질병과 노화에서의 미토콘드리아 DNA 돌연변이 (Mitochondrial DNA Mutations in Disease and Aging)

- 출처 : Wallace DC., Mitochondrial DNA mutations in disease and aging. Environ Mol Mutagen. 2010 Jun;51(5):440-50.

(내용을 가져가실 땐 반드시 위 출처와 본 블로그를 함께 기재해 주시기 바랍니다.)

Mitochondrial DNA Mutations in Disease and Aging

질병과 노화에서의 미토콘드리아 DNA 돌연변이

 

<Introduction>

  미토콘드리아 질병은 heterogeneous하고 multisystematic하다. 미토콘드리온이 세포에 에너지를 공급하기 때문에 미토콘드리아의 장애는 많은 에너지가 요구되는 기관에서 우선적으로 영향을 받는다. 그 결과 에너지 결함은 장님, 난청, 이동장애, 치매, 심근질환, 근질환, 신장기능장애, 노화 등의 형태로 나타난다. 또한 외부의 에너지와 세포 기관 에너지 사이의 경계에 있기 때문에 미토콘드리아 장애는 당뇨, 비만, 심혈관 질환, 암과 같은 질환과도 밀접한 연관이 있다. (Figure 1)

  미토콘드리아 질환은 핵 DNA에 존재하는 미토콘드리아 단백질 또는 mtDNA를 암호화하는 유전자에 생긴 결함에 의해서도 야기될 수 있다.

 

<Mitochondrial Bioenergetics and Genetics>

  미토콘드리아는 4가지 중심 기능을 수행한다. 1) ATP 형태인 세포에너지의 대부분을 제공. 2) 활성산소종(ROS)를 생성하고 조절한다. 3) 세포질 칼슘이온의 완충작용을 한다. 4) 미토콘드리아의 투과성 전이 구멍을 통해서 세포자살(apoptosis)를 조절한다.

 

Mitochondrial Energetics (미토콘드리아 에너지학)

  동물에서 에너지학은 환원 당량인 수소의 유효성을 기반으로 하며, 탄수화물과 지방으로써 소비된다. 이것은 미토콘드리아의 산화적 인산화 (OXPHOS)를 통해서 산소와 결합하고 물을 생성하는 반응을 한다. 우리가 섭취한 glucose는 glycolysis를 통해 세포질에서 pyruvate로 분해되고, 세포질의 NAD+를 NADH로 환원시킨다. Pyruvate dehydrogenase를 통해서 pyruvate가 미토콘드리온으로 들어가고, 그 결과로 acetyl-CoA, NADH+H+, CO2를 생산한다. Acetyl-CoA는 tricarboxylic acid cycle로 들어가서 NADH+H+를 생성하는 유기산으로부터 수소를 제거한다. 지방산은 β-oxidation에 의해 전체적으로 산화되어 acetyl-CoA, NADH+H+, FADH2를 생산한다. 두 전자가 NADH+H+로부터 NADH dehydrogenase (COMPLEX I)으로 전달된다. COMPLEX I 또는 FADH2를 포함한 효소로부터 나온 전자는 ubiquinone (CoQ)를 ubisemiquinone (CoQH)으로, 다시 ubiquinol (CoQH2)로 환원시킨다. CoQH2로부터 나온 전자는 COMPLEX III, cytochrome C, COMPLEX IV로 전달되고, 최종적으로 산소로 전달되어 물을 생성한다.

전자의 흐름인 electron transport chain (ETC)로써 방출되는 에너지는 Complexes I, III, IV를 통해 미토콘드리아 내막을 지나는 양성자 펌프에서 이용되고, 이것은 양성자 전기화학적 구배를 형성한다. 이렇게 생성된 ΔP는 ATP synthetase (COMPLEX　V)를 통한 양성자의 흐름을 통해 ADP+Pi 의 전환으로 ATP를 만든다. 매트릭스 내부에서 생성된 ATP는 세포질의 ADP와 adenine nucleotide translocator (ANTs)에 의해 교환된다. ΔP는 단백질과 칼슘 이온의 유입, 열의 생성, pH의 조절 등 많은 다른 목적을 위해 이용될 수도 있다.

섭취된 환원 당량이 OXPHOS에 의해 ATP로 전환되는 것에 대한 효율을 coupling efficiency라고 한다. 미토콘드리아 단백질에 변이가 생기면 이런 OXPHOS의 coupling efficiency에 변화가 생기게 된다.

 

OXPHOS Complexes

  미토콘드리아의 OXPHOS Complex I 은 45개 polypeptide로부터 조립되며, 그중 7개는 mtDNA에 의해 암호화되어 있다. Complex II는 4개의 핵 DNA polypeptide로 구성되며, Complex III는 11개의 polypeptide로 구성되고 1개가 mtDNA에 의해 암호화되어 있다. Complex IV는 13개의 polypeptide로 이루어지며 3개는 mtDNA에 의해 암호화되어 있다. Complex V는 16개 polypeptide중 2개가 mtDNA에 의해 암호화되어 있다.

5개의 Complex 중에서 I과 III~V 만 양성자를 수송하고, mtDNA로부터 생성된 polypeptide를 갖고 있다. 양성자를 수송하는 이들 네 개의 Complex들은 서로 균형을 이루고 있어야 하며, 네 개의 양성자 펌프 Complex의 주요 전기적 요소들은 서로 공진화해야 한다. 이것은 이들 단백질이 오직 한쪽 부모, 즉 어머니로부터 유전되는 단일 조각 유전자를 통해 유지되면서 이루어질 수 있다. 그 결과, 다른 coupling efficiency를 갖는 모계 혈통의 다른 mtDNA로부터 온 단백질 유전자는 섞이거나 재조합될 수 없다.

 

Mitochondrial Genetics

  mtDNA에는 13개의 core OXPHOS polypeptide에 더하여, 22개의 tRNA와 12S & 16S rRNA 유전자가 암호화되어 있다.

  핵 DNA에는 80개의 OXPHOS 유전자와 미토콘드리아 발생에 필요한 mtDNA polymerase γ (gamma), RNA polymerase, mtDNA transcription factor, ribosomal protein 등 1000~1500개의 유전자를 암호화하고 있다. 미토콘드리아 유전체가 한쪽 부모로부터 전달되는 mtDNA와 양쪽 부모로부터 전달되는 핵 DNA에 퍼져있기 때문에 에너지 대사의 유전학은 매우 복잡해진다.

인간 mtDNA는 이중나선이며, 16569bp의 환형 분자이다. 두 가닥은 G와 C의 분포는 서로 달라서 C가 많은 light (L-) 사슬과 G가 많은 heavy (H-) 사슬을 이룬다.

“control region"(CR)은 H- 와 L- 가닥의 전사를 위한 promoter와 H- 가닥의 복제기점을 포함하고 있다. ND6 유전자를 제외한 모든 rRNA와 polypeptide 유전자는 H 가닥에 위치하고 있다.

mtDNA 유전자는 핵 DNA보다 훨씬 높은 돌연변이율을 지닌다. 높은 mtDNA 돌연변이율에 기여하는 한 요인은 미토콘드리아의 활성산소종(ROS) 생산과 근접해 있다는 것이다. 그러나 이것은 산화방지에 대한 높은 방어와 더 활성화된 DNA 복원을 통해 완화될 수 있다.

mtDNA에 변이가 증가하면 정상과 돌연변이 mtDNA가 섞여 heteroplasmy가 된다. heteroplasmy 상태의 세포가 분열할 때 두 타입의 mtDNA는 딸세포에 무작위로 분포하고, 그 결과 유전적 부동에 의해 순수한 돌연변이 또는 야생형 타입의 mtDNA만을 가진 homoplasmic cell이 된다.

돌연변이 mtDNA의 비율이 증가됨으로써, 미토콘드리아의 에너지 기능이 감퇴된다. 정상적인 조직 기능을 위한 에너지 출력이 불충분할 때, 역치수준을 넘어서면 증상이 나타나고 apoptosis 또는 necrosis가 개시될 수 있다.

 

<Mitochondrial Genetic Disease>

복합적인 임상적 표현형은 핵 DNA와 mtDNA 미토콘드리아 유전자의 돌연변이와 연관되어 있다.

 

Mitochondrial Diseases Resulting from mtDNA mutations

임상적으로 연관된 mtDNA 변이는 3 종류로 분류할 수 있다. 1) 최근의 해로운 돌연변이. 2) 고대의 적응 변이. 3) 체세포 mtDNA 변이의 노화 연관 누적

 

Recent Deleterious Mutations

최근의 해로운 돌연변이는 rearrangement 돌연변이와 염기치환 돌연변이가 있다.

- Rearrangement mutations : rearrangement 돌연변이는 새로운 결실 돌연변이 또는 모계 유전된 삽입 돌연변이일 수 있다. 대부분의 결실 돌연변이는 최소 한 개의 tRNA를 제거하고 그러므로 단백질 합성에 영향을 미칠 수 있다.

가장 온화한 mtDNA rearrangement 표현형은 모계 유전된 type II diabete (제2형 당뇨병)과 난청이다. 이들은 mtDNA 복제 변이의 유전에 의해 야기되는 것으로 생각된다. 다음으로 가장 심한 질병은 CPEO (chronic progressive external ophthalmoplegia)와 KSS (Kearns-Sayre syndrome)으로, 안근마비 (ophthalmoplegia), 안검하수(ptosis), 근생검상(RRFs, ragged red fibers)를 갖는 근질환과 연과된다.

- Deleterious mtDNA base substitution mutations : 염기치환 돌연변이는 polypeptide유전자 또는 rRNA와 tRNA를 바꿀 수 있다. 발병시키는 polypeptide 돌연변이는 LHON(레버씨 시신경위축증), Leigh syndrome (리씨증후군, 아급성 괴사성 뇌병증), 미토콘드리아 근질환 등이 포함된다.

미토콘드리아의 tRNA와 rRNA 단백질 합성에 의한 돌연변이 질병에는 MERRF, MELAS, encephalomyophathy (뇌근육병), mitochondrial myophathy, exercise intolerance (운동 과민증), CPEO와 KSS, 위장관 증후군, 근긴장이상증, 당뇨, 청각장애, 심근질환, 신장질환, 알츠하이머, 파킨슨병 등이 포함된다.

 

Ancient Adaptive mutation and disease predisposition

  mtDNA는 모계 유전되기 때문에, 모계 계통을 통해서 확산된 돌연변이의 누적을 통해서만 진화가 일어날 수 있다. 만약 mtDNA 돌연변이가 특정 환경에서 이익이 되면, 그 후손에서는 해당되는 변이의 빈도가 증가할 것이다. 이 결과로 연관된 mtDNA 하플로그룹이 특정한 지리적 지역에서 누적되도록 한다.

mtDNA 하플로그룹과 지리적으로 가장 연관된 것 중 하나는 위도, 즉 기후이다. 기능적인 변이는 미토콘드리아의 coupling efficiency를 변화시키고, 일을 위한 ATP 생산과 극도로 추운 곳에서 열을 생산하는 것 사이에서 열량을 배당하는 차이에 따라 잇점을 줄 수 있다.

  오늘날 mtDNA 하플로그룹도 여전히 지역적 분포와 연관되어 있다. 모든 아프리카인 mtDNA의 2/3 ~ 3/4은 macrohaplogroup L에 속한다. 모든 유럽의 mtDNA들은 macrohaplogroup N에 속하며, 아시아의 mtDNA들은 macrohaplogroup M 또는 N에 속한다.

  고대에 적응한 mtDNA 하플로그룹은 오늘날 개인에 따른 질병의 경향에 영향을 미친다.

  mtDNA 하플로그룹이 질병 경향을 바꿀 수 있다는 첫 증거로는 유럽의 하플로그룹 J가 LHON 변이의 침투도를 증가시킬수 있다는 것이었다. 이어서 하플로그룹 H는 노화와 연관된 반점이 있는 퇴화의 위험을 감소시키는 반면 하플로그룹 J와 U는 그러한 위험을 증가시킨다는 것을 보였다. 하플로그룹 H와 H-nt 4336 변이는 파킨슨병(PD)의 발생 위험을 증가시키는 반면, 하플로그룹 J와 Uk는 이런 위험을 감소시킨다. 하플로그룹 J는 유럽인에서 장수와 관련이 있고, 하플로그룹 D는 아시아인에서 장수와 관련이 있다. 하플로그룹 J는 유럽의 집단에서 당뇨의 위험이 높고, 반면 하플로그룹 N9a는 아시아에서 당뇨, 대사증후군, 심근경색을 보호할 수 있는 것으로 나타났다. 하플로그룹 U는 혈청 IgE 수준의 증가와 연관되며, 하플로그룹 H는 패혈증에 대한 보호와 연관되어 있다. 하플로그룹 J와 U5a는 더 빠른 에이즈 진행과 관련되는 반면 H3, Uk, IWX는 에이즈의 진행을 늦추는 것으로 조사되었다.

  마지막으로 다양한 하플로그룹은 특정 암에 대한 위험성과도 관련이 있다. 그러므로 mtDNA의 기능적 변이는 대사와 퇴행성 질병 뿐 아니라 암과 장수까지도 성질을 변화시킬 수 있다. mtDNA 하플로그룹은 운동 능력과도 연관되어 있다. 다른 mtDNA 하플로그룹을 가지면 다른 미토콘드리아 ATP 생산 efficiency를 갖는다. 즉 다른 coupling efficiency를 갖는다.

 

Somatic mtDNA mutations in Age-related disease

  mtDNA 돌연변이는 노화와 함께 축적되어 발견된다. 그러므로 체세포의 mtDNA 변이가 누적되면서 노화가 일어날 수 있다. 암 또한 노화와 연관된 질병이며, 다양한 종류의 암에서 체세포와 생식세포 mtDNA 모두에서 돌연변이가 보고되었다. 미코톤드리아의 활성산소종(ROS) 생산은 발암의 중요한 요소로 나타났다. 병원성인 인간의 mtDNA ATP6 T8933G missense 돌연변이는 활성산소종(ROS) 생산을 증가시켜 전립선 암 세포가 생성되고, 이를 증가시킨다.

 

Mitochondrial Disease resulting from nDNA mutations

  핵 DNA에서 암호화되어 있는 OXPHOS 유전자의 돌연변이는 Leigh syndrome부터 우울증의 경향까지 다양한 장애와 연관되어 있다. Complex I, III, IV의 조립요소인 SURF1에 돌연변이가 생기면 몇몇 OXPHOS 결함을 야기하고 그 결과 Leigh syndrome을 유발할 수 있다.

  mtDNA POLG 또는 Twinkle helicase에 돌연변이가 발생하면 상염색체 우성 또는 열성의 PEO (Progressive external ophthalmoplegia)와 연관된다. POLG 돌연변이는 약한 근질환부터 치사인 Alpers syndrome까지 폭넓은 범위의 질병을 야기할 수 있다. 일부 ANT1 유전자의 돌연변이는 단백질을 비활성화시킬 수 있고, 그 결과로 열성 근질환과 심근질환을 유발할 수 있다.

  Deoxyguanosine kinase와 mitochondrial thymidine kinase 2의 돌연변이는 mtDNA의 감소를 야기하고, cytosolic thymidine phosphorylase의 돌연변이는 mtDNA 결실 및 감소와 연관되어 미토콘드리아의 neurogastrointestinal encephalomyopathy를 야기할 수 있다.

  미토콘드리아의 융합 단백질인 OPA1의 돌연변이는 상염색체 우성의 광학 위축을 야기한다. 반면에 mitofusin 2 의 돌연변이는 말초신경질환, Charcot-Marie-Tooth 2를 야기한다. 미토콘드리아 질병은 미토콘드리아의 대사 단백질에 대한 유전자의 결함으로부터도 나타날 수 있다.

 

Nuclear-Cytoplasmic interaction diseases

  기능적 핵 DNA와 mtDNA 미토콘드리아 유전자의 서로 맞지 않는 상호작용으로부터도 질병이 나타날 수 있다. 한 가족에서 encephalomyopathy에 심한 영향을 받은 남성의 골격근에는 complex I이 거의 없는데, 유전적 분석으로부터 X-연관 complex I NDUFA1 유전자의 핵 DNA에 변이가 있는 것으로 나타났다. 이는 compelx I 특이 활성을 40% 감소시킨다. 모계 계통의 구성원은 2개의 mtDNA missense 돌연변이가 있었다. 이들은 complex I 특이 활성을 30% 감소시켰다.

  남성은 X염색체를 어머니로부터 물려받고, mtDNA도 모계로 유전된다. mtDNA 변이가 핵 DNA의 NDUFA1 변이와 함께 만났을 때, 서로 호환되지 못해서 완전한 complex I의 결핍이 일어난다.

 

<Intraovarian mtDNA selection and Human adaption>

  ND6 frame shift mtDNA 돌연변이의 선택적이고 방향성있는 손실은 여성 생식계가 심하게 해로운 mtDNA 돌연변이에 대해 난소 내부에서 선택할 수 있는 능력을 갖기 때문인 것으로 나타났다. 심지어 더 나은 mtDNA 돌연변이는 전달을 허용했다.

  포유동물의 난소는 매우 해로운 mtDNA missense mutation을 지니는 원시난모세포(proto-oocytes)를 선택적으로 제거하는 시스템을 갖는 것으로 보인다. 배란전 여포에서의 apoptosis는 증가된 산화적 스트레스에 의해 유도되는 것으로 보여지기 때문에, 심한 mtDNA 돌연변이가 많은 비율로 존재하는 원시난모세포는 많은 활성산소종(ROS)을 생산하므로 apoptosis에 의해 선택적으로 제거될 수 있다.

이러한 선택은 mtDNA 유전학의 수수께끼를 해결해 주었다. mtDNA의 돌연변이율이 매우 높지만 mtDNA 단백질은 매우 보존적이며, 생명을 위해 절대적으로 필요하다. 왜 높은 mtDNA 돌연변이율이 종의 멸종으로 이어지지 않을까?

  답은 난소 내부의 선택을 통해 대부분의 해로운 변이가 배란되어 다음 세대로 전달되기 전에 제거해버리기 때문이다.

  이러한 선택적 필터링은 높은 돌연변이율이 이익이 될 수 있게 도와준다. 높은 돌연변이율은 끊임없이 치명적이지 않은 mtDNA 변이를 집단에 유입시킨다. 이들 기능적 변이는 환경 변화에 특이적으로 적응할 수 있도록 원료를 제공해준다. 더 나아가서 소집단 격리를 위한 단계가 일어나면서 궁극적으로 종분화가 발생할 수 있다.

 

- 이 글은 생명과학 블로그 (http://biosci.tistory.com/70)에 동일하게 올라가 있습니다.