties)을 가진 각각의 PrPSc 이소형(isoform)의 증식으로 결정될 것으로 생각한다 [1, 2, 9-11, 103, 104]. 게다가 숙주의 유전체(host genome)도 각각의 비정상적인 PrP 이소형(isoform) 증식에 관여할 것으로 여겨진다 [79, 105, 106].

지금까지 우리는, 제한적인 proteinase K 분해법(proteinase K digestion)으로 처리한 뇌의 균질 현탁액(homogenate, 均質懸濁液)을 사용한 면역블롯검사(immunoblot)에서 구별 가능한, 산발성 그리고 후천성 프리온 병과 연관된 4가지 형태의 인간 PrPSc를 확인했다 [10, 12, 15] (그림 1). 제1-3형 PrPSc(PrPSc types 1-3)는 일반적인 CJD 환자(sCJD 혹은 iCJD)의 뇌에서 주로 나타나지만, 제4형 PrPSc는 vCJD 환자의 뇌에서만 유일하게 나타난다 [10, 12, 15]. 초기에 일반적인 CJD 환자에서 보이는 PrPSc 형태를 분류할 때 단지 제1형과 제2형 PrPSc라는 두 가지 밴드 패턴(banding patterns)만 묘사했는데 [11], Gambetti와 그의 동료들이 보고한 제1형 패턴은 우리가 발견한 것과 같으며 Gambetti의 제2형 패턴은 우리가 찾아낸 (proteinase K digestion으로 생성된) 제3형의 조각 크기와 같다 [13, 107] <1, 2>. 제4형 PrPSc는 주로 이당화(di-glycosylated, 二糖化)된 글리코형(glycoform, -型)이기 때문에 일반적인 CJD에서 나타나는 PrPSc 타입과 (proteinase K digestion 방법으로 조각내지 않아도) 쉽게 구분되지만, 제4형 PrPSc는—비록 제4형 PrPSc를 제2b형으로 인식하는 대안적 분류법(alternative classification)에서는 확인되지는 않았지만 [107]—다른 것과 확연히 구별되는 조각 크기를 보인다 [15].

산발성 그리고 후천성 프리온 병과 연관된 인간 PrPSc 형태를 확인(identification)하는 것과 더불어, 분자 계통 타이핑(molecular strain typing) 기법으로 유전성 인간 프리온 병에서 나타나는 표현형 이종성(phenotypic heterogeneity)에 대한 통찰(insight, 洞察)을 얻을 수 있다 [53, 108] <3>. 인간 프리온의 계통 다양성(human prion strain diversity)은 PrPSc 형태(conformation, 形態)와 당화(glycosylation, 糖化)의 다양성(variance, 多樣性)으로 발생한다는 현재 증거와 동일하게, 점(點) 돌연변이(point mutation)가 원인인 유전성 프리온 병의 사례에서 나타나는 (proteinase K digestion법으로 생성된) PrPSc 조각의 글리코형(glycoform) 비율은 전형적인 CJD와 vCJD에서 나타나는 것과 다르다 [108-112] <4>. 같은 PRNP 돌연변이를 가진 개체(individuals, 個體)라도 (proteinase K digestion법으로 분석했을 때) 다른 크기의 조각을 보이는 PrPSc를 증식할 수 있다 [108, 109, 113]. 그러나 명백히, 21-30 kDa 분자량 범위에서 PrPSc를 검출하는 것이 (형태를 구분하는 데 있어서) 일관된 특징(consistent feature)은 결코 아니다 <5>. 대신 몇몇 사례, 특히 아밀로이드 반점(amyloid plaque)이 두드러지게 나타나는 경우라면 7-15 kDa 범위에서 단백질 분해효소에 저항성을 가진 작은 조각(smaller protease-resistant fragments)이 나타난다 [53, 108-110, 113, 114]. 야생형(wild type, 野生型) PrP가 병적인 이소형(pathological isoform)으로 증식하는 것 또한 유전성 프리온 병에서 표현형 다양성에 상당한 기여를 한다 [23, 115-117]. 이러한 총체적인 자료를 놓고 판단했을 때 PrPSc 이소형은 독특한 물리화학적 특성을 지닌 채 유전성 프리온 병에서 생성될 것이며, 이것은 proteinase K digestion법에 대한 감도(sensitivity, 感度)를 통해 반영되거나 또는 산발성·후천성 프리온 병에서 증식하는 PrPSc 형태와는 매우 다른 PrPSc/prion 전염성(infectivity, 傳染性) 비율로 (그 특성이) 반영될 것이다. 예를 들어, P102L 유전성 프리온 병에서는 서로 다른 물리화학적 특성을 지니며 단백질 분해효소 저항성이 있는 PrP의 세 가지 이소형이 증식할 수 있다. PrP 102L에서 얻은 개별적인 비정상 이형태체(conformers, 異形態體) 두 가지는 (proteinase K digestion법으로 분석했을 때) 21-30 kDa 혹은 약 8 kDa 크기에서 단백질 분해효소 저항성을 나타내는 조각이 나타나지만 [23, 108-110, 118], 야생형 PrP의 비정상적 이형태체에서는 대략 21-30 kDa에 해당하는 조각(proteolytic fragments)이 나타나는 것으로 보인다 [23]. PrP 102L과 야생형 PrP에서 (proteinase K digestin법으로) 생성된 약 21-30 kDa 크기의 조각 중에 글리코형(glycoform)이 차지하는 비율은 둘 사이에 차이가 별로 없지만, sCJD와 후천성 CJD 환자에 있는 야생형 PrP를 proteinase K digestion법으로 분석해서 얻은 조각의 크기와 비교했을 때에는 두드러진 차이가 나타난다 [23]. 잠재적인 신경 독성(neurotoxicity, 神經毒性) 및 양적인 차이와 더불어, 이들 개별적인 질병 관련 PrP 종(species, 種)에 대한 신경병리학적 타겟팅(neuropathological targeting)의 차이를 통해 P102L 유전성 프리온 병에서 어떻게 다양한 표현형 발생하는지 설명할 수 있는 분자 메커니즘(molecular mechanism)을 파악할 수 있다. 이런 면에서, 모든 유전성 프리온 병이 같은 메커니즘으로 발병하지 않음에 주목해야 한다. 예를 들어, PRNP A117V 돌연변이는 PrPSc를 만들지 않고도 신경 질환(neurological disease, 神經疾患)을 일으킬 것으로 여겨지는 막 단백질 형태(transmembrane forms)의 PrP(PrPctm)를 생성한다 [58]. 모든 유전성 프리온 병이 접종으로 전염될 수 있는지도 현재 알려지지 않았다.

인간 PrPSc 형태에 대한 통합된 국제적 분류법(unified international classification)과 명명법(nomenclature, 命名法)을 만들려는 노력은 sCJD에서 나타나는 일부 PrPSc 아형(subtype, 阿型)의 아미노 말단 형태(N-terminal conformation)가 시험관에서 금속 이온 점유(metal-ion occupancy) [12, 15] 혹은 용매(solvent, 溶媒)의 pH 때문에 [119-121] 변할 수 있다는 사실 때문에 복잡해졌다. 게다가, 같은 뇌 안에 서로 다른 PrPSc 형태가 공존(co-existence, 共存)한다는 증거가 점점 늘어나고 있다 [13, 15, 21, 23, 108-110, 122-127]. pH 단독으로도 sCJD에서 나타나는 PrPSc의 아미노 말단의 구조를 결정한다는 것이 최근에 제안되었지만 [120, 121], 이런 해석은 다른 연구에서 지지받지 못했으며 [12, 17, 124], 대신 pH 7.4로 엄격히 조절된 실험 조건에서 구리(copper) 혹은 아연(zinc) 이온이 존재할 때에만 특정 PrPSc 구조가 나타났다 [12]. 방법론적 차이(methodological differences), 명명법, 그리고 PrPSc에 있는 상대적으로 미묘한 생화학적 차이(relatively subtle biochemical difference)에 대해 의견의 일치가 있지 않았지만, 인간 프리온 병에서 나타나는 표현형 다양성은 개별적인 물리화학적 특성이 있는 질병 관련 PrP 이소형(disease-related PrP isoform)과 상당 부분 관련되어 있다는 것에 대해서는 프리온 연구자 사이에서 의견이 매우 일치한다 [9, 18, 124, 127, 128]. 중요한 것은, 단백질 분해효소에 민감한 PrP의 병적 이소형(pathological isoform)이 동물과 인간 프리온 병에서 중요한 역할을 담당할 것이라는 사실에 대해서는 명백해지고 있으므로 [18, 104, 129, 130] 단백질 분해효소 검사법(protease digestion)에 의존하지 않는 새로운 진단법의 개발이 필요하다. 이런 면에서, 형태 의존적 면역분석법(conformation-dependent immunoassay)은 최근에 인간 프리온 병에서 매우 높은 진단 민감도(diagnostic sensitivity, 診斷敏感度)를 보였음이 보고되었다 [18, 104].

PrP의 대체 구조(alternative conformations, 代替構造) 혹은 집합 상태(assembly states, 集合狀態)로 인간 프리온 병에서 나타나는 임상병리학적 이형성(heterogeneity)에 대한 분자 기질(molecular substrates, 分子基質)을 파악할 수 있다는 가설(hypothesis)은 (그리고 이것이 다른 형태의 인간 프리온 계통의 존재와 관련이 있다는 가설은) 유전자 이식 쥐(transgenic mice)를 이용한 전염 실험(transmission experiments)으로 상당한 지지를 받고 있다. 129번 위치가 발린(V) 또는 메티오닌(M)으로 되어 있는 인간 PrP 단백질을 발현하는 유전자 이식 쥐를 사용한 (전염) 실험에서, 이러한 다형성이 인간 PrP 이형태체(conformers, 異形態體)의 증식 및 이와 연관된 신경병리증 패턴(pattern of neuropathology)의 발생 모두에 중요한 것으로 나타났다 [10, 77, 79, 131, 132]. 생물리학적 측정(biophysical measurements)에 따르면, 프리온 계통 선택(protein strain selection)에 대해 129번에 위치한 아미노산의 종류[M 혹은 V]가 강력한 효과를 보이는 이유는 PrPSc 또는 그것의 전구체(precursor, 前驅體) 구조(conformation) 혹은 그러한 구조를 형성하는 속도(kinetics, 速度)에 영향을 미쳤기 때문으로 보이는데, 왜냐하면 PrPC의 구조 형성(folding, 構造形成), 역학(dynamics, 力學) 혹은 안정성(stability, 安定性)에는 측정 가능한 수준에서 아무 영향이 없기 때문이다 [133]. 이들 연구 결과는 프리온 전염 장벽에 대한 구조 선택 모델(a conformational selection model of prion transmission barriers)과 일치하며 [2, 80, 131, 134] (이 모델은 최근에 효모의 프리온을 대상으로 한 연구에서 재현되었다 [135]), 프리온 계통 다양성은 PrP의 구조(conformation)와 당화(glycosylation)의 조합에 따라 나타난다고 주장함으로써 프리온 감염에 대한 단백질 유일 모델을 뒷받침하고 있다 [2]. 이러한 발견 속에서 우리는 사람에서 프리온 병 감수성(prion disease susceptibility)과 표현형(phenotype) 모두에게 영향을 주는 주요 유전자좌(locus, 遺傳子座)로서 PRNP 유전자 129번 코돈의 중요성을 설명하는 분자 근거(molecular basis)를 파악할 수 있다.

특히, 우리는 유전자 이식 쥐를 이용한 모델링 연구(transgenic modeling studies)에서 vCJD/BSE 프리온 계통에 노출된 결과로 생성될 수 있는 V129와 M129라는 인간 PrP에 대해 공통적으로 선호되는 PrPSc 구조가 없음을 알았다 [131]. 접종물(inoculum, 接種物)의 종류와 숙주(host, 宿主)의 PrP에 나타나는 129번 코돈(codon)의 유전자형(genotype, 遺傳子型)에 따라 BSE에서 유래된 프리온(BSE-derived prions)의 일차 전염 또는 이차 전염(primary or secondary transmission)은 네 가지 다른 프리온 질병 표현형(disease phenotype)이 나타날 수 있다. 인간 PrP M129에 대해 동형 접합자인 유전자 이식 쥐(transgenic mice)에서는 각각 sCJD 또는 vCJD와 일치하며 신경병리증(neuropathologies, 神經病理症)을 보이는 제2형 혹은 제4형 PrPSc가 증식하지만, PrP V129에 대해 동형 접합자인 유전자 이식 쥐에서는 다른 패턴의 신경병리증이 나타나는 제5형 PrPSc가 증식하거나 또는 PrPSc 존재를 확인할 수 없는 임상적인 프리온 병(clinical prion disease in the absence of detectable PrPSc)이 발생한다 [77, 131]. 접종물의 종류에 따라 다양한 질병 표현형이 인간의 PrP 129MV를 발현하는 이형 접합성 유전자 이식 쥐에서 나타나기도 한다 [132]. 그러나 제4형 PrPSc의 증식은 붉은 PrP 반점(florid PrP plaques)이 대량으로 발생하는 것과는 별개의 일이기 때문에, PrP 129MV 유전형에서는 표현형 가운데 어떤 것도 vCJD에서 나타나는 신경병리학적 표현형(neuropathological phenotype)을 닮지 않았다 [132]. 신뢰할만한 분자 및 병리학적 재현(recapitulation, 再現)이 가능한 동물 모델(animal model)에서조차도 외삽(extrapolation, 外揷)할 때 주의를 기울어야 하지만 [79, 131] (그림 2), Manson과 그의 동료들의 발견과 매우 비슷한 우리의 연구 결과에서 일차 인간 BSE 프리온 감염(primary human BSE infection)과 의원성 경로(iatrogenic routes)를 통한 vCJD 프리온 이차 감염(secondary infection)은 단일 질병 표현형(single disease phenotype)에 한정(限定)하지 않는 것으로 나타났다 [136]. PrPSc 형태에 따른 모든 인간 프리온 병 사례를 계층화(stratification, 階層化)한다면 BSE 노출 패턴(BSE exposure patterns) 또는 vCJD 프리온의 의원성 출처(iatrogenic sources)와 관계된 특정 PrPSc 아종(subtypes, 亞種)의 상대적인 빈도 변화를 재빨리 인식할 수 있을 것이다 [2, 79, 131, 132].



그림 1. 인간 프리온 병에서 프리온 단백질과 관련된 질병의 특징. (A) 뇌에 제1-4형 PrPSc를 나타내거나 편도선 생검에서 제4t형 PrPSc를 보이는 조직을 proteinase K[단백질 분해 효소의 한 종류]로 처리한 균질 현탁액(homogenate, 均質懸濁液)을 3F4라는 단일 클론 항체(monoclonal antibody)를 사용해 면역블롯검사(immunoblot)를 한 결과. sCJD와 iCJD와 같은 일반적인 CJD 환자의 뇌에서는 제1-3형의 PrPSc를 보이나, vCJD에 걸린 환자의 뇌와 편도선에서는 제4형과 제4t형 PrPSc라는 다른 형태로 나타난다. (B, C) sCJD 혹은 vCJD 환자의 뇌는 ICSM35라는 항(抗) PrP 단일 클론 항체(anti-PrP monoclonal antibody)을 사용해 면역조직학검사를 했을 때, 비정상적인 PrP 면역반응(immonureactivity)이 나타난다. sCJD에서 나타나는 비정상적인 PrP 침전(deposition, 沈澱)은 대부분 방산 형태(放散形態)의 시냅스 모양과 같은 염색(diffuse, synapse staining) 패턴을 공통적으로 보이지만, vCJD 환자의 뇌에서는 링 모양의 해면체 공포(spongiform vacuole)로 둘러쌓인 둥근 아밀로이드 코어(amyloid cores)로 구성된 붉은 PrP 반점이 나타난다. 그림 B와 C에서 스케일 바(scale bar)는 50 μm를 가리킨다.

그림 2. 유전자 이식 쥐에서 vCJD의 분자 그리고 신경병리학적 표현형의 재현(recapitulation). vCJD 프리온이 Tg(HuPrP129M+/+ Prnp0/0)-35라는 유전자 이식 쥐[Tg35라 명명]에 일차 감염해서 제4형 PrPSc가 증식했고 vCJD의 신경병리학적 특징(hallmark)인 붉은 PrP 반점(florid PrP plaques)가 대량으로 발생했다. 이와 대조적으로, vCJD 프리온이 Tg(HuPrP129V+/+ Prnp0/0)-152라는 유전자 이식 쥐[Tg152라 명명]에 일차 감염했을 때는 제5형 PrPSc와 Tg152 쥐에서 이차 감염이 일어난 후에도 지속하는 개별적인 신경병리학적 패턴이 나타났다. 그러나 Tg35 쥐에서 이차 감염이 발생하면 제4형 또는 제2형 PrPSc가 증식하며 각각 vCJD 또는 sCJD에서 나타나는 것과 동일한 신경병리증(neorupathologies)이 나타난다. (A) vCJD와 sCJD(PRNP 129 MM 유전자형) 또는 유전자 이식 쥐에서 얻은 뇌의 균질 현탁액(homogenate, 均質懸濁液) proteinase K로 처리한 다음에 3F4라는 항(抗) PrP 단일 클론 항체(anti-PrP monoclonal antibody)로 면역블롯 검사(immunoblot)를 한 대표 결과. 뇌 표본 이름은 각 레인(lane) 위에 표시되어 있고, PrPSc 종류는 각 레인 아래에 기재(記載)되어 있다. (B) PrP가 양성으로 나타나는 반점(PrP-positive plaques)을 포함해 비정상적인 PrP 면역 반응성(immunoreactivity)을 보이는 유전자 이식 쥐의 뇌를 3F4라는 항(抗) PrP 단일 클론 항체(anti-PrP monoclonal antibody)로 면역조직화학 분석(immunohistochemical analysis)을 한 대표 결과. 스케일 바(scale bar)는 100 μm를 가리킨다. 아래 그림은 비정상적인 PrP 침전(deposition, 沈澱)의 지역적 분포(regional distribution)을 나타낸다. 초록색 상자 모양은 모식도 위에 나와 있는 PrP가 염색된 부위를 찍은 사진의 뇌 내 위치를 가리킨다.

<역자참조 >

<1> proteinase K digestion: proteinase K는 단백질 분해 효소의 일종으로 단백질의 아미노산 서열에서 지방족 아미노산(aliphatic amino acid, 脂肪族-)[이소류신(isoleucine), 류신(leucine), 발린(valine), 알라닌(alanine), 프롤린(proline), 그리고 메티오닌(methionine)]의 카르복실 말단(carboxyl terminus)과 방향족 아미노산(aromatic amino acid, 芳香族-)[페닐알라닌(phenylalanine), 트립토판(tryptophan), 히스티딘(histidine), 그리고 타이로신(tyrosine)]의 아미노 말단(amino terminus) 사이를 자른다. 그러므로 PRNP 유전자에 돌연변이가 발생했다면 이 유전자에서 발현되는 PrPSc는 구조적으로 다른 형태를 보일 것이며, PrPC 단백질을 proteinase K로 처리한 대조군(control)과 비교했을 때 다른 형태의 잘린 조각 패턴을 보일 것이다.
<2> immunoblot: Western blot이라고도 한다. 다음 블로그를 참조하시오. [링크]
<3> 분자 계통 타이핑(molecular strain typing): 분자생물학적, 유전학적, 그리고 생화학적 기법을 통해 종의 계통을 분석해 확인하는 방법을 통상 일컫는다.
<4> 생물학에서 conformation은 구조 혹은 형태라는 뜻으로 동시에 번역할 수 있다. 따라서 이 번역에서도 두 가지 표현을 상황에 따라 달리 번역했다.
<5> 돌턴(Dalton, 약자로 Da)은 영국의 화학자이자 물리학자, 기상학자며 근대 화학사에서 원자설을 처음 제안한 존 돌턴(John Dalton, FRS, 1766년 9월 6일~1844년 7월 27일)의 이름에서 따온 상대적인 분자량(molecular weight, 分子量) 단위이다. 1 kDa은 1000 Da에 해당한다.


Posted by metas :