생화학분자생물학회

빛으로 규명한 TDP-43 응집의 신경독성 메커니즘

Shedding Light on TDP-43 Aggregation and Its Neurotoxic Consequences

원문: Optogenetic induction of TDP-43 aggregation impairs neuronal integrity and behavior in Caenorhabditis elegans

Translational Neurodegeneration 14(1):20, 2025.  

박경환: 한림대학교(D22034@hallym.ac.kr)

김경원: 한림대학교(kwkim@hallym.ac.kr)

연구 배경

그림 1. 광유전학적 TDP-43 응집 유도 시스템. (A) OptoDroplet의 작동 원리: Cry2olig의 청색광 의존적 올리고머화 (B) Optogenetic hTDP-43 단백질 구조(1) (C) 신경세포에서의 opto-hTDP-43 응집 과정(2)

 TDP-43 단백질의 비정상적인 세포질 응집은 ALS (Amyotrophic Lateral Sclerosis; 근위축성측삭경화증) 및 FTLD (Frontotemporal Lobar Degeneration; 전두측두엽퇴행)를 비롯한 다양한 신경퇴행성 질환의 핵심 병리 특징이다. 그러나 이러한 응집이 신경퇴행의 직접적 원인인지, 아니면 이미 손상된 뉴런에서 2차적으로 발생한 결과인지에 대해서는 여전히 명확한 결론이 부족했다(3). 기존 연구 대부분은 TDP-43 과발현이나 극심한 스트레스를 통해 응집을 유도했기 때문에, 응집이 병리를 촉발하는지를 직접 검증하기 어려운 구조적·기술적 한계가 있었다.

 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 광유전학(optogenetics) 기반 기술인 OptoDroplet 시스템을 예쁜꼬마선충(C. elegans)에 도입하여, 원하는 시점에 원하는 뉴런에서 TDP-43 응집을 정밀하게 유도할 수 있는in vivo 단백병증 모델을 구축하였다 (그림 1)(4). 이 접근법은 병리 과정의 “시작점”을 직접 제어함으로써, 기존 모델에서는 밝히기 어려웠던 응집, 신경퇴행, 행동 장애로 이어지는 인과적 흐름을 단계적으로 추적할 수 있게 해주었다. 

연구 결과

1. 광유전학 기반 TDP-43 응집 조절

그림 2. Cry2olig 및 opto-hTDP-43 응집체 형성 비교 (A) 광유무에 따른 GABA 운동뉴런 내 Cry2olig 이미지 (B) 광유무에 따른 GABA 운동뉴런 내 opto-hTDP-43 이미지

 본 연구팀이 제작한 opto-hTDP-43 [mCherry::hTDP-43::Cry2olig]은 암조건에서는 핵에 안정적으로 존재하지만, 청색광을 비추면 Cry2olig의 광반응성 올리고머화 특성에 의해 수 분 내로 응집체를 형성한다. 이러한 응집은 핵, 세포질, 신경돌기 등 다양한 세포 구획에서 동시다발적으로 발생하며, TDP-43 초기 병리와 유사하게 세포질 mislocalization을 동반한다 (그림 2).

 이 시스템의 가장 핵심 장점은 응집 유도 시점과 강도를 정밀하게 조절하여 단백질 응집의 개시점을 실험자가 직접 설정할 수 있다는 것이다. 이를 통해 기존 연구에서는 구분하기 어려웠던 “응집 전후의 병리 변화”를 시간 순서대로 비교 분석할 수 있게 되었다.

2. 환자 병리와 유사한 불용성TDP-43 응집체 형성

그림 3. 광표백 후 형광 회복(FRAP) 분석을 통한 응집체의 특성 분석 (A) 실험 타임라인 (B) 청색광 제거 후 Cry2olig-only 응축체의 시간 경과에 따른 변화 (C) 청색광 제거 후 opto-hTDP-43 응집체의 시간 경과에 따른 변화 (D,E) 빛 제거 1시간 및 6시간 후 Cry2olig-only 응축체의 FRAP 분석 (F,G) 빛 제거 1시간 및 6시간 후 opto-hTDP-43 응집체의 FRAP 분석 

 FRAP 분석을 통해 opto-hTDP-43 응집체의 특성이 정밀하게 규명되었다. Cry2olig-only 응축체는 빛 제거 후 점차 분산되고 회복되는 등 가역적 liquid-like dynamics를 보였다. 반면 opto-hTDP-43 응집체는 빛 제거 후에도 수 시간 동안 안정적으로 유지되었고, FRAP에서도 형광 회복이 거의 관찰되지 않아 단백질 이동성이 극도로 제한된 gel-like/solid 구조임이 확인되었다 (그림 3).

이러한 특성은 ALS·FTLD 환자 뇌에서 관찰되는 병리적 TDP-43 응집체의 불용성·비가역적 성질과 높은 유사성을 보인다(5). 즉, 본 모델은 단순한 물리적 응축이 아니라, 질병 관련 TDP-43 단백병증의 특성을 생체 수준에서 재현한 것이다.

3. GABA 운동뉴런의 선택적 취약성: 병리 특이성의 기전적 단서

 TDP-43 응집이 뉴런에 미치는 영향을 세포 유형별로 분석한 결과, GABA 운동뉴런에서 가장 두드러진 구조적 퇴행이 관찰되었다 (그림 4). Opto-hTDP-43을 발현하는 것만으로도 경미한 축삭이 단절되는 신경손상이 증가했으며, 빛을 통한 응집 유도 시 그 중증도는 더욱 가속되었다. 반면 콜린성 및 도파민성 뉴런에서는 동일 조건에서도 뚜렷한 신경손상이 나타나지 않아, TDP-43 응집 독성이 뉴런 유형에 따라 크게 다름이 드러났다(6). 이는 ALS 환자에서 특정 운동신경이 먼저 퇴행하는 현상과도 정확히 일치한다. 이 결과는 TDP-43 응집이 취약한 특정 뉴런의 신경돌기를 손상시키는 병리 흐름을 실험적으로 입증한다.

그림 4. Opto-hTDP-43 응집체 형성에 따른 GABA 운동뉴런 표현형 분석 (A) GABA 운동뉴런 이미지 (B) 신경퇴행 정량 분석

4. 행동 및 감각 기능 장애: 세포 수준 손상이 개체 행동으로 확장

그림 5. Opto-hTDP-43 응집체 형성에 따른 예쁜꼬마선충의 운동성 평가 (A) 액체 배지에서의 운동성 분석 (B) 고체 배지에서의 운동성 분석

TDP-43 응집은 세포 수준의 구조 변화를 넘어 개체 수준의 기능 장애까지 유발하였다. Opto-hTDP-43 발현 선충은 운동성 감소, 먹이 탐색 능력 저하, 촉각 반응 둔화, 생존률 감소 등 복합적인 기능 장애를 나타냈다 (그림 5, 6)(7). 이러한 변화는 신경세포 퇴행이 신경회로 기능 붕괴를 일으키고 행동 장애와 생존 감소로 이어지는 일관된 병리학적 연속성을 보여주며, ALS·FTLD 환자에서 관찰되는 임상 양상과 놀랍도록 유사하다. 

그림 6. Opto-hTDP-43 응집체 형성에 따른 예쁜꼬마선충의 감각 및 행동 기능 평가 (A) 예쁜꼬마선충의 먹이 탐색 능력 평가 (B) 시간 경과에 따라 먹이로 이동한 선충 비율 정량 (C) 예쁜꼬마선충의 촉각 반응 분석 (D) 광유무에 따른 야생형 선충의 생존률 (E) 광유무에 따른 Opto-hTDP-43 선충의 생존률

연구 성과 및 의의

 본 연구의 가장 큰 의의는TDP-43 응집이 신경퇴행을 직접 유발할 수 있다는 인과관계를 생체 내에서 실험적으로 입증했다는 점이다. 본 연구에서 구축한 광유전학적 TDP-43 모델은 ALS·FTLD 연구뿐 아니라 단백질 응집을 특징으로 하는 다양한 신경질환의 병리 규명에도 적용될 수 있는 강력한 기술적 기반을 제공한다. 더 나아가 본 모델이 향후 고효율 약물 스크리닝 및 병리 기전 연구의 중요한 플랫폼으로 자리할 것임을 기대하게 한다(8, 9).

참고문헌

1. Park KH, Yu E, Choi S, Kim S, Park C, Lee JE, et al. Optogenetic induction of TDP-43 aggregation impairs neuronal integrity and behavior in Caenorhabditis elegans. Transl Neurodegener. 2025;14(1):20.

2. Park KH, Kim KW. Optogenetics to biomolecular phase separation in neurodegenerative diseases. Molecules and Cells. 2025;48(8):100247.

3. Wilson DM, 3rd, Cookson MR, Van Den Bosch L, Zetterberg H, Holtzman DM, Dewachter I. Hallmarks of neurodegenerative diseases. Cell. 2023;186(4):693-714.

4. Shin Y, Berry J, Pannucci N, Haataja MP, Toettcher JE, Brangwynne CP. Spatiotemporal Control of Intracellular Phase Transitions Using Light-Activated optoDroplets. Cell. 2017;168(1-2):159-71 e14.

5. Nonaka T, Masuda-Suzukake M, Arai T, Hasegawa Y, Akatsu H, Obi T, et al. Prion-like properties of pathological TDP-43 aggregates from diseased brains. Cell Rep. 2013;4(1):124-34.

6. Babazadeh A, Rayner SL, Lee A, Chung RS. TDP-43 as a therapeutic target in neurodegenerative diseases: Focusing on motor neuron disease and frontotemporal dementia. Ageing Res Rev. 2023;92:102085.

7. Beswick E, Forbes D, Johnson M, Newton J, Dakin R, Glasmcher S, et al. Non-motor symptoms in motor neuron disease: prevalence, assessment and impact. Brain Commun. 2024;6(1):fcad336.

8. Sohrabi S, Mor DE, Kaletsky R, Keyes W, Murphy CT. High-throughput behavioral screen in C. elegans reveals Parkinson's disease drug candidates. Commun Biol. 2021;4(1):203.

9. Kim MS, Ra EA, Kweon SH, Seo BA, Ko HS, Oh Y, et al. Advanced human iPSC-based preclinical model for Parkinson’s disease with optogenetic alpha-synuclein aggregation. Cell Stem Cell. 2023;30(7):973-86.e11.​