26S 프로테아좀 홀로효소는 20S 촉매 복합체와 19S 조절 복합체로 구성된다. 축적되는 증거는 세포외 공간에서 대부분의 프로테아좀이 유리 20S 프로테아좀 형태로 존재함을 시사하지만, 그 기원과 병태생리학적 기능은 아직 규명되지 않았다. 본 연구에서 우리는 세포성 프로테아좀이 세포외 소포(EVs)의 루멘으로 효율적으로 포장되어 구조적으로 온전한 동시에 효소적으로 활성인 20S 형태로 분비됨을 보고한다. 또한 EV에 캡슐화된 20S 프로테아좀은 수용자 세포로 전달되며, 전반적인 단백질분해 경로를 교란하지 않으면서 과발현된 tau 단백질의 분해를 촉진함을 입증한다. 이러한 결과는 프로테아좀을 표적 세포로 수송하여 단백질독성 기질을 제거하도록 하는 새로운 세포 간 통신 시스템을 부각한다. 이러한 항상성 기전에 대한 추가 특성 규명은 생체 수준의 스트레스 반응 기전 이해를 향상시킬 수 있으며, 알츠하이머병을 포함한 다양한 단백질병증(proteinopathies)을 치료하기 위한 치료적 접근을 제공할 가능성이 있다.

표적 단백질 분해(Targeted protein degradation, TPD)는 생물학적 및 임상적 맥락에서 특정 관심 단백질의 기능을 약화시키기 위한 실행 가능한 대안으로 정립되어 있다. 고유한 TPD 작용기전은 이전에는 약물로 공략하기 어려웠던 단백질을 실현 가능한 표적으로 전환시켜, ‘약물화 가능(druggable)’ 특성과 ‘특권적(privileged)’ 표적 단백질의 지형을 확장하였다. TPD가 계속 진화함에 따라, 프로테올리시스-타깃 키메라(Proteolysis-targeting chimeras, PROTACs)에서처럼 E3 유비퀴틴 리가제를 모집(recruiting)하는 데 의존하지 않는 다양한 혁신적 전략이 등장하였다. 여기에서는 리소좀 및 프로테아좀에 직접 결합하는 양식(direct lysosome- and proteasome-engaging modalities)에 대한 개요를 제시하고, 그들의 전망, 장점, 한계를 논의한다. 각 분해제(degrader)의 화학적 조성, 생화학적 활성, 그리고 제약학적 특성을 개괄한다. 이러한 대안적 TPD 접근법은 세포 내 단백질 분해를 위한 1세대 PROTAC를 보완할 뿐 아니라, 세포막 및 세포외 공간에 위치한 병적 단백질을 표적화하기 위한 독특한 전략도 제공한다.

타우병증 질환, 예컨대 알츠하이머병(AD)에서는 고용해성이고 본래부터 풀어진(tightly native unfolded) 타우가 중합되어 불용성 필라멘트로 형성되지만, 이러한 과정의 기전적 세부 사항은 아직 불명확하다. AD 환자의 뇌에서는 타우의 극히 일부 구간만이 β-헬릭스가 적층된(protofilaments) 프로토필라멘트를 형성하고, 그 양측의 인접 부위는 무질서한 ‘퍼지(fuzzy)’ 코트를 형성한다. 본 연구에서는 AD 타우 핵생성 코어(tau AD nucleation core, tau-AC)가 충분히 자가-응집을 유도하고, 전장(full-length) 타우를 필라멘트로 모집함을 입증하였다. 예상과 달리, 타우-AC의 인산화 모방(phospho-mimetic) 형태(Ser324 또는 Ser356에서)는 올리고머화와 시딩(seeding) 특성이 현저히 감소되어 있음을 보였다. 생물물리학적 분석 결과, tau-AC의 N-말단은 핵생성 모티프로서 피브릴화(fibrillization) 동역학을 촉진하며, 이는 tau-AC에서의 인산화 유발 구조 변화로 인해 입체적으로 차폐된다. tau-AC 올리고머는 엔도사이토시스(endocytosis)를 통해 세포로 효율적으로 내부화되며, 내인성 타우의 응집을 유도한다. 1차 해마 뉴런(primary hippocampal neurons)에서 tau-AC는 만성 탈분극(chronic depolarization) 시 축삭 초기 분절(axon initial segment)의 가소성을 저해하고, 체세포-수상돌기(somatodendritic) 구획으로 잘못 위치한다. 또한 tau-AC 파이브릴을 해마 내(intrahippocampally) 주사한 마우스에서는 기억 회수(memory retrieval)가 유의하게 손상된 것으로 관찰되었으며, 이는 뇌에서의 신경병리학적 염색과 뉴런 소실과 일치한다. 이러한 결과는 tau-AC 종(species)이 AD에서 핵심적인 신경병리학적 유발 인자임을 규명하며, 치료적 중재를 위한 새로운 전략을 시사한다.

ACAA1, 아세틸-코엔자임 A 아실트랜스퍼라제 1; ACAD, 아실-코엔자임 A 데하이드로게네이즈; ADO, 2-아미노에탄티올(시스테아민) 디옥시게네이즈; ATE1, 아르기닐트랜스퍼라제 1; CDO1, 시스테인 디옥시게네이즈 타입 1; ER, 소포체(endoplasmic reticulum); LIR, LC3-상호작용 영역; MOXD1, 모노옥시게네이즈, DBH-like 1; NAC, N-아세틸-시스테인; Nt-Arg, N-말단 아르기닌; Nt-Cys, N-말단 시스테인; PB1, Phox 및 Bem1p; PBD, 퍼옥시좀 생성 장애(peroxisome biogenesis disorder); PCO, 식물 시스테인 옥시다아제; PDI, 단백질 디설파이드 이성질화효소(protein disulfide isomerase); PTS, 퍼옥시좀 표적 신호(peroxisomal targeting signal); R-COX, Nt-Arg-CysOX; RNS, 반응성 질소종(reactive nitrogen species); ROS, 반응성 산소종(reactive oxygen species); SNP, 나트륨 니트로프루사이트(sodium nitroprusside); UBA, 유비퀴틴-관련(ubiquitin-associated); UPS, 유비퀴틴-프로테아좀계(ubiquitinproteasome system).

단백질의 잘못된 접힘(misfolding)과 응집(aggregation)은 신경퇴행성 질환(NDD)의 핵심 특징이며, 이는 기능상실(LOF) 및 기능획득(GOF) 기전 모두를 통해 병태생리에 기여한다. 이러한 현상은 여러 NDD에서 TDP-43이 응집되고 비정상적으로 세포 내 위치가 이동(mislocalizes)하는 것으로 잘 예시된다. 핵 내 TDP-43의 고갈은 RNA 대사에서의 정상 기능을 감소시키며, 세포질에 TDP-43이 축적되면 비정상적인 단백질 항상성이 유발된다. 한 조절인자(modifier) 스크린에서 rad23의 결실이 무척추동물 및 조직 배양 모델에서 TDP-43 병리를 억제함이 밝혀졌다. 여기서는 TDP-43 병리의 TAR4 마우스 모델에서, 유전적 또는 항감각 올리고뉴클레오타이드(antisense oligonucleotide, ASO) 매개 rad23a의 감소가 생존과 행동에 유익을 제공하며, 질병의 조직학적 특징과 비정위치화 및 응집된 TDP-43의 감소를 동반함을 보인다. 그 결과 유비퀴틴-프로테아좀 시스템(UPS)의 기능이 개선되고, 병적인 TDP-43에 의해 유발된 전사체 변화가 교정된다. 불용성(proteome)의 RAD23A 의존적 재구성은 이 모델에서 병리를 유발하는 핵심 사건으로 보인다. TDP-43 병리는 가족성 및 산발성 NDD 모두에서 흔하게 나타나므로, RAD23A를 표적하는 접근은 치료적 잠재력을 가질 수 있다.

26S 프로테아좀은 유비퀴틴화된 기질과 주로 그 구성 성분인 유비퀴틴(Ub) 수용체를 통해 상호작용하며, 이는 이어지는 일련의 사건을 개시하여 해당 기질이 전개되고(translocate) 수분해(hydrolyze)되도록 한다. 이러한 인식 기전을 활용하여, 우리는 유비퀴틴화 단계를 우회하면서 기질을 직접 프로테아좀에 모집(recruit)하는 표적 단백질 분해(TPD) 전략을 개발하였다. 프로테아좀 표적 키메라(proteasome-targeting chimera)인 Protea-Tac은 Ub 수용체(PSMD4/Rpn10 또는 ADRM1/Rpn13)와 표적 특이적 세포내 항체(단일 사슬 가변(fragment) 또는 나노바디)로 구성된 이종 이기능성 단백질 분해자(heterobifunctional protein degrader)이다. 이 키메라는 26S 프로테아좀에 통합되되, 26S 프로테아좀의 구조적 또는 기능적 완전성을 변화시키지 않는다. c-Fos, BRD4, Flag-TDP43, HA-tau, GFP-ODC를 포함한 표적 단백질이, 해당 항체와 함께 Protea-Tac을 통해 프로테아좀으로 위치시켜지면, 그 결과 유도된 분해가 나타났다. 우리는 이 플랫폼이 1) 모듈형으로서, 필수 구성 요소 양자를 모두 필요로 하지만 표적 간의 손쉬운 전환이 가능하고; 2) 직접적인 프로테아좀 표적화를 통해 유비퀴틴(Ub) 비의존적이며; 3) 매우 높은 표적 특이성을 가진다는 점을 입증하였다. Protea-Tac은 생체 내에서 c-Fos를 분해하였고, 마우스 이종이식(xenograft) 종양 모델에서 종양 성장 또한 실질적으로 지연시켰다. 종합하면, 본 연구 결과는 Protea-Tac이 공학적으로 조작된 26S 프로테아좀을 통해 세포내 단백질을 직접 분해할 수 있는 독특한 TPD 양식(modality)임을 규명한다.

알츠하이머병(AD)과 진행성 핵상마비증(PSP)을 포함한 타우병증의 병인에는 타우의 비정상적 접힘과 응집이 관여한다. 본 연구에서는 AUTOTAC을 사용하여 신경세포 내 타우 응집체의 리소좀 분해를 유도하였다. ATB2005A는 734-Da의 키메라로, β-시트 풍부 타우 응집체와 자가포식 수용체 p62/SQSTM1을 동시에 결합하여, 자가포식체의 격리 및 리소좀 공동 분해를 유도한다. 타우병증 마우스 모델에서 경구 투여된 ATB2005A는 신경세포 내 타우 응집체를 감소시켰으며, 신경염증뿐 아니라 인지, 행동 및 근육 움직임에 대해 치료적 효능을 나타냈다. 개의 인지 기능 장애(CCD)를 동반한 동반견 대상의 제2상 임상시험(U34401-4/2023/14)에서 수의학적 의약품으로서 ATB2005A는 질병 진행을 역전시키는 효능을 보였다. ATB2005A는 한국에서 인간 대상 임상시험 제1상(202300697) 진행 중이다. 이러한 결과는 AUTOTAC이 다양한 단백질병증(proteinopathies)에서 독성 단백질 응집체를 제거하기 위한 치료제를 개발하는 다목적 플랫폼임을 입증한다.

26S 프로테아좀 홀로효소는 20S 촉매 복합체와 19S 조절 복합체로 구성된다. 축적되는 증거는 세포외 공간에서 대부분의 프로테아좀이 유리 20S 프로테아좀 형태로 존재함을 시사하지만, 그 기원과 병태생리학적 기능은 아직 규명되지 않았다. 본 연구에서 우리는 세포성 프로테아좀이 세포외 소포(EVs)의 루멘으로 효율적으로 포장되어 구조적으로 온전한 동시에 효소적으로 활성인 20S 형태로 분비됨을 보고한다. 또한 EV에 캡슐화된 20S 프로테아좀은 수용자 세포로 전달되며, 전반적인 단백질분해 경로를 교란하지 않으면서 과발현된 tau 단백질의 분해를 촉진함을 입증한다. 이러한 결과는 프로테아좀을 표적 세포로 수송하여 단백질독성 기질을 제거하도록 하는 새로운 세포 간 통신 시스템을 부각한다. 이러한 항상성 기전에 대한 추가 특성 규명은 생체 수준의 스트레스 반응 기전 이해를 향상시킬 수 있으며, 알츠하이머병을 포함한 다양한 단백질병증(proteinopathies)을 치료하기 위한 치료적 접근을 제공할 가능성이 있다.

표적 단백질 분해(Targeted protein degradation, TPD)는 생물학적 및 임상적 맥락에서 특정 관심 단백질의 기능을 약화시키기 위한 실행 가능한 대안으로 정립되어 있다. 고유한 TPD 작용기전은 이전에는 약물로 공략하기 어려웠던 단백질을 실현 가능한 표적으로 전환시켜, ‘약물화 가능(druggable)’ 특성과 ‘특권적(privileged)’ 표적 단백질의 지형을 확장하였다. TPD가 계속 진화함에 따라, 프로테올리시스-타깃 키메라(Proteolysis-targeting chimeras, PROTACs)에서처럼 E3 유비퀴틴 리가제를 모집(recruiting)하는 데 의존하지 않는 다양한 혁신적 전략이 등장하였다. 여기에서는 리소좀 및 프로테아좀에 직접 결합하는 양식(direct lysosome- and proteasome-engaging modalities)에 대한 개요를 제시하고, 그들의 전망, 장점, 한계를 논의한다. 각 분해제(degrader)의 화학적 조성, 생화학적 활성, 그리고 제약학적 특성을 개괄한다. 이러한 대안적 TPD 접근법은 세포 내 단백질 분해를 위한 1세대 PROTAC를 보완할 뿐 아니라, 세포막 및 세포외 공간에 위치한 병적 단백질을 표적화하기 위한 독특한 전략도 제공한다.

타우병증 질환, 예컨대 알츠하이머병(AD)에서는 고용해성이고 본래부터 풀어진(tightly native unfolded) 타우가 중합되어 불용성 필라멘트로 형성되지만, 이러한 과정의 기전적 세부 사항은 아직 불명확하다. AD 환자의 뇌에서는 타우의 극히 일부 구간만이 β-헬릭스가 적층된(protofilaments) 프로토필라멘트를 형성하고, 그 양측의 인접 부위는 무질서한 ‘퍼지(fuzzy)’ 코트를 형성한다. 본 연구에서는 AD 타우 핵생성 코어(tau AD nucleation core, tau-AC)가 충분히 자가-응집을 유도하고, 전장(full-length) 타우를 필라멘트로 모집함을 입증하였다. 예상과 달리, 타우-AC의 인산화 모방(phospho-mimetic) 형태(Ser324 또는 Ser356에서)는 올리고머화와 시딩(seeding) 특성이 현저히 감소되어 있음을 보였다. 생물물리학적 분석 결과, tau-AC의 N-말단은 핵생성 모티프로서 피브릴화(fibrillization) 동역학을 촉진하며, 이는 tau-AC에서의 인산화 유발 구조 변화로 인해 입체적으로 차폐된다. tau-AC 올리고머는 엔도사이토시스(endocytosis)를 통해 세포로 효율적으로 내부화되며, 내인성 타우의 응집을 유도한다. 1차 해마 뉴런(primary hippocampal neurons)에서 tau-AC는 만성 탈분극(chronic depolarization) 시 축삭 초기 분절(axon initial segment)의 가소성을 저해하고, 체세포-수상돌기(somatodendritic) 구획으로 잘못 위치한다. 또한 tau-AC 파이브릴을 해마 내(intrahippocampally) 주사한 마우스에서는 기억 회수(memory retrieval)가 유의하게 손상된 것으로 관찰되었으며, 이는 뇌에서의 신경병리학적 염색과 뉴런 소실과 일치한다. 이러한 결과는 tau-AC 종(species)이 AD에서 핵심적인 신경병리학적 유발 인자임을 규명하며, 치료적 중재를 위한 새로운 전략을 시사한다.