Kallmann syndrome is an inherited disorder of hypogonadotropic hypogonadism and anosmia owing to lesions in axonal organization and disrupted cell migration of neuroblasts from developing olfactory epithelium. The gene responsible for the X-linked type of Kallmann syndrome, KAL1, encodes an extracellular matrix protein, Anosmin1 that is related to members of neuronal cell adhesion protein family. The interspecies studies for Anosmin function in C. elegance showed that the nematode homologue of kal-1 is required for axonal outgrowth and epidermal migration in developing embryos. For the detailed biological analysis for the KAL1 Anosmin, we isolated the Drosophila KAL1 homologue, kal-1, and generated its mutants by P-element mobilization. The kal-1 embryos showed impaired axonal branching: SNb motor neurons could not extend their axons to proper muscle targets, and the exterior longitudinal FasII-expressing axon bundles were openly misconnected. Specific a α -Kal-1 serum was generated, and revealed dynamic expressions during various morphogenetic processes such as the germ band retraction as well as head sensory organs and segmentally repeated expressions in several subsets of motor neurons. These results suggest that the Drosophila Kal-1 has roles in neurite branching and cell adhesion during the embryogenesis as a functional homologue of nematode and vertebrate KAL1s.
Kallmann 증후군은 유전 질환 중의 하나로서 성자극호르몬 분비 장애로 인한 2차 성징 발달 지연(hypogonadotropic hypogonadism)과 후각 장애(anosmia) 등의 특이적 병증을 보인다. 발병의 원인은 후각 신경계의 발생 과정에서 찾을 수 있는데, 즉 후각 신경세포와 성자극호르몬 분비세포는 모두 태아의 후각 상피조직에서 발생하며, 이후 성자극호르몬 분비세포는 후각 신경세포의 축삭(axon)을 따라 이동하여 뇌의 시상하부 조직으로 발생하는 것이다. KAL1은 반성유전형의 Kallmann 증후군 원인유전자이며 Anosmin1 (KAL1)이라는, 세포외기질(extracellular matrix)에 위치하는 cell adhesion molecule을 암호화하고 있다. 닭이나 꼬마선충(C.elegance)의 상동유전자를 활용한 실험의 결과, KAL1 단백질은 특히 신경세포의 신경돌기 형성(neurite branching) 과정에 관련되어 있음이 확인되었으며, 또한 꼬마선충의 kal-1 돌연변이체는 외배엽성 조직의 세포 이동과 관련된 배아 발생 과정에도 심각한 결함을 나타내었다.
본 연구에서는 KAL1 단백질의 생물학적 기능을 보다 광범위하게 살펴보기 위한 모델로서 초파리 상동유전자인 kal-1의 기능을 조사하였다.
먼저 초파리 배아 발생 과정에서 kal-1 유전자의 발현 양상을 조사하였다. kal-1 mRNA와 그 단백질은 활발한 세포 이동을 포함한 외배엽성 조직 발생 과정인 germband retraction과 dorsal closure 등의 morphogenesis 부위에서 발현하였으며, 또한 머리 부분의 감각기관, 말초신경계의 lbd 신경세포, 중추신경계의 MP1 세포 등 다양한 신경세포에서도 발현하고 있음을 확인하였다. 이는 초파리 kal-1 유전자도 인간을 비롯한 척추동물이나 꼬마선충의 KAL1 유전자들과 매우 유사한 발현 및 기능을 갖고 있음을 보여준다.
초파리 kal-1의 생물학적 기능을 확인하기 위하여 P-element를 활용한 유전교배를 거쳐 다양한 kal-1 돌연변이체들을 만들었다. 다양한 형태의 신경돌기 분화 이상을 kal-1 돌연변이체에서 발견할 수 있었다. SNb 운동신경세포 축삭들은 정확한 근육 목적지에 연결되지 못하고 흩어지는 경향을 보였으며, MP1 운동신경세포의 axon 통로인 중추신경계의 FasII-expressing longitudinal fascicule도 부분씩 끊어진 형태로 발견되었다. 이러한 결과들은 kal-1이 신경돌기의 형성에 관여되어 있다는 것을 보여준다.
이상의 kal-1 발현 양상과 돌연변이체 결과들은 초파리 kal-1이 구조적인 측면에서 뿐만 아니라 기능적인 측면에서도 인간 KAL1의 상동 유전자임을 증명한다. 이를 토대로 Kallmann 증후군 관련 신경세포 분화에 관련된 KAL1 단백질의 생물학적 기능에 대하여 분자유전학적 응용 가능성이 매우 높은 초파리 모델의 활용이 가능하게 되었다.
