국내 연구진이 자폐증의 유전적 요인과 발병원인을 규명하고, 약물 부작용도 줄일 수 있는 새로운 자폐 치료법을 제시하였다. 

서울대 강봉균 교수(50세), 연세대 이민구 교수(47세) 및 KAIST 김은준 교수(47세)가 주도하고, 원혜정, 이혜련, 지헌영, 마원, 김재익 박사(이상 제1저자)와 KAIST 김대수 교수 및 경북대 배용철, 이경민 교수 연구팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 선도연구센터지원사업(SRC)의 지원으로 수행되었다. 

연구결과는  ‘네이처(Nature)’지 6월 14일자에 게재되었고, 연구의 중요성을 인정받아 ‘Nature Reviews Drug Discovery’ 7월호에도 소개될 예정이다.
     (논문명 : Autistic-like social behaviour in Shank2-mutant mice improved by restoring NMDA receptor function)

연구팀은 시냅스 단백질을 만드는 유전자(생크2, Shank2)가 결핍되면 자폐와 비슷한 증상이 나타난다는 사실을 동물실험(생쥐)을 통해 발견하였다. 이것은 생크2 유전자의 결손이 자폐와 관련된다는 최근 임상결과와 함께, 생크2 유전자의 결손이 자폐를 유도한다는 직접적인 증거가 되어 의미가 크다. 

자폐증은 △사회성 결핍 △반복행동 △정신지체 △불안 △과잉행동 등을 동반하는 뇌 발달 장애로, 전 세계 인구의 1~2%인 약 1억명이 증상을 보이는 심각한 뇌 질환이다. 특히 최근 연구결과(미국 워싱턴대)에 따르면, 자폐계 질환을 앓는 젊은 성인 3명 중 1명이 직장생활에 적응하지 못하거나 대학에 진학하지 못하는 등 다른 장애보다 훨씬 위중한 것으로 알려졌다. 그러나 지금까지 이를 효과적으로 치료할 수 있는 약물이 개발되지 못했고, 현재 반복행동만을 경감시키는 수준에 머무르고 있다.  

연구팀은 생크2가 결손된 생쥐에서 사회성 결핍, 인지학습기능 저하, 반복행동 및 과잉행동과 같은 자폐와 비슷한 증상들이 나타난 것을 확인하였다. 또한 연구팀은 생크2가 결손된 생쥐는 NMDA(N-메칠 D-아스파르트산염) 수용체에 의한 신경전달이 감소하였고, 해마*에서의 시냅스 가소성** 등도 손상되었음을 관찰하였다.
    *) 해마(Hippocampus) : 대뇌의 양쪽 측두엽에 존재. 일화, 의미 기억 등 인지기능 담당
   **) 가소성(plasticity) : 기억, 학습 등 뇌 기능의 유연한 적응능력으로, 비교적 짧은 기간 내에 가해진 자극으로 뇌에 장기적인 변화가 생겨, 자극이 제거된 후에도 그 변화가 지속되는 것

특히 연구팀은 특정 수용체(mGluR5, 대사성 글루타민산염 수용체5)를 자극하여 NMDA 수용체의 기능을 간접적으로 회복시키는 것이 기존의 NMDA 수용체를 직접 자극하는 것보다 사회성 행동을 완전히 회복시킨다는 사실도 확인하였다. 이것은 NMDA 수용체를 직접 자극하기 위해 사용하는 약물의 부작용을 줄일 수 있는 새로운 자폐증 치료법으로 평가된다. 

연구팀은 NMDA 수용체의 기능을 직접적으로 회복시키는 약물을 사용하면, 생크2가 결손된 생쥐에서 나타나는 NMDA 수용체 신경전달 이상과 사회성 결핍이 부분적으로(약 50%) 회복된다는 사실을 관찰하였다.  

또한 연구팀은 mGluR5 수용체를 자극하여 NMDA 수용체의 기능을 간접적으로 회복시키는 약물(CDPPB)을 사용하면, 생크2가 결손된 생쥐의 해마에서의 시냅스 가소성 손상이 회복되고, NMDA 수용체에 의한 신경전달 등도 정상화되며, 사회성 결핍도 NMDA 수용체에 직접 작용하는 약물보다 더욱 효과적으로 회복되는 사실을 발견하였다.

강봉균 교수는 “생크2 유전자 결손으로 인한 NMDA 수용체의 기능 저하가 자폐증을 일으키는 새로운 원인임을 밝힌 의미 있는 연구”라고 연구의의를 밝혔다. 

또한 이민구 교수는 “신경조직에서 생크2 유전자의 생리적 역할을 새롭게 규명한 연구로서, 국내 각 분야의 전문가들이 협력하여 우수한 성과를 거둔 대표적인 사례가 될 것”이라고 연구결과를 평가하였다. 

아울러 김은준 교수는 "반복행동뿐만 아니라 자폐증의 주요한 증상인 사회성 결핍도 약물을 통해 충분히 개선할 수 있다는 사실을 새롭게 증명한 연구로, 자폐 치료의 새로운 가능성을 열었다”고 밝혔다.

연 구 결 과 개 요

Autistic-like social behaviour in Shank2-mutant mice improved by restoring NMDA receptor function

Hyejung Won, Hye-Ryeon Lee, Heon Yung Gee, Won Mah, Jae-Ick Kim, Jiseok Lee, Seungmin Ha, Changwook Chung, Eun Suk Jung, Yi Sul Cho, Sae-Geun Park, Jung-Soo Lee, Kyungmin Lee, Daesoo Kim, Yong Chul Bae, Bong-Kiun Kaang, Min Goo Lee, Eunjoon Kim
(Nature, 2012. 6. 14. 출판)

1. 배경
  자폐증(Autism, Autism Spectrum Disorder)은 사회적 상호작용과 언어 및 의사소통의 장애를 보이고 기분과 정서의 불안정성을 나타내며 많은 경우에 인지 발달의 저하를 수반하는 발달장애이다. 자폐증은 한 종류의 발달 장애를 지칭하는 용어가 아니라 넓은 범주에서 여러 가지 특징적인 증상들을 공유하는 질환들을 넓은 의미에서 지칭하는 용어이기 때문에 전반적 발달 장애라고도 한다.
  자폐증의 경우 최근 들어 나라별 유병률이 증가하는 추세에 있고 이로 인한 사회, 경제적 비용의 증가와 환자 가족들의 삶의 질 저하라는 측면에서 원인 규명 및 치료제 개발에 대한 연구의 필요성이 더욱 커지고 있다. 자폐증의 원인에 대해서는 여러 가지 위험 인자들이 연구되어 왔고 대표적으로 유전적 소양, 바이러스 감염, 신진 대사의 이상, 양육 방식 등을 포함한 기타 환경적 요인들이 위험 요소 및 원인으로 알려져 왔으나 아직까지 발병 원인에 대한 구체적인 증거는 부족한 실정이다.
  최근 들어 유전적 요인에 대한 동물실험 모델에서의 연구가 활발하게 진행되고 있고 자폐증 환자들을 대상으로 한 유전자 연구를 통해 자폐증과 밀접하게 관련되어 있을 것으로 여겨지는 여러 유전자들이 밝혀지고 있다. 자폐증의 경우 다른 정신질환들에 비해서 상대적으로 높은 유전율을 보여주고 있기 때문에 자폐증의 유전적 요인에 대한 이러한 연구들은 자폐증의 생물학적 요인들에 대한 이해를 넓히고 보다 효과적인 치료제 개발을 위해 중요하다. Shank 단백질의 경우 시냅스의 구조를 형성하는데 중요한 역할을 하는 scaffolding 단백질이며 신경세포 수상돌기에서 다른 여러 단백질들과 상호작용하면서 시냅스 신호전달에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 최근 들어 SHANK3 유전자가 자폐증에 관련되어 있다는 실험결과들과 SHANK2 유전자의 변이가 자폐증 환자에게서 발견된다는 보고들이 발표되면서 SHANK 유전자가 자폐증과 관련되어 있을 가능성이 크게 대두되었고, 이러한 맥락에서 SHANK2 유전자의 변이가 자폐증의 발병 원인이 될 수 있는지에 대한 연구가 실험동물모델을 대상으로 진행되었다.     
     
2. 연구결과
  자폐증 환자의 일부에서 나타나는 SHANK2 유전자 변이(microdeletion과 frameshift)를 모방하기 위해 SHANK2 유전자의 exon6, 7을 deletion한 생쥐를 제작하였으며, 이 생쥐(Shank2 KO mice)에서는 Shank2 단백질이 제거되어 있는 것을 확인하였다. 행동실험결과, Shank2 KO mice에서 사회적 상호작용(social interaction), 의사소통(social communication by ultra sonic vocalization)이 손상되어 있는 것을 발견하였으며 이밖에도 학습 및 기억능력이 저해되고 불안행동(anxiety)이 증가하였으며 과잉행동(hyperactivity)과 반복행동(repetitive  behaviour)이 증가되어 있는 것을 관찰하였다. 이는 사람에게서 나타나는 자폐관련 대표적 증상들이 대부분 Shank2 KO mice에서도 유사하게 나타난 것이다.

Shank2 KO 생쥐의 경우 자폐증의 대표적 증상인 사회적 상호작용(social interaction)의 결여, 의사소통(social communication)의 결여, 그리고 반복행동(repetitive behaviour)을 보여주었다.

  Shank2 KO mice를 대상으로 한 세포 및 시냅스 수준에서의 실험에서는  Shank2 단백질이 많이 발현되어 있는 해마에서의 신호 전달(basal synaptic transmission)에 이상이 없고, 전자현미경을 사용한 시냅스 미세 구조 관찰 결과 구조적인 변화는 없는 것으로 확인되었다. 그러나 NMDA 수용체에 의한 신호전달이 감소되어 있고(NMDA/AMPA ratio의 감소) NMDA 수용체를 통한 신경세포 내에서의 단백질 신호전달 체계가 손상되어 있는 것으로 확인되었다. 아울러 해마 SC-CA1(Schaffer collateral-CA1) 시냅스에서의 장기강화(long-term potentiation)와 장기저하(long-term depression)와 같은 시냅스 가소성이 모두 손상되어 있는 것으로 나타났다.

Shank2 KO 생쥐의 경우 다양한 인지, 감정 기능에 중요하다고 알려진 해마에서의 시냅스 가소성이 결여되어 있었으며 NMDA 수용체를 통한 신호전달이 감소되어 있는 것으로 나타났다.

NMDA 수용체의 신호전달 감소가 자폐증 유사 행동들의 발병 기전인지 확인하기 위해 감소된 NMDA 수용체의 신호전달을 향상시킬 수 있는 약물을 처리하는 실험을 진행하였다. NMDA 수용체의 활성을 직접적으로 증가시킬 수 있는 partial agonist D-cycloserine(DCS)을 사용한 결과 Shank2 KO 생쥐에서 감소되었던 NMDA 수용체의 신호전달(NMDA/AMPA ratio)은 WT 정상 생쥐 수준으로 회복되었으며, 3-chamber social interaction 실험에서의 상호작용 지수도 유의미하게 증가된 것을 확인할 수 있었다.

MDA 수용체 partial agonist인 D-cycloserine을 사용했을 때
Shank2 KO 생쥐에서 나타난 NMDA/AMPA ratio의 감소가 정상화 되었으며 사회성 지수(preference index)도 Shank2 KO 생쥐에 비해서는 증가된 것으로 나타났다.

  추가적으로, NMDA 수용체가 아니라 mGluR5 수용체(metabotropic glutamate receptor)를 조절하는 약물인 CDPPB를 처리하였을 때에는 DCS에서의 결과와 동일하게 NMDA 수용체의 신호전달(NMDA/AMPA ratio)이 회복되었으며 Shank2 KO 생쥐에서 나타났던 LTP, LTD 등의 시냅스 가소성이 WT 정상 생쥐와 동일하게 잘 유도되었다. 또한, 사회적 상호작용 실험에서도 CDPPB를 처리한 경우에는 사회성 지수가 Shank2 KO 생쥐에 비해 크게 증가하였으며, DCS의 경우와는 다르게 WT 정상 생쥐와 비교했을 때에도 큰 차이가 없었다.

mGluR5 수용체의 positive allosteric modulator인 CDPPB를 사용했을 때 Shank2 KO 생쥐에서 나타난NMDA/AMPA ratio의 감소와 시냅스 가소성의 손상, 그리고 사회성 지수(preference index)도 WT 정상
생쥐 수준으로 정상화되었다.  

 3. 기대효과
  본 연구를 통해 SHANK2 유전자의 microdeletion이 자폐증의 유전적 원인이 될 수 있음을 처음으로 규명하였으며, 생리학적, 생화학적 실험을 통해 NMDA 수용체의 기능저하와 이로 인한 신호전달체계의 손상이 자폐증 유사 행동을 유발시키는 발병 기전이 될 수 있음을 보여주었다. 또한, mGluR5 modulator를 통한 실험을 통해서 mGluR5가 자폐증 치료, 또는 증상 완화를 위한 새로운 약물 타겟이 될 가능성을 제시하였다. 아울러 시냅스 단백질 이상으로 인한 시냅스 기능의 변화가 각종 다양한 신경정신 질환의 원인이 될 수 있음을 시사하고 있어 앞으로 시냅스 및 시냅스가소성에 연구가 보다 활발해질 것으로 예측된다.

Journal Reference
Autistic-like social behaviour in Shank2-mutant mice improved by restoring NMDA receptor function
Hyejung Won, Hye-Ryeon Lee, Heon Yung Gee, Won Mah, Jae-Ick Kim, Jiseok Lee, Seungmin Ha, Changuk Chung, Eun Suk Jung,Yi Sul Cho, Sae-Geun Park,Jung-Soo Lee, Kyungmin Lee, Daesoo Kim, Yong Chul Bae,Bong-Kiun Kaang,Min Goo Lee & Eunjoon Kim + et al.
Nature 486, 261-265 doi:10.1038/nature11208