자살 사망자의 뇌조직을 이용한 자살의 생체 표지자 발굴

Abstract

서론: 자살은 전 세계적으로 주요한 사망 원인이며 심각한 공중 보건 문제 중 하나이다. 자살은 다양한 요소들에 영향을 받아 일어나지만, 자살을 예방하고 치료하기 위해서는 자살의 생물학적인 기전을 이해하는 것이 매우 중요하다. 자살에 대한 생물학적 기전을 연구함에 있어 고위험 자살행동 환자를 대상으로 하는 경우가 많은데, 이들의 특성은 자살 사망자의 특성과 다를 수 있어 자살 사망자를 대상으로 하는 원인 장기인 뇌조직의 연구가 필수적이다. 현재까지 한국의 자살사망자의 사후 뇌 조직을 이용한 연구는 부재하며, 본 연구에서는 자살 사망자의 사후 뇌 조직의 단백체 분석을 통하여 그 생물학적 기반을 조사하고자 하였다.

방법: 예비 연구(자살 사망자의 뇌 3례, 돌연사 3례)를 통하여 사후 뇌조직 샘플의 단백체 분석 프로토콜을 수립하였다. 확정된 연구 프로토콜을 대규모 샘플인 36명의 사후 뇌조직 (23명의 자살 사망자, 13명의 돌연사)에 적용하였다. 뇌조직의 질을 확인 후, Liquid chromatography 분석법과 함께 tandem mass tag 기반 정량화 기법을 사용하여 전두엽 피질(Broadmann 영역 9, 10)에서 채취한 사후 뇌조직의 단백질체 프로파일링을 수행하였다. Gene ontology(GO) 분석, Ingenuity Pathway Analsysis(IPA), Gene Set Enrichement Analsysis(GSEA), Weighted Gene Co-expression Network Analysis (WGCNA)의 생물정보학적 도구들을 사용하여 자살과 관련된 생물학적 경로와 기능 단위들을 추출하였다. 자살 사망자 내에서 진단명, 약물 사용력, 사망당시 알코올 사용 여부 등의 임상 정보를 바탕으로 하위 그룹들을 나누었고, 각 그룹들 사이에서 공통적 또는 차등적으로 발현되는 단백질을 확인하고자 그룹별 분석을 진행하였다.

결과: 총 36개의 사후 뇌조직의 질을 평가하였고, 모두 적정 수준 내에 포함됨을 확인하였다. 단백체 분석 결과 동정된 9,801개의 단백질 중 295개(244 up-regulated, 81 down-regulated)가 자살사망자와 돌연사 사이에서 유의한 발현량 차이를 보였다. 다양한 생명정보학적 기법을 통하여 관련된 생물학적 경로를 추출하였을 때, 자살사망자에서 체내 카나비노이드 경로, GABA경로 및 세포사멸 경로가 돌연사에 비해 유의하게 변화하였음을 확인할 수 있었다. 신경계 발달과 기능과 관련된 네트워크 내에서 CAPNS1, CSNK2B, PTP4A2와 같은 단백질들이 자살사망자에서 차등발현됨을 확인하였다. 자살사망자 내에서 임상정보를 바탕으로 하위 그룹 분석을 수행하였고, 정신질환의 유무와 관련하여 유의한 차이를 보이는 단백질로는 GSTT1을 확인하였고, 알코올 사용장애와 연관되어서는 S100A10를 확인하였다.

결론: 본 연구는 한국에서 최초로 자살사망자의 뇌를 이용하여 단백체를 분석한 연구이다. 현재까지의 자살사망자의 뇌를 기반으로한 단백체 연구들 중에서 가장 많은 수의 단백질을 동정하였으며, 기존 문헌들과 비교하였을 때 새롭고 타당성 있는 자살사망 관련 생물학적 경로들(체내 카나비노이드 경로, GABA 경로, 세포사멸사 경로)과 가능성 있는 바이오마커를 제시하였다. 본 연구는 향후 더욱 구체적인 자살사망관련 메커니즘의 확인의 기반 연구가 될 것이다.

Introduction: Suicide is the leading cause of death worldwide and a serious public health problem. Even though suicide occurs under the influence of various factors, it is important to understand its underlying biological mechanism in order to prevent and treat suicide. Existing suicide research is studied in patients with high-risk suicidal behavior. However, their biological characteristics may still differ from those that have completed suicide. Out study aims to investigate the biological basis of suicide, using a proteomic approach, which we believe has not been attempted before in Korea.

Methods: A protocol for proteomic analysis of postmortem brain tissue samples was established through a pilot study using 3 cases of suicidal deaths and 3 cases of sudden death. The established study protocol was applied to a larger sample of 36 postmortem brain tissues (23 suicide survivors and 13 controls). Post confirmation of brain tissue quality, proteomic profiling of the prefrontal cortex (Broadmann areas 9 and 10) was performed using a tandem mass tag-based quantification technique, along with liquid chromatography analysis. Gene Ontology analysis, Ingenuity Pathway Analysis, Gene Set Enrichment Analysis, and Weighted Gene Co-expression Network Analysis were used as tools to extract functional units and biological pathway information related to suicidal death. Furthermore, subgroups were created based on clinical information such as psychiatric diagnosis, psychotropic use, and alcohol use at the time of death, and subgroup analysis was conducted to identify proteins commonly or differentially expressed in the samples.

Results: The tissue quality of 36 postmortem brains was evaluated and confirmed. Proteomic analysis, comparing brains from suicide and sudden death, showed significant differences in the expression of 295 (244 up-regulated, 81 down-regulated) out of 9,801 identified proteins. The in vivo cannabinoid, GABA, and apoptosis pathways were significantly altered in brains from suicidal deaths, when compared with sudden death. Furthermore, proteins like CAPNS1, CSNK2B, and PTP4A2 were differentially expressed in suicide victims, within networks related to nervous system development and function. A subgroup analysis was performed on the basis of clinical information in the suicidal deaths, and GSTT1 was found as a protein that showed a significant difference depending on the presence or absence of mental illness, and S100A10 seemed to be associated with alcohol use disorder.

Conclusion: Our study is the first in Korea to analyze proteins using the postmortem suicide brain. Among the proteomic studies based on the brains of suicide victims so far, the largest number of proteins were identified in the current study. Also, new and relevant suicide-related biological pathways, such as the in vivo cannabinoid, GABA, and the apoptosis pathways were suggested to be related to suicidal death. This study will serve as a basis for the identification of more specific suicide-death-related mechanisms in the future.