Neuronal regulation of peripheral organs mediated by calcium signaling

Abstract

시냅스는 두 신경세포가 신호를 주고받는 신경세포내의 기본 구조물로서 이를 중심으로 하는 많은 연구들이 신경세포의 세포간 신호전달 기능을 밝히고 있다. 시냅스의 구조와 기능조절에 대한 이해는 뇌기능 연구의 핵심이자 synaptopathy로 인한 뇌질환을 극복하는데 매우 중요하다. 신경세포는 외분비선과 근육 등을 포함한 우리 몸의 많은 장기들을 통제하는 역할을 수행한다. 중추신경뿐만 아니라 말초신경에서도 시냅스를 중심으로 한 신경세포와 다른 세포간의 신호전달은 매우 중요한 의의를 가지며, 이들에 대한 연구들은 해당 장기(organ)의 신경조절을 분자 및 세포차원에서 이해하는데 필수적이다. <br/> 말초신경계 중 하나인 타액선은 신경전달물질에 의한 세포 내 칼슘신호를 통해 그들의 분비 기능을 조절한다. 세포 내 Ca2+의 증가는 세포 내 다양한 도메인에서 이온통로의 활성을 조절하고 AQP5 채널의 막 이동을 유도하여 물 분비를 일으킨다. 이러한 타액선 세포는 G-단백질 연결 수용체들 (GPCRs)을 통하여 다른 세포들과 신호를 전달한다. 따라서 외분비선을 포함한 여러 장기에서의 GPCR을 이해하는 것은 신경으로부터 전달 되는 신호가 어떻게 수용되는지를 이해하는 데 매우 중요하다. <br/> 첫 번째로, 타액선에서 GPCR 신호 전달의 분자 메커니즘을 특성화했다. 최근 SOCE는 GPCR경유 Ca2+ 유입에 크게 기여함이 밝혀졌지만 아직까지 비흥분성세포에서 SOCE 특성을 비교한 연구는 잘 이루어져 있지 않다. 1 장에서는 인간 악하선 HSG 세포와 PC12세포, HEK293 세포, Jurkat-T 세포 및 HL-60 세포의 SOCE 특성을 비교분석 하였다. 결과적으로, HSG 세포는 전형적인 Orai 의존 SOCE를 갖는 대부분의 비흥분성 세포와는 구별된다는 것을 확인했다.<br/> 다음으로 타액선 세포에서 새로운 GPCR을 밝혀 냈다. 2 장에서는 인간의 턱밑 샘 세포에서 대사성 Zn 수용체를 확인하고 그 특성을 분석하였다. 그 결과 ZnR / GPR39가 인간 턱밑샘 세포에서 발현한다는 것을 발견했으며, Zn는 cytosolic Ca2+ 농도 ([Ca2+]i)를 증가시켰다. 흥미롭게도, Zn에 의한 [Ca2+]i증가가 muscarnic antagonist와 histaminergic antagonist 에 의해 억제되지 않았으나, PLC inhibitor에 의해서는 완전히 억제됨으로써 이종 탈 감작을 보였다. 이러한 결과들은 인간의 타액선세포에서 대사성 Zn2+ 수용체가 기존에 알려진 타액선 GPCR과 구별되는 Ca2+ 신호 전달을 유도함으로써 타액분비를 조절함을 의미한다. <br/> 또한, 타액선 세포에서 GPCR 신호 전달 조절제를 연구했다. 3 장에서는 chlorpromazine이 타액선의 세포내 칼슘 신호기전을 어떻게 조절하는지에 대한 연구 결과를 다뤘다. 생쥐 동물모델에서 chlorpromazine은 무스카린 수용체 자극에 의한 타액분비를 억제하였다. Chlorpromazine은 또한 인간의 타액선세포에서 무스카린 및 히스타민에 의한 세포 내 칼슘증가를 억제하였으며, 흥미롭게도 thapsigargin에 의한 칼슘증가도 억제하였다. 이러한 결과는 chlorpromazine이 ER 및 SOCE와 같은 다양한 저해 부위를 통해 GPCR 매개 된 칼슘 신호를 억제함으로써 타액 분비를 감소 시킨다는 것을 시사한다.<br/> 마지막으로 근육 세포에서 GPCR로 유도 된 Ca2+ 신호의 downstream 조절에 대해 연구했다. Ca2+ activated K+ channel인 BK channel은 cytosolic Ca2+ 신호의 downstream이다. 이 BK channel의 세포막 표면 수준의 조절인자로 cereblon (CRBN)이 알려져 있다. 4장에서는 pathogenic R419X가 CRBN KO mutant에서 관찰되는 phenotype을 rescue하는지 확인하고자 했다. Drosophila NMJ를 이용하여null mutant 에서 관찰되는 release probability의 감소를 R419X가 rescue하지 못하는 것을 확인했으며, 또한 CRBN WT이 brain 영역에서 발현되는 반면 CRBN R419X는 VNC 및 axonal terminal영역에서 발현됨을 확인함으로써, targeting defect가 있음을 관찰했다. Cultured hippocampal neuron영역에서도 CRBN KO cell에 CRBN WT를 transfection하면 BK channel activity가 감소하지만, CRBN R419X를 transfection 시 BK channel의 유의적인 감소를 보이지 않았다. 이러한 결과는 BK channel 증가를 통한 presynaptic release probability의 감소가 CRBN KO 과 point mutation (R419X)에 의해 유도 될 수 있음을 시사한다. <br/> 이러한 결과들은 Ca2+ 신호에서 upstream (GPCR)과 downstream (Ca2+ - activated K+ channel) 인자들이 말초 신경 전달에 대한 중요한 조절 인자로 작용하며, 외분비선과 근육을 포함한 말초신경 기능의 핵심적인 조절자 타겟이라는 것을 의미한다.<br/>