아밀로이드 베타

1. 개요

아밀로이드 베타(Aβ)는 아직 명확하게 밝혀지지 않은 정상적인 기능을 가지며, 알츠하이머병과 가장 밀접하게 관련된 단백질이다. Aβ는 뇌에서 대사 노폐물을 제거하는 림프관 시스템에 의해 제거되며, 키나아제 활성화, 산화 스트레스 방어 등 다양한 기능을 할 수 있다고 여겨진다. 알츠하이머병 환자 뇌에서 Aβ의 축적은 뇌 실질 및 혈관 아밀로이드의 주요 구성 요소이며, Aβ의 가용성 올리고머 형태가 질병 발병의 주요 원인 물질로 여겨진다. Aβ는 아밀로이드 전구체 단백질(APP)로부터 생성되며, Aβ를 표적으로 하는 면역 요법 연구가 진행 중이다. Aβ는 면역 염색, ELISA, 원자 간력 현미경 등 다양한 방법으로 측정할 수 있다.

2. 정상 기능

Aβ의 정상적인 기능은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 일부 동물 연구에서는 Aβ가 없어도 뚜렷한 생리적 기능 손실이 나타나지 않았지만, Aβ의 여러 잠재적 활동이 발견되었다. 여기에는 키나아제 효소 활성화, 산화 스트레스 방어, 콜레스테롤 수송 조절, 전사 인자로의 작용, 항미생물 활성(Aβ의 염증 유발 활성과 연관될 수 있음) 등이 있다.

림프관 시스템은 포유류 뇌에서 대사 노폐물, 특히 아밀로이드 베타를 제거한다. 유전적 연구와 생화학적 연구를 통해 여러 프로테아제가 아밀로이드 베타의 인식 및 분해에 관여하는 것으로 밝혀졌으며, 여기에는 인슐린 분해 효소와 전서열 프로테아제가 포함된다. 수면 중에는 제거 속도가 현저하게 증가한다. 그러나 알츠하이머병에서 림프관 시스템이 Aβ 제거에 미치는 영향은 알려지지 않았다.

3. 질병과의 관련성

Aβ는 알츠하이머병 환자의 뇌에서 발견되는 세포 외 침착물인 아밀로이드 플라크의 주요 구성 성분이다. Aβ는 뇌 아밀로이드 혈관병증에서 뇌 혈관을 따라 늘어선 침착물을 형성할 수도 있다. 아밀로이드 플라크는 Aβ 단백질 올리고머의 엉킴과 아밀로이드 섬유라고 불리는 규칙적으로 정렬된 응집체로 구성된다.

Aβ는 혈장, 뇌척수액(CSF) 및 뇌 간질액(ISF)에서 주로 가용성 Aβ40으로 순환한다. 아밀로이드 플라크는 Aβ40과 Aβ42를 모두 포함하며, 혈관 아밀로이드는 주로 더 짧은 Aβ40이다. 여러 Aβ 서열이 두 병변에서 발견되었다.

Aβ42는 더 소수성인 특성으로 인해 펩타이드의 가장 아밀로이드 생성 형태이다. 중심 서열 KLVFFAE는 그 자체로 아밀로이드를 형성하는 것으로 알려져 있으며, 아마도 섬유의 핵심을 형성할 것이다. 한 연구는 뇌의 Aβ42 수치가 알츠하이머병 발병뿐만 아니라 뇌척수액 압력 감소와도 관련이 있음을 보여주며, Aβ42 조각의 축적 또는 제거 불능이 병리에 역할을 할 수 있음을 시사한다.

루이소체 치매와 봉입체 근염에서도 유사한 플라크가 나타나며, 뇌 아밀로이드 혈관병증에서는 Aβ가 뇌 혈관을 덮는 응집체를 형성한다.

3.1. 알츠하이머병

연구에 따르면 아밀로이드 베타의 가용성 올리고머 형태가 알츠하이머병 발병의 원인 물질일 수 있다. 일반적으로 Aβ 올리고머가 가장 독성이 강하다고 여겨진다. Aβ는 뇌 실질 및 혈관 아밀로이드의 주요 구성 요소이며, 뇌혈관 병변에 기여하고 신경 독성이 있다.

Aβ가 중추 신경계에 어떻게 축적되어 세포 질환을 일으키는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. Aβ 전구체 단백질(APP)로부터 Aβ를 생성하는 효소인 감마- 및 베타-세크레타제와 Aβ 생성 기전에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

총 Aβ 수치 또는 Aβ40과 Aβ42의 상대적 농도 증가는 가족성 및 산발성 알츠하이머병의 병인과 관련이 있다. '아밀로이드 가설'은 플라크가 알츠하이머병의 병리를 담당한다는 가설이지만, 결정적으로 확립되지는 않았다. 대안 가설은 플라크보다는 아밀로이드 올리고머가 질병을 유발한다는 것이다.

3.2. 암

아밀로이드 베타(Aβ)가 암 발병에 관여한다는 연구가 진행되었고, 그 가능한 영향의 성격을 규명하기 위해 다양한 암에 대한 연구가 수행되었지만, 결과는 대체로 결정적이지 않다. Aβ 수치는 식도암, 대장암, 폐암, 간암 등 여러 암과 관련하여 평가되었는데, 이러한 암 생존자들에게서 알츠하이머병 발병 위험 감소가 관찰되었다. 모든 암이 증가된 Aβ 수치와 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났으며, 특히 간암에서 두드러졌다. 그러나 이러한 연관성의 방향성은 아직 확립되지 않았다. 인간 유방암 세포주에 초점을 맞춘 연구에서는 이러한 암세포에서 아밀로이드 전구 단백질의 발현 수준이 증가하는 것이 확인되었다.

3.3. 다운 증후군

성인 다운 증후군 환자는 인지 기능, 기억력, 미세 운동 능력, 집행 기능 및 시공간 기술 저하를 포함하여 알츠하이머병과 유사한 아밀로이드 축적을 보였다.

4. Aβ 형성

Aβ는 막단백질인 아밀로이드 전구 단백질(APP)이 순차적으로 분해되면서 형성된다. APP는 α-, β-, γ-세크레타제에 의해 절단될 수 있으며, Aβ는 β- 및 γ-세크레타제의 연속적인 작용에 의해 생성된다. γ-세크레타제는 APP의 막 횡단 영역 내에서 절단하며, 30-51개의 아미노산 잔기 길이를 가진 여러 가지 동형체를 생성한다. 가장 흔한 동형체는 Aβ₄₀과 Aβ₄₂이다. 더 긴 형태인 Aβ₄₂는 주로 소포체에서 절단되는 반면, 더 짧은 형태인 Aβ₄₀은 트랜스-골지체 네트워크에서 절단된다. Aβ₄₀이 더 일반적인 형태로 생산되지만, Aβ₄₂가 섬유 형성(fibrillogenic)이 더 강하고 질병과 더 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 알츠하이머병의 조기 발병과 관련된 APP의 돌연변이는 Aβ₄₂의 상대적 생산량을 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 이는 β-세크레타제와 γ-세크레타제의 활성을 조절하여 주로 Aβ₄₀을 생성하도록 하는 것이 알츠하이머병 치료법이 될 수 있음을 시사한다.

5. 유전학

아밀로이드 전구체 단백질(APP)의 상염색체 우성 돌연변이는 유전성 조발성 알츠하이머병(fAD)을 유발한다. 이 형태의 알츠하이머병(AD)은 전체 사례의 10% 이하를 차지하며, 대부분의 알츠하이머병은 이러한 돌연변이를 동반하지 않는다. 가족성 알츠하이머병은 변형된 단백질 분해 과정의 결과일 가능성이 높다. 이는 fAD를 유발하는 많은 돌연변이가 APP의 γ-세크레테이스(감마 세크레타제) 절단 부위 근처에서 발생한다는 사실로 알 수 있다.

APP 유전자는 21번 염색체에 위치하므로, 다운 증후군 환자는 알츠하이머병 발생률이 매우 높다.

6. 구조 및 독성

아밀로이드 베타는 일반적으로 내재적 비정형 단백질로 여겨지는데, 이는 용액 상태에서 독특한 3차 구조를 갖지 않고 여러 구조를 형성한다는 것을 의미한다. 따라서 아밀로이드 베타는 결정화될 수 없으며, 이에 대한 대부분의 구조적 정보는 핵자기 공명(NMR)과 분자 역학 연구를 통해 얻어졌다. 초기 NMR 연구에서는 아밀로이드 베타(Aβ 10-35)에서 유래한 26개 아미노산 폴리펩타이드가 유의미한 이차 구조를 포함하지 않는 붕괴된 코일 구조를 보였다. 그러나 2012년에 발표된 아밀로이드 베타 1-40의 NMR 구조는 상당한 이차 및 삼차 구조를 가지고 있는 것으로 나타났다.

복제 교환 분자 역학 연구에 따르면, 아밀로이드 베타는 실제로 여러 개의 개별적인 구조적 상태를 가질 수 있다. 더 최근의 연구에서는 통계적 분석을 통해 다수의 개별적인 컨포메이션 클러스터를 확인했다. NMR 유도 시뮬레이션에서는 아밀로이드 베타 1-40과 아밀로이드 베타 1-42가 매우 다른 컨포메이션 상태를 가지는 것으로 나타났으며, 특히 아밀로이드 베타 1-42의 C-말단이 1-40 단편보다 더 구조화되어 있다.

저온 및 저염 조건에서는 베타 구조가 없는 5량체 원반 모양 올리고머를 분리할 수 있었다. 반면, 계면활성제가 있는 상태에서 제조된 가용성 올리고머는 섬유와는 다른, 혼합된 평행 및 역평행 특성을 가진 상당한 베타 시트 함량을 특징으로 하는 것으로 보인다.

가용성 올리고머 상태의 아밀로이드 베타 펩타이드가 알츠하이머병의 발병 원인 인자일 가능성이 제기되었으며, 아밀로이드 베타의 올리고머가 가장 독성이 높다고 일반적으로 여겨진다. 가용성 비섬유성 아밀로이드 베타가 세포막에 이온 채널을 형성하여 신경 세포로 칼슘 이온이 무질서하게 유입되도록 하며, 이것이 알츠하이머병에서 나타나는 칼슘 이온 항상성 파탄과 세포자멸사의 근본 원인이라고 추정된다.

아밀로이드 베타가 신경을 손상시키고 세포 사멸을 일으키는 기전으로는 자기 응집 과정에서의 활성산소 생성도 제안되었다. 시험관 내(In vitro) 실험에서 이러한 현상이 신경 세포막에서 발생하면 지질 과산화 반응이 일어나 4-Hydroxynonenal^영어이라는 유독성 알데히드가 생성되고, 이는 이온 구동성 ATP 아제, 포도당 수송체, 글루탐산 수송체의 기능을 손상시킨다. 결과적으로 아밀로이드 베타는 신경 세포막의 탈분극, 칼슘의 과도한 유입, 미토콘드리아 손상을 촉진한다.

7. 면역 요법 연구

면역 요법은 숙주 면역계를 자극하여 Aβ를 인식하고 공격하게 하거나, 플라크 축적을 방지하거나 플라크 또는 Aβ 올리고머의 제거를 촉진하는 항체를 제공하는 치료 방법이다. Aβ의 올리고머화 방지는 능동 또는 수동 Aβ 면역화로 예시되어 왔다. 이 과정에서 Aβ에 대한 항체를 사용하여 뇌 플라크 수준을 감소시키는데, 이는 미세아교세포의 제거를 촉진하거나 뇌에서 전신 순환으로 펩타이드를 재분배함으로써 이루어진다. 임상 시험에서 테스트된 Aβ 표적 항체에는 아두카누맙, 바피네주맙, 크레네주맙, 간테네루맙, 레카네맙, 솔라네주맙이 있다.

하지만, 문헌 검토에서는 면역 요법의 유효성에 의문을 제기하고 있다. 10가지 종류의 항Aβ42 항체를 조사한 연구에서는, 각 시험에서 최소한의 인지 보호 효과밖에 얻지 못했다는 것이 나타났으며, 이는 시험이 행해진 시점에서는 증상이 너무 진행되었기 때문이라고 생각된다. 따라서 무증상 환자에게 적용하여 질병의 진행 초기에 있어서의 유효성을 평가하기 위해서는 추가적인 개발이 여전히 필요하다.

8. Aβ 측정

피츠버그 화합물 B(6-OH-BTA-1, 티오플라빈)를 포함한 영상 화합물은 시험관 내 및 생체 내에서 아밀로이드 베타에 선택적으로 결합할 수 있다. 이 기술은 PET 영상과 결합하여 알츠하이머병 환자의 플라크 침착 부위를 영상화하는 데 사용된다.

아밀로이드 베타는 면역 염색을 통해 반정량적으로 측정할 수 있으며, 위치를 결정하는 데에도 도움이 된다. 아밀로이드 베타는 뇌 아밀로이드 혈관병증에서와 같이 주로 혈관 내에 존재하거나, 백색질 내의 아밀로이드 반점에 위치할 수 있다.

ELISA는 아밀로이드 베타를 인식하는 한 쌍의 항체를 사용하는 면역 흡착 분석법으로, 민감한 방법 중 하나이다.

나노미터 크기의 분자 표면을 시각화할 수 있는 원자력 현미경은 아밀로이드 베타의 시험관 내 응집 상태를 결정하는 데 사용될 수 있다.

이중 편광 간섭법은 섬유가 길어짐에 따라 분자 크기와 밀도를 측정하여 응집의 초기 단계를 측정할 수 있는 광학 기술이다. 이러한 응집 과정은 지질 이중층 구조에서도 연구할 수 있다.