정상 쥐의 신경세포의 발생과정에서 유비퀴틴-프로테아좀 시스템의 기능에 관한 연구

Abstract

유비퀴틴 프로테아좀 시스템(Ubiquitin-proteasome system; UPS)은 진핵생물에서 대표적인 단백질 분해작용기작이다. 이런 분해작용기작이 뇌신경의 발달과정에서 중요한 조절역할을 한다는 내용들이 최근 활발히 연구되고 있다. 특히 신경발달 과정에서 시냅스의 형성과정인 synaptogenesis는 성인의 뇌에서도 계속적으로 진행된다. Synaptophysin은 막 당단백질로서 synaptogenesis의 연구에서 시냅스 표지자로서 사용된다. 본 연구에서 synaptogenesis과정 중에 UPS의 기능을 억제함으로써 신경발달에 관련된 단백질들의 발현량의 변화와 프로테아좀 활성을 설치류인 일반 쥐에서 관찰하였다. Neurotrophin의 하나인 신경성장요소는 신경발생 과정동안 필요되는 물질로 알려져있다. 신경성장요소의 양을 생후 6일된 쥐와 4주된 성인 쥐의 뇌의 해마체에서 확인함으로써 뇌신경 발달과정을 확인하였다. 또한 synaptogenesis가 진행되는 동안 synaptophysin의 발현양도 함께 증가되는 것을 확인하였으며 반면 프로테아좀의 활성은 반대로 감소되는 것을 뇌의 해마체와 근육에서 관찰할 수 있었다. 특히 프로테아좀의 활성에 중요한 역할을 하는20S proteasome β subunit은 생후 20일된 쥐의 뇌의 해마체에서 많이 관찰되었으며 생후 6일된 쥐의 근육에서도 많이 관찰되었다. UPS에서 표지역할을 하는 유비퀴틴의 발현양은 생후 1일된 쥐와 비교해서 생후 20일된 쥐와 4주된 성인 쥐의 근육에서는 많이 증가되었으나 뇌의 해마체에서는 별다른 차이가 나타나지 않았다. 좀더 프로테아좀 기능과 뇌신경 발생과의 관계를 알아보고자 우리는 프로테아좀 억제제인 MG132를 사용하였다. 그 결과 흥미롭게도 동량의 MG132를 복강으로 주사하였을 때 생후 1일된 쥐에서는 프로테아좀의 활성이 대조군과 별다른 차이를 보이지 않았고 생후 20일된 쥐에서는 대조군에 비해서 감소된 프로테아좀 활성을 나타내었다. 또한 synaptophysin의 발현양도 MG132의 주입으로 생후 20일된 쥐의 뇌의 해마체와 근육에서 모두 현저히 감소된 것이 관찰된 반면, 생후 1일된 쥐에서는 별다른 변화가 나타나지 않았다. 요약하면 초기 발생과정에서는 프로테아좀의 완전히 기능하지 않는다는 한가지 가능성을 갖게 된다. 또한 synaptogenesis가 UPS에 의해 조절되고 있다고 생각된다. 이 결과들을 통해서 UPS가 synaptogenesis과정에서 직접적으로 시냅스형성 관련 단백질들의 양을 조절함으로써 synaptogenesis단계에서 단백질의 발현을 조절한다고 예상된다.; Ubiquitin-proteasome system (UPS) is one of the major machineries for protein degradation in eukaryotic cells. Many recent studies have suggested that UPS function is critical for synaptic development. In humans, synaptogenesis is reported to begin as early as gestation month 2 and continues into postnatal life. Synaptophysin has been used investigation of synaptogenesis as a presynaptic marker. On the assumption that UPS regulates synaptic development, we first determined the expression level of related protein in brain development and proteasome activity in rodents. We first reconfirmed the level of nerve growth factor (NGF), which is one of neurotrophin, and the expression level of synaptophysin. We found the increased synaptophysin level and decreased proteasome activities by age in both the hippocampus and muscle in postnatal development. The expression level of 20S proteasome β subunit, which is main catalytic core unit, significantly increased after postnatal day 20 (P20) in the hippocampus and after P6 in the muscle. Free ubiquitin levels increased at P20 and adults in the muscle, but not in the hippocampus. To determine whether proteasome function is directly related to control the synaptogenesis, we administered the proteasome inhibitor, MG132 into P1 and P20 rats. Interestingly, the expression level of synaptophysin significantly decreased by MG132 injection in the hippocampus and muscle of P20 rats, but not in P1 rats. Taken together, UPS is directly involved in the regulation of synaptogenesis via controlling of synaptic protein expression level in the postnatal synaptogenesis.