α-시뉴클레인 전파의 통합적 메커니즘 연구: 분자 기전, 치료 조절 및 진단 전략 = Integrated framework of α-synuclein propagation: from molecular mechanisms to therapeutic modulation and diagnostic strategy

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Numerous studies have identified the intercellular transmission of protein aggregates as a key mechanism underlying neurodegenerative disease progression. This propagation often occurs via a prion-like spreading mechanism, where misfolded proteins act as seeds to promote the structural conversion of native proteins into pathogenic forms, promoting aggregate formation [1]. Upon intercellular transfer, internalized protein aggregates can be degraded within recipient cells via the proteasome or autophagy-lysosome pathways. However, a common feature of neurodegenerative diseases is the dysregulation of proteostasis, characterized by impaired proteasomal and autophagic-lysosomal degradation [2]. Lysosomal dysfunction has been increasingly recognized as a central contributor to neurodegenerative diseases, yet the mechanisms by which it confers specificity to distinct proteinopathies remain unclear.

In this thesis, I identified sets of lysosomal storage disorder (LSD)-related genes that differentially regulate the propagation of α-synuclein and tau. CLN3, GBA2, GALC, and ASAH1 selectively enhanced α-synuclein aggregation, while NPC1, LIPA, NAGLU, and ARSB specifically promoted tau propagation. These gene–pathology associations were further supported by functional phenotypic assays, highlighting lysosomal dysfunction as a determinant of disease specificity.

Building on this concept, I investigated the therapeutic modulation of α-synuclein pathology in a gut-first Parkinson’s disease (PD) model. Rotenone administration induced phosphorylated α-synuclein accumulation along the gut–brain axis, which was attenuated by safinamide treatment, especially within the vagus nerve and its connected central nervous system regions. Safinamide preferentially reduced soluble phosphorylated α-synuclein species, suggesting a mechanism beyond its dopaminergic effects that may contribute to disease modification.
In parallel, I developed an exosome-based biomarker strategy for PD. Optimized in vitro PD-like models confirmed that α-synuclein is selectively secreted via exosomes. Among candidate exosome surface markers, CLDN4 was validated as a robust gut-associated marker that enabled selective immunoprecipitation of plasma-derived exosomes. CLDN4⁺ exosomes were implied to display seeding activity exclusively in PD patient samples in RT-QuIC assays, suggesting their potential as a diagnostic biomarker, although further validation in larger and specific cohorts will be necessary to confirm their diagnostic utility.

Collectively, this study offers mechanistic insights into how lysosomal gene defects may influence proteinopathy specificity. The results further suggest that safinamide not only attenuates α-synuclein pathology along the gut–brain axis but also provides more precise neuroprotection by selectively modulating hyperactive neuronal subpopulations through state-dependent sodium channel inhibition., and that CLDN4⁺ exosomes may serve as a promising basis for biomarker development in PD. Through these findings, Iwas able to deepen the understanding of the pathophysiology of neurodegenerative diseases and gain insights that may inform future strategies for precision therapy and diagnosis.

국문 초록 (Abstract)

여러 연구에서 단백질 응집체의 세포 간 전달이 신경퇴행성 질환(Neurodegenerative disease, ND)의 진행에 관여하는 핵심 기전임이 보고되어 왔다. 이러한 전파는 흔히 프리온(Prion) 유사 기전을 통해 이루어지며, 잘못 접힌 단백질이 “시드(seed)”로 작용하여 정상 단백질의 병적 구조 변환과 응집체 형성을 유도한다 [1]. 세포 간 전달 이후, 세포 내로 유입된 단백질 응집체는 프로테아좀(proteasome)이나 자가포식-리소좀(autophagy–lysosome) 경로를 통해 분해될 수 있다. 그러나 NDs의 공통된 특징 중 하나는 단백질 항상성(proteostasis)의 이상이며, 이는 proteasome 및 autophagy-lysosome 분해 기능의 손상으로 특징지어진다 [2].

본 연구에서는 α-synuclein(α-syn) 전파를 결정짓는 핵심 기전 축 가운데 하나인 lysosome 기능장애를 기반으로, 리소좀 축적질환(Lysosomal storage disease, LSD) 관련 유전자군이 α-syn 과 tau 의 전파를 상이하게 조절하는지를 규명하고자 하였다. 그 결과, CLN3, GBA2, GALC, ASAH1 유전자는 α-syn 응집을 선택적으로 증가시킨 반면, NPC1, LIPA, NAGLU, ARSB 유전자는 tau 전파를 특이적으로 촉진함을 확인하였다. 이러한 유전자–병리 연관성은 기능적 표현형 분석을 통해 추가적으로 입증되었으며, lysosome 기능장애가 단백질병(proteinopathy)의 질환 특이성을 결정하는 데 기여할 수 있음을 시사하였다.

이러한 개념을 확장하여, 본 연구는 장–뇌 축(gut–brain axis) 경로를 따라 병리가 시작되는 장-기원 파킨슨병(Parkinson’s disease, PD) 모델에서 α-syn 병리와 그 전파를 표적으로 하는 치료적 조절 전략의 가능성을 검증하고자 하였다. Rotenone 투여는 gut–brain axis 를 따라 인산화 α-syn(p-α-syn) 축적과 신경세포 소실을 유도하였으며, safinamide 처리 후에는 특히 미주신경과 그 연결 중추신경계 영역에서 염증 조절과 p-α-syn 감소 효과를 확인할 수 있었다. 이는 단순 도파민성 효과를 넘어 질환 조절에 기여할 수 있는 기전적 가능성을 제시하였다.
한편, 본 연구에서는 전파되는 병리적 α-syn 을 포착하기 위한 전략으로 외소체(exosome) 기반 파킨슨병 진단 바이오마커 플랫폼을 새롭게 구축하였다. 최적화된 in vitro PD 유사 모델을 통해 α-syn 이 exosome 을 통해 선택적으로 분비됨을 확인하였으며, 후보 exosome 표면 마커 가운데 CLDN4 는 혈장 유래 외소체를 선택적으로 면역 침전할 수 있는 장 관련 마커로 검증되었다. CLDN4⁺ 외소체는 RT-QuIC 분석에서 PD 환자 시료에 대해 선택적 seeding 활성을 보이는 경향을 나타내어 진단 바이오마커로서의 가능성을 보여주었다. 다만, 이러한 결과를 확증하기 위해서는 더욱 큰 규모의 코호트와 특화된 집단을 통한 추가 평가가 필요하다.

종합적으로, 본 연구를 통해 lysosome 유전자 결함이 단백질병의 특이성에 관여할 수 있음을 이해할 수 있었으며, Safinamide 가 gut- brain axis 를 따라 α-syn 전파를 조절할 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한 CLDN4⁺ exosome 을 기반으로 한 접근이 장유래 파킨슨 아형의 전구단계 진단 바이오마커로 발전할 잠재성을 지님을 관찰하였다. 이러한 연구 결과들을 통해 NDs 의 병태생리에 대한 이해를 확장하고, 향후 정밀 치료 및 진단 전략 수립에 대한 통찰을 얻을 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 신경 퇴행성 질환 2
• 1.1 단백질 응집 2
• 1.2 단백질 전파 2
• 1.3 공통 병리 경로 2
• 1.4 단백질병 3
• 제 2 절 파킨슨병 4
• 2.1 파킨슨병의 증상 4
• 2.2 파킨슨병의 병리적 특징 5
• 2.2.1 알파-시뉴클레인 응집 5
• 2.2.2 자가포식-리소좀 경로 기능 이상 5
• 2.2.3 Braak stage 와 장-뇌 축 6
• 2.3 파킨슨병의 발병 기전 6
• 2.3.1 알파-시뉴클레인 오접힘과 응집질환 7
• 2.3.2 미토콘드리아 기능장애 7
• 2.3.3 산화 스트레스 8
• 2.3.4 신경 염증 8
• 2.3.5 세포 노화 9
• 제 3 절 알파-시뉴클레인 9
• 3.1 알파-시뉴클레인 구조 9
• 3.2 세포 외 알파-시뉴클레인 10
• 3.3 알파-시뉴클레인의 세포간 전파 11
• 제 4 절 파킨슨병 치료법 12
• 4.1 도파민성 치료법 13
• 4.2 비도파민성 치료법 14
• 제 5 절 파킨슨병 진단법 14
• 5.1 임상적 진단 15
• 5.2 영상 기반 진단 15
• 5.3 바이오마커 기반 분자진단 16
• 제 2 장 알파-시뉴클레인 전파와 관련된 리소좀 유전자 시그니처 23
• 제 1 절 실험재료 및 방법 24
• 제 2 절 실험 결과 31
• 1. 알파시뉴클레인과 타우 전파에 대한 고내용 스크리닝 시스템 구축 32
• 2. 후보 조절 유전자의 단백질별 특이성 33
• 3. 후보 조절 유전자의 효능과 특이성 검증 34
• 제 3 절 그림 36
• 제 4 절 고찰 52
• 제 3 장 사피나마이드를 통한 알파-시뉴클레인 전파 조절 57
• 제 1 절 실험재료 및 방법 58
• 제 2 절 실험 결과 63
• 1. 로테논 처리 모델에서 장-뇌 축을 통한 병적 알파-시뉴클레인의 전파 64
• 2. 3 개월 시점에서 로테논 유도 알파-시뉴클레인 병리에 대한 사피나마이드의 효과: 결장, 미주신경, 연수 및 중뇌 분석 64
• 3. 6 개월 시점에서 로테논 유도 알파-시뉴클레인 병리에 대한 사피나마이드의 효과: 결장, 미주신경, 연수, 중뇌 및 대뇌피질 분석 66
• 제 3 절 그림 68
• 제 4 절 고찰 93
• 제 4 장 장 관련 엑소좀 바이오마커를 통한 알파-시뉴클레인 전파 추적 98
• 제 1 절 실험재료 및 방법 99
• 제 2 절 실험 결과 106
• 1. In vitro 파킨슨병 유사 조건 확립과 로테논 처리 조건 검증 107
• 2. 후보 엑소좀 막 단백질 마커의 in vitro 와 in vivo 발현 검증 107
• 3. 후보 엑소좀 마커의 검증과 엑소좀 면역침강 조건 최적화 108
• 제 3 절 그림 111
• 제 4 절 고찰 126
• 제 5 장 전체적인 고찰 및 결론 130
• 참고문헌 134
• Abstract 174