사립체 호흡사슬복합체 질환

사립체(mitochondria)는 100여년 전 알트만(Altmann)에 의해 처음 발견되어 엘리멘터리오가니슴(elementary organism)으로 불렸는데, 세포내에 존재하는 프리 리빙 오가니즘스(free-living organisms)로 제안되었습니다. 현재까지도 대부분의 보고에서 제시된 증거들은 이 원래의 가설을 뒷받침하고 있으며, 사립체가 고대 박테리아로부터 유래되었다고 생각됩니다.

1962년 루프트(Luft) 등이과대사 환자에게서 사립체 기능 이상에 대한 증거를 제시하면서 사립체는 최초로 인체 질환과 연관된 세포 소기관으로 제안되었습니다. 이후 뇌근병증 환자에서의 호흡 연쇄(respiratory chain)의기능 결핍과 형태학적인 변형에 대한 계속된 보고를 통해서 인체 질환에서 사립체의 역할이 더욱더 확립되기 시작했습니다.

1963년 나스(Nass) 등은사립체가 자신의 고유한 DNA (mtDNA)를 가지고 있다는 사실을 발견했고, 1981년 인체와 쥐에서 마이토콘드리아 DNA(mtDNA)의 모든염기서열이 보고되었습니다. 그러나 사립체에 대한 유전학적 기초는1988년 최초의 질병유발 mtDNA 돌연변이가 발견되기 전까지는 확실하지 않았습니다.

이 발견은 사립체 질환 연구에 기폭제가 되었고, 이후 인체 질환과관련된 50개 이상의 mtDNA 돌연변이가 발견되었습니다. 더구나 어떤 간접적인 증거들은 사립체의 기능 이상이 노화나 심부전, 당뇨병, 신경퇴행성 질환 같은 흔한 질환에서도 중요한 역할을 한다고 제안하고 있습니다.

1)산화적 인산화(oxidative phosphorylation)

사립체 호흡 연쇄는 5개의 효소 복합체로 구성되어 있으며, 산화적 인산화와 ATP 생성에 필요한 약 100개의 서로 다른 단백질 단위를 가지고 있습니다. mtDNA는 5개의 호흡 연쇄 효소 복합체 중 4개의 효소 복합체에 대한 각각의구성단위를 암호화하는데, complex I(NADH dehydrogenase)의 7개, complex III(cytochrome c reductase)의 1개, complex IV(cytochrome c oxidase)의 3개, complex V(ATP synthase)의 2개의 구성단위에 대해 역할을 합니다.

Complex II(succinate dehydrogenase)는 nuclear DNA에서 암호화됩니다. 호흡 연쇄는 사립체 내막에서양자(proton) 차이를 통해서 ATP를 생성합니다. Complexe I, III, IV는 양자를 기질 밖으로 보내고, 이때생긴 전기화학적 차이로부터 발생한 에너지는 complex V에 의해서ADP(adenosine diphosphate)에서 ATP로의 생성에 이용됩니다.

2)사립체 질환의 유전학

산화적 인산화 능력은 배아 발생과 여러가지 다른 생리적 상황에서 엄격하게 조절되며, nuclear DNA 또는 mtDNA 돌연변이에 의한 산화적 인산화능력의 손상은 다양한 종류의 사립체 질환을 유발하게 됩니다.

현재에는 사립체 질환을 유발하는 유전학적 원인의 대부분이 mtDNA 돌연변이때문으로 알려져 있습니다. mtDNA 돌연변이에는 두 가지 주요한 형태가 있는데, 결실(deletion)과 중복(duplication)을포함하는 전위(rearrangement)와 점돌연변이(pointmutations)입니다. 돌연변이가 배아 단계에서 발생한 경우에는 모계유전을 나타냅니다.

체성 세포에서도 돌연변이가 발생할 수 있는데, 이것은 산발성의질병 경우를 의미합니다. 동일한 세포에 돌연변이와 정상 mtDNA가같이 존재하는 상태인 heteroplasmy에서는 결함을 상쇄할 수 있는 정상 mtDNA가 충분하게 존재한다면 호흡 연쇄 기능 손상을 유발하지는 않습니다. 그러나돌연변이와 정상 mtDNA 사이의 비가 어느 수준을 넘어가면, 호흡연쇄의 결함이 발생합니다.

증상을 유발하는 역치의 정도는 특정한 조직에서 필요로 하는 에너지의 요구에 따라 다릅니다. 중추신경계, 심장, 근육, 간, 신장 같은 조직은 높은 에너지 수준을 필요로 하기 때문에 아주예민합니다. 여러 조직 사이에 존재하는 mtDNA 돌연변이의분포는 환자의 임상양상에 영향을 줍니다.

nuclear DNA와는 다르게 mtDNA는 세포분열에서 절대적으로 똑같이 복제되지는 않으며, 다음세대로의 mtDNA 분리는 정확하게 똑같은 분포로 진행되지 않습니다.결국 하나의 낭세포가 모든 mtDNA 돌연변이를 유전 받을 수 있고, 다른 낭세포는 mtDNA 돌연변이를 하나도 받지 않는 것이 가능합니다.

Heteroplasmy 정도는 체세포 분열을 하는 동안 꼭 일관되게유지되지는 않습니다. 배아형성기 초기에 발생하는 mtDNA 돌연변이의불균등한 분포는 여러 조직 간에 서로 다른 mtDNA 돌연변이 비율을 유발할 수 있으며, 같은 조직에서도 세포에 따라 서로 다른 mtDNA 돌연변이 비율을나타낼 수 있습니다.

분리(segregation)에서의 이런 다양성은 배아기에서도발생할 수 있기 때문에 mtDNA 돌연변이의 정도는 한 세대에서 다른 세대로 극적으로 변화될 수 있으며, 자손들은 때때로 아주 다양한 수준의 mtDNA 돌연변이 정도를 유전받을 수 있습니다.

그러나 또한 여러 세대를 거치는 동안에도 heteroplasmy 정도가비교적 일정하게 유지되는 가계도 있습니다. 특정한 mtDNA 돌연변이가유발하는 증상의 정도는 생식세포와 체세포분열 시 돌연변이의 유발 정도와 각각의 조직에서의 에너지 요구 수준의 차이(tissue-specific differences) 때문에 아주 다양합니다.

1)사립체 질환의 임상 양상

사립체 질환은 초기 배아형성기부터 성인기에 걸쳐 다양한 시기에 발병할 수 있습니다. 사립체 질환의 가장 중요한 특징은 하나의 기관부터 여러 기관에 걸쳐 증상을 나타내는 임상양상의 이질성입니다. 이런 다양성은 헤테로플라스미(heteroplasmy)의 정도와 돌연변이나각각 조직마다의 생화학적 발현에 대한 역치의 차이, 그리고 핵 유전자와 사립체 유전자 사이의 조절 효과에기인하는 것으로 추정됩니다.

사립체 질환을 규정지울 수 있는 특정한 단일 양상은 없으며 대부분의 임상 환자들은 다양한 시기에 발생하는뇌, 신경, 근육, 내분비, 심장, 눈, 귀, 장, 신장, 골수 등여러 장기들에서 발생하는 여러 가지 증상들의 조합을 가지고 있습니다. 높은 산소 요구도와 에너지 요구량을가진 조직이나 기관들이 우선적으로 영향을 받게 되는데 근육, 뇌, 심장, 간 등이 대표적입니다.

따라서 사립체 질환의 가장 흔한 증상은 신경근 관련 증상이라고 할 수 있습니다. 대개 어떤 흔한 질환이 예전과 다르게 비전형적인 증상을 나타내고, 증상이여러 장기에 걸쳐서 분포할 때 사립체 질환을 의심할 수 있습니다.

2)특징적인 사립체 질환들

가장 최초로 보고된 사립체 질환은 전자 전달과 ATP 생성 사이에서의기능 결함으로 보고된 루프트(Luft) 병입니다. 이것이발견된 이후에 에너지 생성의 결함이 어떤 뇌근병증에서 원인이 될 수 있다는 여러 증거들이 보고되었습니다.

1988년에 이르러서야 질병 유발 mtDNA 돌연변이가 처음으로 보고되었고, 이 질환에 대한 분자 유전학적기초가 마련되기 시작했습니다. 오늘날까지 50개 이상의 서로다른 mtDNA 돌연변이가 아주 다양한 임상적 양상을 유발하는 것으로 보고되었는데, MELAS(mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis andstroke-like episodes), MERRF(myoclonus epilepsy and ragged-red fibers), 컨스세이어(Kearns-Sayre)증후군(retinitispigmentosa, progressive external ophthalmoplegia, ataxia and heart conductiondefects) 등이 대표적인 경우입니다.

MELAS와 MERRF 증후군은 tRNA 유전자의 돌연변이로 발생하지만 컨스 세이어(Kearns-Sayre) 증후군은 mtDNA의 대규모 결실로 발생합니다. 특정 돌연변이와 연관된 임상적증상은 아주 다양하게 나타날 수 있습니다. 예를 들어tRNALeu(UUR) gene의 A3243G 돌연변이는PEO(progressive external ophthalmoplegia), maternally inherited deafness anddiabetes mellitus, MELAS 증후군과 연관되어 있습니다.

임상 양상에서 다양성을 나타내는 이유는 확실하지는 않습니다. 그러나 mtDNA 돌연변이의 분포와 다른 핵유전자와의 상호작용이 중요할 것으로 보입니다. tRNA 유전자의 돌연변이와 대규모 결실은 사립체 단백질의 생성에 손상을 유발하여 complex I, III, IV, V에 영향을 주는 심각한 사립체 호흡 연쇄 결함을 유발합니다.

소아 환자들은 대개 mtDNA 결실이 광범위한 조직에서 분포되어있고 빈혈, 췌장 부전, 신병증, 간병증, 당뇨와 다른 내분비적인 이상 같은 여러 기관에서 심각한증상을 나타냅니다. 성인 환자들은 보통 근육과 뇌 조직에서는mtDNA 결실이 높은 수준으로 확인되지만 혈액에서는 확인되지 않으며, 안검하수, 안구운동 장애, 근골격계 약화 등을 포함하는 PEO를 유발하거나 더 심한 형태의 컨스 세이어(Kearns-Sayre) 증후군을나타냅니다.

어떤 소아 환자에서는 생명을 위협하는 소아기의 빈혈에서 회복되어 청소년기에 신경근조직에서의 이상 소견만이생기는 경우를 임상적으로 관찰할 수 있습니다. 이것은 연령의 변화에 따라서 서로 다른 조직에서 결실된 mtDNA 수준의 변화가 중요한다는 사실을 방증하고 있습니다.

골수 같이 빠르게 분화하는 조직은 영양계 선발(clonalselection)에 의해서 결실된 mtDNA를 소실할 수 있는 반면 뇌나 근육 같은 조직들은결실된 mtDNA가 시간이 지남에 따라서 축적되는 것이 가능합니다.

LHON(Lebers hereditary optic neuropathy)은젊은 성인에서 실명을 유발시키는 모계유전 질환으로 90% 이상의 환자에서 complex I 구성단위를 만드는 mtDNA 유전자의 서로 다른점돌연변이가 관찰됩니다. ATP synthase 구성단위를 암호화하는 유전자에서의 점돌연변이는 NARP(neurogenic myopathy, ataxia and retinitis pigmentosa)와 Leigh 증후군을 유발합니다.

이 돌연변이에서 mtDNA 돌연변이 정도와 증상의 심한 정도는연관관계가 있습니다. 높은 수준의 mtDNA 돌연변이 정도는소아기에 발생하는 심각한 라이(Leigh) 증후군을 일으키며, 낮은수준의 mtDNA 돌연변이는 더 높은 연령에서 발생하는 덜 심각한NARP 증후군을 일으킵니다.

산화적 인산화와 관련해서 가장 먼저 발견된 핵과 관련된 유전자 돌연변이는Leigh 증후군과 complex II 결함이 있는 환아에게서 발견되었습니다. 핵 유전자의 돌연변이로 발생하는 사립체 질환은 멘델 유전 법칙의 양상을 나타내지만 여러 가지 임상적 양상은 mtDNA 돌연변이에 의한 사립체 질환과 유사한 점이 많습니다.

MNGIE(Mitochondrialneurogastrointestinal encephalomyopathy) 증후군은 사립체 호흡 연쇄의 효소 활성도의 감소, 여러 mtDNA의 이상 소견을 특징으로 하는데, 이 질환은 핵(nuclear) DNA에서 암호화하는 티미딘  포스포릴라아제(thymidine phosphorylase) 유전자의 돌연변이와 연관되어 있습니다. 이것에 대한 설명으로는 thymidine phosphorylase의불활성이 mtDNA의 유지에 중요한 세포내 티미딘 풀스(thymidinepools)를 변화시켜 발생한다는 가설이 있습니다.

진단적 접근은 다른 질환들과 마찬가지로 환자의 병력, 가족력의확인, 일반적인 검진과 신경학적 검사가 시행되어야 하며 특수한 생화학적 검사, 근육조직검사, 분자유전학적 검사가 필수적입니다. 가족력은 사립체 호흡 연쇄와 연관된 이중적인 유전학적 특성 때문에 세심한 주의를 기울여 확인되어야 합니다. 임상적인 특성과 함께 모계 쪽으로의 유전과 관련된 증거는 mtDNA 돌연변이를시사합니다.

반면 멘델 유전양식은 nDNA에서 유래된 단백에 이상이 있을가능성을 시사합니다. 사립체는 여러 곳에 존재하기 때문에 mtDNA와관련된 질환들이 신체의 모든 조직에 영향을 줄 수 있다는 사실은 자명합니다. 사실 모든 경우는 아니더라도대부분의 경우에서 mtDNA와 관련된 질환들은 여러 기관과 관련된 증상을 유발하기 때문에 이학적 검사를세심하게 해야 합니다.

일반적으로 서로 연관성을 가지지 않은 두 개 이상의 조직을 침범하는 소견을 보이는 경우 사립체 질환의 가능성을나타낸다고 볼 수 있습니다. mtDNA 관련 질환과 유사하게 멘델 유전양식을 보이는 사립체 질환들도여러 장기에 걸쳐서 증상을 나타내기는 하지만, 그 다양한 정도가 적으며 발병 시기가 더욱 빠릅니다.

사립체 질환의 발현이 출생 시기나 출생 직후에 나타나는 경우는 mtDNA와관련된 질환보다는 nuclear DNA와 관련된 사립체 질환과 더욱 연관되어 있습니다. 가장 유용한 기본적인 진단 검사는 혈중 lactate의 측정입니다. PDHC(Pyruvate dehydrogenase complex), Krebs 회로 또는 전자전달계 등의 수준에서사립체 내의 pyruvate 산화가 방해 받는 경우에 과량의pyruvate는 alanine으로 전환되거나lactate로 환원될 수 있습니다.

따라서 이들 물질은 사립체 질환을 가진 환자들에게서 증가를 보입니다. 조직에서의산화-화원의 정도에 따라서 lactate:pyruvate 비율이유지될 수도 있고 증가될 수도 있습니다. 사립체 호흡기 연쇄의 결함이 있는 경우에는 lactate:pyruvate 비율이 현저하게 증가하나, PDHC의결함이 있는 경우에는 이 비율이 대체적으로 유지됩니다. 이는 감별 진단에 있어 유용합니다.

사립체 뇌병증 환자에서는 혈중 lactate가 정상 내지 증가소견이 뚜렷하지 않을 수 있기 때문에 뇌척수액에서의 측정이 이뤄져야 합니다. 혈중 creatine kinase 수치는 대개 중등도의 상승 소견을 보이는 경우가 많으며, MNGIE 증후군 환자에서는 특징적인 thymidine phosphorylase결핍이 있기 때문에 혈중 thymidine의 측정이 진단에 유용합니다.

사립체 질환 환자는 특징적인 뇌 자기공명영상 양상을 보이는데, Leigh증후군의 경우에는 기저핵과 뇌간에서 양측성의 고음영강도 신호를 나타냅니다. 또 MELAS의 경우에는 stroke-like 병변이 주로 뇌의 후방부위, 특히 후두엽에서 관찰됩니다.

Kearns-Sayre 증후군에서는 중심부 뇌백질의 이상음영이관찰되며, 기저핵의 석회화 소견은 Kearns-Sayre 증후군과 MELAS (mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis andstroke-like episodes)에서 관찰됩니다. MRS(Magnetic resonancespectroscopy) 검사에서의 lactate peak의 관찰도 진단에 도움이 됩니다.

사립체 질환에 대한 대부분의 진단적 접근은 사립체 호흡 연쇄의 효소 기능과 mtDNA나 nuclear DNA 돌연변이를 검사하는 형태학적 방법과생화학적 방법을 이용합니다. SDH(Succinate dehydrogenase), COX(cytochrome coxidase), ATP synthase의 활성도에 대한 효소 조직화학 염색법(enzymehistochemical staining)은 일반적으로 신뢰도를 가지고 있는 형태학적 검사방법입니다.

반면에 NADH-dehydrogenase의 활성도 측정은 이방법을 쓰기에 어렵다고 알려져 있습니다. 그러나 이러한 효소 조직화학 검사에 의해서 측정되려면 상당한정도의 기능적 결함이 있어야 된다는 사실에 주의해야 합니다. 효소 결핍의 특징적인 모자이크 형태는 tRNA 유전자와 연관된 mtDNA 돌연변이 환자에게서 나타납니다.

이런 섬유들은 Gomori trichrome에 붉게 염색되며, RRF(ragged-red fibers)라고 불립니다. RRF를볼 수 있는 다른 방법은 SDH와 COX 염색법입니다. 그러나 여기서는 RRF는 푸르게 보이고, 정상 섬유는 갈색으로 보입니다.

특정 호흡 연쇄를 찾아내는 면역조직화학 검사(immunohistochemicaltest)도 진단에 이용되어왔습니다. 전자현미경으로는 사립체에의 기질에서 disorganized cristae와 crystallinestructures를 가진 이상 소견을 확인할 수 있습니다. 사립체의 축적은 산화적 인산화결핍에 대한 보상성의 반응으로 생각됩니다.

근육이나 다른 조직에서 사립체를 분리하여 polarographic(oxygraphic) methods로 사립체 호흡 연쇄의 기능을 측정하는 것이 가능합니다. 이방법은 서로 다른 시점에서 서로 다른 기질을 호흡 연쇄로 들어가게 하고, 산소 소모를 측정하는 방법으로, complex I-IV를 통한 전자전달에서의 결합과 complex V에의한 ATP 생성도 측정할 수 있습니다.

또한 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여각각의 호흡 연쇄 효소 복합체 활성도도 측정될 수 있습니다. Complex I과 IV의 결함이 같이 있는 경우가 mtDNA 돌연변이를 가지고 있는환자에게서 흔히 볼 수 있습니다.

분자유전학적 방법은 특정한 mtDNA와 nuclear DNA의 돌연변이를 찾는 것입니다. PCR 산물의 직접적인염기서열 분석은 기존에 알려진 돌연변이나 또는 새로운 mtDNA 돌연변이를 찾는 데 이용됩니다. mtDNA 염기서열 분석을 이용한 유전자 chip arrays의발달은 미래에 분자유전학적 진단을 단순화시키고, 대량의 검사를 가능하게 할 것입니다.

하지만 진단적 접근에 있어서 하나의 함정은 조직에 따라서 돌연변이가 나타나는 정도가 다를 수 있다는 점입니다. 예를 들어 돌연변이가 근육에서는 높은 수준으로 나타나지만, 혈액에서는나타나지 않을 수도 있다는 사실을 유념해야 합니다.

현재까지 사립체 질환의 병인에 대해서는 많은 발전이 있었지만, 아직이 질환에 대한 효과적인 치료는 없습니다. 다양한 약물 치료가 시도되고 있으나 그 약물의 효과에 대한공통적인 합의는 없는 상태입니다.

사립체는 유리기(free radical)의 중요한 공급처이고이 증가된 free radical이 사립체 질환의 병인에 중요한 역할을 하기 때문에 항산화제가 사립체질환 환자들에서 효과적일 것이라는 제안이 제시되어왔습니다.

Coenzyme Q는 사립체 호흡 연쇄에서 전자 전달의 기능과 scavenger molecule로서의 두 가지 기능을 하는 것으로 보고되었는데, MELAS나 Kearns-Sayre 증후군 같은 질환에서 효과가있다는 보고가 있습니다. 또한 riboflavin,tocopherol(vitamin E), succinate, ascorbate(vitamin C), menadione, nicotinamide등이 특정 사립체 호흡 연쇄 효소의 결핍을 가진 사립체 질환에 사용되어 왔습니다.

PNA(Peptide nucleic acids) therapy나 satellite cell activation therapy 등도 시도되고 있으나, 결국은 손상된 유전자에 대한 유전자 치료가 궁극적인 치료법으로 생각됩니다.