멘케스병은 세포내 구리 수송 단백질인 ATP7A 유전자의 돌연변이로 인하여 발생하는 대표적인 전신적 구리 결핍 질환이다. 멘케스 병에 이환된 환아는 구리를 보조인자로 사용하는 각종 체내 효소의 활성 장애를 보이게 되며, 임상적으로 간질 등을 동반하는 심각한 신경계 증상, 피부색 변화, 교원질을 주성분으로 하는 혈관 등의 기형을 보이게 되며 대부분 만 3세 이전에 사망하게 된다. 특히 멘케스병의 사망률을 결정하는 주 증상 중의 하나인 신경계 질환의 발생 기전에 대하여 많은 연구가 진행되어 왔으나 현재까지 정확한 발병 기전에 대해 밝혀진 것은 없는 실정이다. 도파민 신경 발달 및 형성에 관여하는 dopamine-β-hydroxylase와 미토콘드리아 대사 등에 관여하는 cytochrome c oxidase, peptidylglycine-α-amidating monooxygenase 등의 기능 저하가 관련이 있을 것으로 추측되고 있지만, 이들의 활성도를 높여주는 구리 보충 요법에도 불구하고 임상적으로 만족할 만한 신경계 기능 개선 효과는 미미한 상태이다. 이에 본 저자들은 멘케스병 환자의 체세포로부터 생성한 역분화 줄기세포를 확립하고, 이를 바탕으로 초기 분화 및 발생 과정에서 일어나는 분자 생물학적인 특성을 in vitro에서 비교 분석함으로서 멘케스병의 신경계 기능 이상의 발병 기전은 심도 있게 연구하고자 하였다.
저자들은 embryoid body (EB) 를 이용한 자연 분화 및 신경계 분화 과정 중에, 초기 발생과정에서 정상적으로 일어나야 하는 E cadherin 에서 N cad-herin 으로의 cadherin switch 의 과정이, 멘케스병 유래 역분화 줄기세포에서 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한 자연 분화 과정에서 삼배엽 분화 마커 중에 신경계 분화 마커인 PAX6, SOX1 이 특이적으로 감소되어 있는 것을 확인하였다. 신경계 분화 이상에 대해 구체적으로 확인하기 위해 신경구 (neurosphere)를 이용한 초기 신경 세포 분화를 실시한 결과, 멘케스병 유래 역분화 줄기세포에서는 cadherin switch의 이상으로 인해 초기 신경계 분화 과정에서 필수적인 마커 중의 하나인 N cadherin이 발현하지 않는 기형적인 신경구 (neurosphere)를 형성하고 있음을 확인하였고 신경구에서 뻗어나가는 신경 다발도 정상에 비해 뚜렷하게 감소되어 있음을 관찰하였다.
다음으로, 이와 같은 cadherin switch 의 이상이 세포내 구리 농도 감소에 의해서도 일어나는 것을 확인하기 위해 저자들은 구리를 킬레이션하는 bathocuprione sulfate (BCS)를 정상 역분화 줄기세포에 처리한 후 초기 발생 과정을 관찰하였다. BCS를 처리한 역분화 줄기세포에서도 멘케스병 유래 역분화 줄기세포에서와 마찬가지로 cadherin switch 가 저하되어 있었고 이로 인한 신경계 분화 마커의 감소, 기형적인 신경구의 형성을 확인할 수 있었다. 저자들은 이와 같은 결과를 바탕으로 멘케스병에서의 신경계 기능 이상이 세포내 구리의 농도 저하 및 구리 활용 저하와 같은 환경에서 초기 발생과정에서부터 일어난다는 결론에 도달할 수 있었다.
일반적으로 멘케스병에서의 신경계 기능 이상을 초래하는 효소로 알려진 do-pamine-β-hydroxylase 등의 효소는 대부분 초기 발생 이후 태아가 완전히 모든 기관을 형성한 후에 만들어지고 역할을 하는 것으로 알려져 왔으며, 따라서 멘케스병에서의 모든 신경 기능 이상에 관한 치료도 태아 출생 후 조기 진단을 통한 구리 농도의 증가에 초점을 맞추어 왔다. 하지만 본 연구는, 구리 결핍 환경이 존재하는 경우 이미 태아의 모든 기관이 형성되기 이전 단계인 초기 발생 단계에서부터 신경계 발달 및 형성에 문제가 생길 수 있다는 것을 확인하였고 이와 같은 발견이 기존에 멘케스병에서 알려지지 않았던 또 다른 발병 기전일 수 있다는 가능성을 확인하였다. 또한 cadherin switch의 장애가 멘케스병의 초기 발생 과정에서 나타남을 확인하였는데, 이와 같은 분자생물학적인 이상이 현재 멘케스병의 진단에 사용되는 유전자 염기 서열 검사 이외의 다른 초기 진단 도구로서 사용할 수 있는 가능성을 제시하였다.
또한 저자들은 정상 역분화 줄기세포와 멘케스병 유래 역분화 줄기세포의 구조를 분석한 결과, 앞에서 언급한 E cadherin 의 양적 변화 이외에도 세포내 위치에도 변화가 있는 것을 확인할 수 있었다. 세포와 세포를 연결하는 중요한 adherence junction 물질 인 E cadherin 과 β-catenin의 위치가 정상 역분화 줄기세포에서는 세포막에 집중되어 있는 것에 비해 멘케스병 유래 역분화 줄기세포에서는 세포막에서 이탈되어 있는 것을 확인하였다. 이와 같은 junc-tion 물질의 위치 이동으로 인하여 전자 현미경 상에서 미세한 세포 분리가 있음을 멘케스병 유래 역분화 줄기세포에서 확인할 수 있었다. 멘케스병 유래 역분화 줄기세포에서 이와 같은 junction 물질의 이상을 초래한 타겟으로 small GTPase중의 하나인 Rac1 의 활성 감소를 확인할 수 있었다. 또한 멘케스병의 원인 유전자인 ATP7A 를 knockdown 하였을 때에 이러한 Rac1 의 활성도 감소와 함께 앞에서 확인할 수 있었던 adherence junction 의 위치 변화와 세포간 미세 분리 현상 또한 재현하는 데에 성공하였다. 이와 같은 발견은 ATP7A 단백질이 기존에 알려져 있는 세포내 구리 운반 기능 이외에도 small GTPase 중의 하나인 Rac1 의 활성을 조절하여 세포 골격에 영향을 미치는 역동적인 과정에 관여함을 시사하는 단서를 제공하였다는 의미를 가진다.
현재 재생의학 분야에서 각광을 받고 있는 역분화 줄기세포 연구는, 치료적인 관점에서의 세포자원으로서의 가능성과 in vitro 상에서 분화된 각종 조직에서의 질환 양상 연구에 집중되어 왔다. 역분화 줄기세포의 이와 같은 활용도 이외에도 본 연구에서 제시한 것과 같이, 역분화 줄기세포에서만 관찰할 수 있는 배아 단계의 초기 발생 및 분화 연구를 통하여 기존의 질환 동물 모델 등으로 확인할 수 없었던 병태 생리를 파악하는데 중요한 도구가 될 것으로 전망된다. 이 연구는 희귀 난치 질환인 멘케스병의 병태 생리 및 치료 전략 수립의 이해해 새로운 시각을 제시해 줄 뿐 아니라, 향후 역분화 줄기세포를 이용한 질환 모델 연구 방향을 제시해 주는 지표가 될 것으로 기대된다.
