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한국실험동물학회 뉴스레터 2022년 12월
[우수논문 소개] 자폐 진단 · 치료 골든타임, 동물실험으로 확인

 자폐 진단·치료 골든타임, 동물실험으로 확인 

                                                 - IBS 연구진, 유년기 약물 치료를 통한 완치 가능성 동물실험으로 확인

                                                 - 자폐 조기 진단 및 유년기 치료의 중요성 강조한 연구 2편 발표


 

    

                                            (위 · 왼쪽부터) 

김은준 IBS 시냅스 뇌질환 연구단장(kime@kaist.ac.kr)/ 공동교신저자
배용철 경북대학교 치과대학 교수(ycbae@knu.ac.kr)/ 공동교신저자
(아래
· 왼쪽부터)
김효상 KAIST 생명과학과 석박통합과정 연구원(gytkd966@gmail.com)/ 공동 제1저자
김도연 前 IBS 시냅스 뇌질환 연구단 연구위원(kimd82@krict.re.kr)/ 공동 제1저자
조이슬 경북대학교 초빙교수(dew84@knu.ac.kr)/ 공동 제1저자
김성빈 KAIST 생명과학과 석박통합과정 연구원(binlbd1209@gmail.com)/공동 제1저자
오효선 KAIST 생명과학과 석박통합과정 연구원(hyoseon@kaist.ac.kr)/ 공동 제1저자

o 유년기에 자폐를 조기 진단하고, 집중적인 약물 치료를 통해 자폐 증상을 평생 완화시킬 수 있다는 가능성이 제시됐다. 김은준 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 시냅스 뇌질환 연구단장(KAIST 생명과학과 석좌교수) 연구팀은 자폐 조기 진단 및 유년기 치료의 중요성을 강조하는 2편의 논문을 연달아 발표했다.

o 자폐증(자폐 스펙트럼 장애)은 세계 인구의 약 2% 정도에서 발병하는 뇌 발달장애의 한 종류다. 사회적 상호작용 결여, 반복 행동 등이 대표 증상이지만  병인이나 치료법에 대해서는 아직 완벽히 밝혀지지 않았다. 또한, 자폐는 주로 유년기에 시작되지만 유년기에 뇌에서 생기는 변화가 성인 시기까지 지속적으로 영향을 주는지도 불분명했다.

o 김은준 단장 연구팀은 IBS 뇌과학 이미징 연구단(단장 김성기) 및 배용철 경북대 교수팀과 함께 자폐 모델 생쥐의 자폐 증상이 성장 과정에 따라 어떻게 달라지는지 분석했다. 대표적인 자폐 유발 유전자인 ‘MYT1L 유전자’를 제거한 실험쥐는 다른 생쥐와의 사회적 교류를 잘 하지 않고, 우리 안에서 뜀박질을 반복하는 등의 자폐 증상을 보였다.

o 뇌 변화는 유년기에 시작됐다. MYT1L을 결손 시킨 유년기 생쥐 뇌의 전전두엽에서 흥분성 시냅스의 수와 신호 전달이 눈에 띄게 감소했다. 시냅스는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 구분되는데, 두 시냅스의 균형이 깨지면 뇌 정신질환이 유발된다. 

o MYT1L 결손 생쥐의 자폐 증상은 청소년기에는 일시적으로 정상화됐다가 성체시기에 다시 강하게 나타났다. 흥분성 시냅스의 수가 감소된 유년기와 달리, MYT1L 유전자 결손은 성체시기에서는 억제성 시냅스의 수와 신호전달을 증가시켰다. MYT1L 결손으로 인한 유년기의 뇌 변화가 오랜 기간 동안 축적되어 있다가 성체시기에는 다른 메커니즘으로 자폐 증상을 유발한다는 의미다.

o 자폐 치료를 위해서는 유년기 조기 진단이 중요하다는 것을 보여준 연구로 연구결과는 9월 21일 국제학술지 ‘셀 리포츠(Cell Reports, IF 9.995)’ 온라인 판에 실렸다. (논문 바로가기)

o 이를 바탕으로 연구진은 또 다른 자폐 모델 생쥐에서 조기 치료의 효과를 확인하기 위한 연구를 진행했다. 우선, 연구진은 자폐 유발 유전자 중 하나인 ‘ARID1B 단백질’이 결여된 쥐는 사회성 저하 및 반복 행동을 보임을 확인했다. 

o 이어 ARID1B 돌연변이 생쥐의 유전자를 분석한 결과, 유년기 시절 ARID1B 결손이 뇌 전전두엽의 흥분성 시냅스 수를 감소시키는 것으로 확인됐다. 이는 청소년기와 성체 시기 생쥐의 흥분성 시냅스 기능 감소로 이어졌다.

o 뇌의 변화가 유년기에 시작된다는 점에 착안, 연구진은 실험쥐에게 흥분성 시냅스를 항진시키는 약물인 ‘플루옥세틴(Fluoxetine)’을 생후 3주 동안 투여했다. 그 결과 유년기 약물치료를 받은 돌연변이 생쥐는 성체가 되어도 정상 생쥐와 유사한 수준의 사회성과 반복 행동을 보임을 확인했다. 시냅스의 신호 전달과 수 역시 정상화됐다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.69)’ 8월 27일자 온라인 판에 게재됐다. (논문 바로가기)

o 연구를 이끈 김은준 단장은 “두 건의 연구를 통해 성장 과정에 따른 자폐 발생 메커니즘을 규명하고, 유년기의 집중 치료 후 추가로 약물을 투여하지 않아도 평생 자폐 증상이 완화될 수 있음을 확인했다”며 “다른 유전자에 의해 유발되는 자폐 증상 역시 유년기 진단 및 약물 치료로 완화할 수 있는지를 검증하는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

<
연구 추가 설명 1>

1. 논문명: Postnatal age-differential ASD-like transcriptomic, synaptic, and behavioral deficits in Myt1l-mutant mice / Cell reports
2. 저자정보: Seongbin Kim,* Hyoseon Oh,* Sang Han Choi, Ye-Eun Yoo, Young Woo Noh, Yisul Cho, Geun Ho Im, Chanhee Lee, Yusang Oh, Esther Yang, Gyuri Kim, Won-Suk Chung, Hyun Kim, Hyojin Kang, Yongchul Bae, Seong-Gi Kim, Eunjoon Kim#
3. 연구내용: 

■ 본 연구는 자폐 유발 유전자 중의 하나인 ‘MYT1L 유전자의 돌연변이가 성장 과정에 따라 어떻게 자폐 관련 증상들을 유도하는지를 유전자 발현, 시냅스, 행동 실험 수준에서 다각도로 분석했다. 그 결과, 유년기에 발생한 뇌의 이상이 누적되어 성체기에 강력한 자폐 증상이 나타남을 보여주며 조기진단의 중요성을 강조했다.

■ MYT1L 유전자 결손은 유년기와 성체 생쥐에서 자폐증 관련 전사체 변화를 유도한다. 전사체 분석 결과, 유년기에는 신경세포 및 시냅스 관련 전사체가 감소됐다. 또한 성체에서는 신경교세포 관련 전사체가 증가한다.

■ MYT1L 유전자 결손은 유년기에 흥분성 시냅스 신호전달을 억제하는 반면 성체에서는 억제성 시냅스 신호 전달을 증가시켰다. 이를 바탕으로 뇌절편 이미지를 분석한 결과, 실제로 MYT1L 돌연변이 성체 생쥐에서 억제성 시냅스의 숫자가 증가한 것을 확인했다.

■ MYT1L 돌연변이 유년기 생쥐는 비정상적인 행동학적 표현형을 보였으나, 청소년기에는 대체적으로 정상적인 행동을 보였다. 반면 성체가 되었을 때 자폐 관련 사회성 저하 및 반복 행동을 보였다. 성체 생쥐 행동 실험 결과, 서로 처음 보는 생쥐끼리 노출 시켰을 때 MYT1L 돌연변이 (결손) 생쥐끼리는 정상 생쥐 그룹에 비해 사회적 교류가 적었다. 또한 우리 안에서 많은 시간 동안 반복적인 행동(jumping, rearing, nose-poking)했다.

 연구진은 본 연구에서 밝힌 성장 과정에 따른 다양한 자폐 관련 증상들이 어떤 기작으로 유도되었는지 분석함으로서, 치료 방법에 관한 후속 연구를 지속할 계획이다.


<연구 추가 설명 2>
1. 논문명: Early postnatal serotonin modulation prevents adult-stage deficits in Arid1b-deficient mice through synaptic transcriptional reprogramming/ Nature Communications

2. 저자정보: Hyosang Kim,* Doyoun Kim,* Yisul Cho,* Kyungdeok Kim, Junyeop Daniel Roh, Yangsik Kim, Esther Yang, Seong Soon Kim, Sunjoo Ahn, Hyun Kim, Hyojin Kang, Yongchul Bae,# and Eunjoon Kim#
3. 연구내용: 

■ 본 연구에서는 ARID1B 유전자의 돌연변이가, 어떻게 사회성 저하와 반복 행동을 유발하는지, 시냅스와 RNA의 분석을 통해서 밝혀내고, 유년기 약물 치료를 통해 성체까지 오랫동안 지속되는 치료효과와 그 기전을 제시했다.

● ARID1B의 돌연변이는 생쥐에서 사회성 저하 및 반복 행동을 유발한다. 생쥐 행동 실험 결과, 서로 처음 보는 생쥐끼리 노출 시켰을 때 ARID1B 돌연변이 (결손) 생쥐끼리는 정상 생쥐 그룹에 비해 유의미하게 줄어든 사회적 교류를 보였다. 또한 케이지 내에서 유의미하게 많은 시간 동안 반복적인 행동(Repetitive self-grooming)을 하는 것을 보였다.

● 돌연변이 생쥐의 전사체를 분석하였을 때, 전전두엽에서의 흥분성 시냅스 형성에 문제가 있음을 확인했다. 전전두엽에서의 흥분성 시냅스 신호 전달을 전기생리학 실험을 통해 측정한 결과, 흥분성 시냅스의 기능이 유의미하게 감소하였음을 확인했다.

● 이에 따라 흥분성 시냅스의 항진 효과가 있는 약물로 이러한 시냅스의 역할과 행동을 치료하는 실험을 진행하였다. 흥분성 시냅스의 항진 효과가 있는 것으로 알려진 플루옥세틴을 투여하였으며, 돌연변이 생쥐의 시냅스 이상은 어린 시기부터 나타나는 특징이었기에 유년기의 특정 시기 동안 약물을 투여하여, 성체가 되었을 때에도 오랫동안 지속되는 치료 효과가 있는 지 확인하였다.

● 유년기 약물치료를 받은 생쥐는, 성체가 되었을 때 사회성이 유의미하게 증진 되었으며, 정상 생쥐 수준의 반복 행동을 보였다. , 유년기 치료가 성체가 되기까지 영향을 미친다는 것이다.

● 유년기 치료를 받은 생쥐를 대상으로 흥분성 시냅스의 신호 전달을 측정하였을 때, 정상 생쥐 수준으로 시냅스의 신호 전달이 정상화되었음을 확인하였다. 또한, 시냅스의 숫자를 전자 현미경을 이용하여 측정하여, 이러한 신호 전달의 정상화가 시냅스 숫자의 회복으로 인한 것임을 확인하였다.

● 유년기의 플루옥세틴 투여를 통한 치료 기전을 규명하기 위해 생쥐의 RNA를 분석하였고, 시냅스와 형성과 관련된 것으로 알려진 FMRP 타깃 유전자들의 발현이 치료를 받지 않은 결손 생쥐에 비해 유의미하게 증가했음을 확인했다. , 약물 투여는 시냅스 형성을 억제하는 단백질의 발현을 정상화하고, 이로 인해 증상이 치료된다는 것이다.

■ 구진은 본 연구에서 밝힌 치료 기전이 다른 자폐 모델에서 또한 적용될 수 있을 것인지 확인하기 위한 후속 연구를 지속할 계획이다.

<그림 설명>

그림 1. 유년기 치료 여부에 따른 성체기의 자폐 증상 발현

흥분성 시냅스의 수와 기능에 이상이 생기면 자폐 증상이 유발된다. 연구진은 유년기에 집중적인 약물치료를 진행하면 사회성 저하와 반복행동 등 자폐의 대표적인 증상이 성체기까지도 완화됨을 동물실험을 통해 확인했다.

그림 2. 성장 과정에 따른 MYT1L 결손 자폐 생쥐의 자폐 증상

MYT1L 단백질 결핍은 유년기 생쥐의 흥분성 시냅스 수를 감소시킨다. 자폐 증상은 청소년기에 일시적으로 정상화되지만, 성체 시기에 다시 억제성 시냅스의 수가 증가하며 나타난다. 즉, MYT1L의 결손으로 인한 뇌 변화가 오랜 기간 동안 축적되어 성체 시기에 사회성 저하 및 반복행동을 유발한다. 자폐증의 조기 진단 및 치료가 중요함을 시사한다.