NMDA induced injury와 neuronal cell death 에서의 TERT 효과

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안녕하세요. 텔로머라제의 모든 것을 알려드리는 텔로머라제 홍보대사입니다.

 

 

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텔로미어란?

염색체 끝 부분에 붙어있는 반복 염기서열로,

염색체의 손상을 막아주는 역할을 함

 

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텔로머라제란?

텔로미어가 손상되면 복구, 생성해주는 효소

노화를 방지하는 효소

 

 

TERT ( 텔로머라제 역전사 효소, Telomerase Reverse Transcriptase ) 는 텔로미어 길이 복구에 도움이 될 뿐만 아니라 ischemic injury로 인해 TERT 양이 증가가 되면서 뇌조직이 괴사하는 부위 또한 줄어든다는 연구 결과가 있습니다. 

오늘은 이 연구 결과에 대해 소개해드리도록 하겠습니다. 

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소개 해드리기 앞서 이 논문에서 자주 나오는 용어에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 

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1. WT : Wild-Type mice(일반 쥐) , TG : mTERT Transgenic mice (TERT 발현 쥐)

2. [Ca2+]c : cytosolic free Ca2+, 세포질 내 Ca2+ 농도, NMDA로 인해 높아지며, 이로 인해 neuronal cell death가 유발됩니다. 

3. [Ca2+]m : mitochondrial Ca2+ concentration, 미토콘드리아 내 Ca2+ 농도, TERT가 이를 높여주며 NMDA로 인해 올라간 [Ca2+]c 를 TERT가 미토콘드리아의 Ca2+ uptake를 높여줌으로써 세포질의 Ca2+ 를 미토콘드리아로 옮겨줍니다. 

이로 인해 [Ca2+]c를 낮춰주고, [Ca2+]m를 높여줍니다. 

이를 통해 neuronal cell death를 낮춰줍니다. 이 내용이 이 논문의 핵심입니다.

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이 논문에서는 MCAO(중간 대뇌 동맥의 폐쇄, occlusion of the middle cerebral artery)이후, ischemic injury 로 인해 TERT가 발현이 돼서 뇌조직이 괴사하는 부위가 줄어든다고 하는 결과를 도출 했는데요. 

이 결과는 아래 그래프를 통해 확인 하실 수 있습니다.

 

 

 

 

ischemic injury 이후 발생되는 Neuronal death 요인을 ① Excitotoxicity ② Oxidative stress ③ Apoptosis 로 나눌 수 있고, 이 논문에서 이 3가지 요인에서의 TERT가 어떤 식으로 발현이 되는지 연구를 진행했습니다. 아래에서 각 요인의 TERT가 어떤 식으로 발현이 되는지 살펴보도록 하겠습니다. 

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① Excitotoxicity 

Ionotropic glutamate receptor (NMDA, AMPA, Kainate에 민감하게 반응)의 과도한 활성화로 세포질 내의 Ca2+ 가 증가하여 cell necrosis(괴사)가 발생 합니다. 

이에 Excitotoxicity에 NMDA에 노출 시켰더니 WT는 60-80% 정도의 세포가 손상이 됐고, TG는 15-30% 정도의 세포가 손상이 됐습니다.

NMDA 노출된 WT와 TG의 LDH release 비교

 

위의 그래프를 보시면, WT에서보다 TG에서의 LDH release(세포 손상 지표)가 적으며 즉, TG가 NMDA에 resistant하다는 것을 알 수 있습니다. 

이에 반해 kainate에 노출 시켰을 때는 WT, TG의 세포 손상 정도가 비슷하게 높으며, TG가 kainate에는 resistant하지 않음을 알 수 있습니다. 

 

kainate 노출된 WT와 TG의 LDH releease 비교 ​

 

따라서 TERT의 과발현은 NMDA에만 선택적으로 resistant가 된다는 것을 알 수 있습니다. 

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② Oxidative stress

이 에 Fe2+(oxidative neuronal cell death 유발물질)을 가했는데, WT, TG에서의 세포 손상이 모두 비슷하게 일어났으며 즉, TERT는 oxidative stress를 줄여주는 효과가 없다는 것을 알 수 있습니다.

 

Oxidative stress의 WT와 TG의 LDH release 비교

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③ Apoptosis

WT, TG에서 apoptosis가 비슷하게 일어났고 TERT는 apoptosis를 줄여주는 효과가 없습니다.

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따라서 이러한 연구결과로 알 수 있는 점은 TERT의 과발현은 NMDA 수용체 매개인 excitotoxicity 에 강한 resistant를 갖고 있고, 비 NMDA 수용체 매개 excitotoxicity, oxidative stress, apoptosis에는 영향을 미치지 않는 다는 것입니다.

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앞서 설명했듯이 이러한 NMDA 수용체의 발현 이후에는, 세포질 내로의 Ca2+ influx↑, TG에서도 세포질 내로의 Ca2+ influx는 똑같이 증가합니다. 

이에 따라 TG에서도 세포질 내로의 Ca2+ influx는 똑같이 증가합니다. 

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그러나 WT에서는 [Ca2+]c 증가량이 크고 오래 지속된 반면에, TG에서는 증가량이 적고 시간이 조금 지나서는 basal level정도 까지 감소한다는 것을 아래 그래프를 통해 확인 하실 수 있습니다.

 

NMDA 수용체 노출 후 WT와 TG의 [Ca2+]c 증가량 비교 ​

 

이 그래프로 왜 TG에서는 [Ca2+]c 감소 했는지에 대해 더 연구해보니 TERT가 과발현 되면 ΔΨm 또한 증가하여 세포질에서 미토콘드리아로 Ca2+ 가 intake 되면서 [Ca2+]c 가 감소한다는 것을 알게 되었습니다. 

아래 그래프로 TG의 Ca2+ 가 미토콘드리아 내부로 많이 들어갔음을 확인 하실 수 있습니다. 

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TG에서 Rhod-2 형광물질이 많이 발견되었는데, 이는 미토콘드리아내부로 Ca2+가 많이 들어갔음을 의미 ​

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이후 TG에 FCCP 첨가 이후 [Ca2+]c 가 증가​하는 점이 추가 입증 되었습니다. 

(* FCCP는 미토콘드리아의 Ca2+ 유입을 막는 물질, 미토콘드리아로 Ca2+가 유입되지 못하니까 [Ca2+]c 가 증가 )

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TG에 NMDA만 가했을 때와 NMDA-FCCP를 동시에 가했을 때를 비교했는데, NMDA-FCCP를 동시에 가한 실험에서는 앞에서 말했듯이 [Ca2+]c 증가했기 때문에, TERT의 neuroprotective effect가 전혀 나타나지 않았습니다. 

 

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즉, 미토콘드리아로의 Ca2+ intake가 neuroprotective effect의 핵심 역할 인 것을 알 수 있습니다.

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따라서 이 연구를 통해 Ischemic brain injury가 발생했을 때, postmiotic neuron에서 TERT를 분비한다는 것을 알 수 있으며, 이러한 TERT는 ΔΨm를 높여 미토콘드리아 내부로의 Ca2+ intake를 증가시키고 이로 인해 [Ca2+]c 가 감소([Ca2+]m 증가), neurotoxicity(NMDA receptor-mediated neurotoxicity만) 또한 억제합니다. 

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즉, TERT는 NMDA induced injury와 neuronal cell death에 protective effect가 있다는 것을 시사 할 수 있습니다. 

 

 

 

 

※논문 출처 

제목 : Kang, H. J. (2004). Ectopic expression of the catalytic subunit of telomerase protects against brain injury resulting from ischemia and NMDA-induced neurotoxicity. Journal of Neuroscience, 24(6), 1280–1287. https://doi.org/10.1523/jneurosci.4082-03.2004