신경퇴행성뇌질환은 감각, 운동, 인지 등의 신경세포 기능의 점진적인 퇴화를 특징으로 하며, 그 예로는 알츠하이머병, 파킨슨병, 루게릭병, 전측두엽성치매, 헌팅턴병 등이 있다. 독성, 화학물질, 바이러스 같은 질병을 유발하는 여러가지 원인들이 밝혀져 있지만 유전자 돌연변이와 잘못 접힌 단백질이나 단백질 응집체의 형성이 대부분의 원인으로 꼽힌다. 현재까지 보고된 연구들에 따르면 자가 포식작용은 단백질 응집체를 분해하며 신경퇴행성뇌질환을 늦춘다.
TARDBP/TDP-43은 루게릭병, 전측두엽성치매 등의 신경퇴행성뇌질환 원인 유전자 중의 하나이다. 이는 주로 핵에 위치하며 유전자 전사, RNA 가공, RNA 안정성 등 RNA 대사와 관련된 기능을 한다. 하지만 병리학적 조건에서 TDP-43과 TDP-35, TDP-25와 같은 C-말단 조각들은 세포질에 위치하며 질병의 병리학적 특징을 나타내는 응집체를 형성한다.
자가포식작용은 세포 내 항상성을 조절하기 위한 분해 시스템으로 손상된 세포 내 소기관, 잘못 접힌 단백질 등 원치 않는 물질을 제거한다. 비선택적 자가포식작용은 무작위의 물질들을 표적하여 분해하는 반면에 선택적 자가포식작용은 미토콘드리아, 소포체, 퍼옥시좀, 스트레스 응집체, 박테리아, 단백질 응집체 등을 선택적으로 분해한다. 많은 자가포식연관유전자(ATG)들이 자가포식작용에 연관되어 있는데, 그 중에서 Atg8은 자가포식체에 결합되어 자가포식체의 형성/성숙과 분해될 물질의 모집 등에 필수적인 단백질이다. 효모에서 Atg8은 포유류에서 6개의 LC3/GABARAP 단백질들로 나뉘어지지만 이들 각각의 특정 역할에 대한 연구가 필요하다. 일반적으로 LC3/GABARAP 단백질과 상호작용하는 단백질들은 LC3-interacting region (LIR) 모티프를 가지며, 이들은 각 LC3/GABARAP 단백질들과 선택적으로 상호작용을 하는 것으로 알려져 있다. 각각의 선택적 자가포식작용은 특정 LIR 모티프를 가지는 리셉터/어댑터 단백질들에 의해서 작동될 수 있으며, 그들과 상호 작용하는 LC3/GABARAP 단백질들이 역할을 한다.
따라서 이번 연구에서는 막 통과 mATG8 단백질의 기능을 확인하기 위해서 선택적으로 모니터링하고 떨어뜨릴 수 있는 새로운 도구를 개발하였으며, TDP-25 단백질 응집체나 스트레스 응집체의 분해와 관련된 메커니즘을 확인했다.
첫번째 챕터에서는 세포 수준의 방법을 이용하여 막 통과 형태의 mATG8 단백질들과 연관된 LIR 모티프를 확인했으며, 자가포식체막에서 각 mATG8 단백질들의 역할을 연구하기 위한 선택적인 센서와 효소를 제작했다. 추가적으로 GABARAP 단백질들이 루게릭병과 연관된 TDP-25 단백질 응집체의 세포 내 분해를 조절한다는 사실을 확인했다.
두번째 챕터에서 TDP-25가 미토콘드리아에 위치하고 Parkin-매개 mitophagy를 통해 분해된다는 것을 확인했다. Myosin IIB는 액틴에 기반한 모터 단백질이며 미토콘드리아 기능장애와 신경독성에 기능을 하는데 이들은 배양된 대뇌 신경세포에서 TDP-25와 연관되어 있다. 따라서 독성을 갖는 TDP-25에 의해서 유도된 mitophagy의 세포 내 분해에서 Myosin IIB의 새로운 역할을 제기했고 Myosin IIB의 활성 조절이 TDP-43 병리와 연관된 여러 신경퇴행성뇌질환에서 TDP-43-유도 세포 독성을 경감시키는 잠재적인 전략이 될 것이다.
세번째 챕터에서는 GABARAP, GABARAPL1과 상호작용하는 NS1-BP 단백질이 스트레스 응집체 단백질들과도 상호작용하며 스트레스 응집체를 조절한다는 것을 확인했다. 더욱이 이 단백질은 산화스트레스 조건에서 자가포식작용 어댑터 단백질인 p62와 상호작용을 하는데 NS1-BP가 p62 유비퀴틴화를 억제하며 p62 단백질을 조절한다는 것을 확인하였다. NS1-BP는 p62와 연관되어서 스트레스 응집체의 자가포식작용 매개 분해를 조절할 수도 있다. 따라서 이 연구는 p62 유비퀴틴화가 매개된 자가포식체 활성을 조절을 통해 스트레스 응집체와 자가포식작용을 조절하는 마스터 조절자로서 NS1-BP의 새로운 역할을 보여준다.
이번 연구에서는 단백질 응집체와 스트레스 응집체의 선택적인 자가포식작용의 메커니즘을 제시한다. 더욱이 막 통과 mATG8의 선택적인 센서와 효소는 자가포식작용에서 여러가지 선택적 자가포식 작용의 메커니즘을 연구하는데 유용한 도구가 될 것이다.