KR101591265B1 - A Method for Screening an Agent for Treating a Neuro-Degenerative Disease - Google Patents

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Abstract

FUS(fused in sarcoma) 돌연변이의 스트레스 과립(stress granule) 축적을 감소시키는 퇴행성 신경계 질환 치료제를 스크리닝하는 방법으로, (a) 세포에 FUS 돌연변이 단백질을 발현시키는 단계; (b) 상기 세포에 산화 스트레스 유발 물질을 처리하는 단계; (c) 상기 세포에 시험 물질을 접촉시키는 단계; (d) 상기 시험 물질을 처리하지 않은 대조군과 비교하여 FUS 양성 스트레스 과립 축적을 감소시키는 물질을 퇴행성 신경계 질환 치료제로 선별하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.A method of screening for a therapeutic agent for a degenerative neurological disease that reduces the accumulation of stress granules in a fused in sarcoma mutant, comprising: (a) expressing a FUS mutant protein in a cell; (b) treating the cell with an oxidative stressor; (c) contacting the test substance with the cell; (d) selecting a substance that reduces FUS positive stress granule accumulation as a therapeutic agent for degenerative neurological diseases as compared to a control group in which the test substance is not treated.

Description

퇴행성 신경계 질환 치료제 스크리닝 방법 {A Method for Screening an Agent for Treating a Neuro-Degenerative Disease}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for screening an agent for treating neurodegenerative diseases,

본 발명은 퇴행성 신경계 질환 치료제를 스크리닝하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 FUS(fused in sarcoma) 돌연변이의 스트레스 과립(stress granule) 축적 및 이와 관련된 자가소화작용의 병리학적 메커니즘을 근거로 하여 퇴행성 신경계 질환을 치료하기 위한 치료제를 스크리닝하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for screening a therapeutic agent for a neurodegenerative disease. More specifically, the present invention relates to a method for screening a therapeutic agent for treating a degenerative nervous system disease based on the pathological mechanism of stress granule accumulation and auto-digestive action associated with FUS (fused in sarcoma) mutations will be.

루게릭병 (Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS, 근위축성축삭경화증)은 대뇌 피질(brain cortex), 뇌간(brain stem), 및 척수(spinal cord)에서 상부 및 하부 운동 뉴런의 진행형 손실(progressive loss)을 보이는 파괴적인 퇴행성 신경계 질환으로서(Bento-Abreu et al, (2010) Eur J Neurosci 31(12): 2247-2265), 결국에는 마비 및 사망에 이르게 된다. 대부분의 ALS는 특발성이지만, 약 10%는 유전에 의한 것이다 (Andersen et al, (2011) Nat Rev Neurol 7(11): 603-615). Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a disorder characterized by progressive loss of upper and lower motor neurons in the brain cortex, brain stem, and spinal cord. (Bento-Abreu et al, (2010) Eur J Neurosci 31 (12) : 2247-2265), eventually leading to paralysis and death. Most ALS are idiopathic, but about 10% are inherited (Andersen et al, (2011) Nat Rev Neurol 7 (11) : 603-615).

SOD1 , TARDBP , FUS/TLS, VAPB , OPTN , VCP , UBQLN2C9ORF72을 포함한 몇몇 돌연변이는 ALS와 연관되어 있다고 알려져 있다(Ticozzi et al, (2011) Arch Ital Biol 149(1): 65-82). Several mutations, including SOD1 , TARDBP , FUS / TLS, VAPB , OPTN , VCP , UBQLN2 and C9ORF72 , are known to be associated with ALS (Ticozzi et al., (2011) Arch Ital Biol 149 (1) : 65-82).

FUS(fused in sarcoma, FUS / TLS)는 DNA 수선(repair), 유전자 전사, 및 RNA 스플라이싱(splicing)에 관여하는 DNA/RNA 결합 단백질로서(Dormann et al, (2013) Mol Cell Neurosci .), FUS의 N-말단은 전사 활성과 연관되어 있는 한편, C-말단은 단백질 및 RNA 결합에 관여하는 것으로 알려져 있다. 또한, FUS가 전사 인자인 AP2, GCF, Sp1에 대한 인지 사이트를 가지는 것으로 확인된 바 있다.FUS ( FUS / TLS ) is a DNA / RNA binding protein involved in DNA repair, gene transcription, and RNA splicing (Dormann et al, (2013) Mol Cell Neurosci . ), The N-terminus of FUS is associated with transcriptional activity, while the C-terminus is known to be involved in protein and RNA binding. It has also been found that FUS has cognate sites for the transcription factors AP2, GCF, Sp1.

FUS는 유사분열-후의 뉴런에서, 수상돌기로의 mRNA 이동 조절과, 시냅스 활동에 반응하는 시냅스에서의 국소적 단백질 합성을 위하여 세포질에서 왕복하여 움직이는 것으로 보고된 바 있고(Aoki et al, (2012) Acta Neuropathol 124(3): 383-394; Fujii et al, (2005) Curr Biol 15(6): 587-593), 대뇌 피질에서 FUS의 RNA 타겟을 확인한 결과, 뉴런의 비손상(integrity) 및 시그널링(signaling)에 중요한 mRNA 서열의 스플라이싱을 조절한다는 것이 밝혀졌다(Lagier-Tourenne et al, 2012, Nat Neurosci 15(11): 1488-1497).FUS has been reported to move back and forth in the cytoplasm for post-mitotic neurons, mRNA transfer to dendrites, and local protein synthesis at synapses responsive to synaptic activity (Aoki et al, (2012) Acta Neuropathol 124 (3) : 383-394; Fujii et al, (2005) Curr Biol 15 (6) : 587-593) and the identification of FUS RNA targets in the cerebral cortex has been shown to regulate the splicing of mRNA sequences important for neuron integrity and signaling (Lagier -Tourenne et al, 2012, Nat Neurosci 15 (11) : 1488-1497).

FUS 돌연변이는 RNA 결합 유전자의 돌연변이인 대표적인 조기 치매의 일종인 전측두엽성 치매(Frontotemporal Lobar Dementia, FTLD)와 ALS에서 발견된 바 있다. FUS mutations have been found in ALS and Frontotemporal Lobar Dementia (FTLD), a typical early dementia mutation of the RNA-binding gene.

또한, FUS에서의 몇몇 미스센스(missence) 돌연변이와 넌센스(nonsense) 돌연변이는 ALS, FTLD 및 수전증과 관련되어 있다고 보고된 바 있다(Huey et al, 2012, Neurobiol Aging 33(5): 1016 e1019-1017; Rajput et al, 2013, Eur J Neurol). 이러한 돌연변이의 대부분은 C-말단 도메인에 있는데, 이는 핵 위치화 신호(Nuclear Localization Signal, NLS)의 기능을 하는 것을 보여주고 있다. 그러므로, 이러한 FUS 돌연변이는 FUS가 핵으로 이동하는 것을 막아서 세포질에 비정상적으로 위치하게 하고, 이에 따라 FUS 양성 응집체를 형성하게 된다고 보고된 바 있다(Dormann et al, 2012, EMBO J 31(22): 4258-4275).In addition, several missense mutations and nonsense mutations in FUS have been reported to be associated with ALS, FTLD, and haploidy (Huey et al, 2012, Neurobiol Aging 33 (5) : 1016E1019-1017; Rajput et al., 2013, Eur J Neurol ). Most of these mutations are in the C-terminal domain, which shows the function of the Nuclear Localization Signal (NLS). Therefore, it has been reported that this FUS mutation prevents the FUS from migrating to the nucleus, causing it to be abnormally located in the cytoplasm and thus forming FUS-positive aggregates (Dormann et al., 2012, EMBO J 31 (22) : 4258 -4275).

또한, 세포질에서의 FUS-양성 세포 함유물은 특발성 ALS 또는 FTLD가 있는 사람의 뇌에서 관찰되었는데, 이는 FUS 양성 세포 함유물이 이러한 질환의 발병에서 어떠한 역할을 할 가능성이 있음을 시사한다(Mori et al, 2012, Neuropathol Appl Neurobiol 38(4): 322-328).In addition, the FUS-positive cell content in the cytoplasm was observed in the brain of a person with idiopathic ALS or FTLD suggesting that the FUS positive cell inclusion is likely to play a role in the development of this disease (Mori et < RTI ID = 0.0 > al., 2012, Neuropathol Appl Neurobiol 38 (4) : 322-328).

그러나, ALS 환자나 FTLD 환자에게서 발견되는 이들 FUS 돌연변이 단백질의 비정상적인 위치와 응집체 축척과 관련된 메커니즘 연구는 거의 알려진 바 없으며, 이에 근거한 치료법에 대해서도 전무한 실정이다.However, little is known about the mechanisms involved in the abnormal location and aggregation of these FUS mutant proteins found in patients with ALS or FTLD, and there is no such treatment.

또한, 이러한 ALS-유발 돌연변이 단백질이, 퇴행성 뇌질환에서 나타나는 FUS 양성 스트레스 과립(stress granule)과 어떠한 관련성이 있는지, 또는 FUS 양성 스트레스 과립의 축적에 있어서의 자가소화작용의 역할에 대하여는 전혀 알려진 바가 없다.Also, it is not known at all whether these ALS-induced mutant proteins are related to FUS-positive stress granules in degenerative brain diseases or the role of autolysis in the accumulation of FUS-positive stress granules .

스트레스 과립(Stress Granule, SG)은 스트레스 조건에서 세포질에 나타나는, 단백질과 RNA의 밀도가 높은 집합체로서, 유해 조건으로부터 RNA를 보호하는 기능을 할 수도 있다고 예측된다. 즉, 밀도가 높은 소구체로 RNA 서열을 축적함으로써 RNA 서열에 코드화된 정보를 보호하는 기능을 할 수도 있을 것이다. 또한, mRNA, RNA 결합 단백질, 및 RNP로 이루어지는 스트레스 과립은 주로 스트레스 조건 하에서 전사 개시로부터 mRNA를 수용하고 보호하지만, 단백질 응집체가 비정상적으로 보유된 스트레스 과립은 세포질 또는 신경돌기에서 몇몇 뉴런 기능에 관여하는 세포내 mRNA 및 RNA 결합 단백질의 격리를 유발할 수 있다.Stress granule (SG) is a dense aggregate of proteins and RNA that appears in the cytoplasm under stress conditions, and may function to protect RNA from harmful conditions. In other words, it might function to protect the information encoded in the RNA sequence by accumulating the RNA sequence with a dense globule. In addition, stress granules composed of mRNA, RNA binding protein, and RNP mainly receive and protect mRNA from transcription initiation under stress conditions, but stress granules in which protein aggregates are abnormally retained are involved in some neuronal functions in cytoplasm or neurons Lt; RTI ID = 0.0 > mRNA < / RTI > and RNA binding proteins.

스트레스 과립은 활발하게 조립되고 분해되는 것으로 보고되어 지고 있고(Li et al, 2013, J Cell Biol 201(3): 361-372), 스트레스 조건 하에서 형성되고 스트레스 중단 후에는 분해되는 동적(動的)인(dynamic) 구조로 보고되고 있다(Li et al, 2013, J Cell Biol 201(3): 361-372).Stress granules have been reported to actively assemble and disintegrate (Li et al, 2013, J Cell Biol 201 (3) : 361-372), have been reported to have a dynamic structure that is formed under stress conditions and degrades after stress has ceased (Li et al, 2013, J Cell Biol 201 (3) : 361-372).

최근, ALS의 영향을 받은 뇌 영역에서 스트레스 과립 마커인 PABP(Poly(A)-binding protein)와 FUS 양성 세포질 함유물이 비정상적으로 축적되는 것이 확인된 바 있다(Dormann et al, 2012, EMBO J 31(22): 4258-4275). 또한, FUS의 미스센스 돌연변이에 대한 몇몇 세포 수준의 연구에서, 세포질 내 FUS가 스트레스 과립에 위치하여 세포질 영역에 축적된다는 것이 밝혀졌다(Li et al, 2013, J Cell Biol 201(3): 361-372). Recently, abnormal accumulation of the stress granule marker PABP (Poly (A) -binding protein) and FUS-positive cytoplasmic content in the brain region affected by ALS has been confirmed (Dormann et al, 2012, EMBO J 31 (22) : 4258-4275). In addition, several cell-level studies of mutations in FUS missense revealed that cytoplasmic FUS is located in the stress granules and accumulates in the cytoplasmic region (Li et al, 2013, J Cell Biol 201 (3) : 361- 372).

또 다른 연구에 의하면 스트레스 과립으로의 FUS/ALS의 조립은 신속하고 가역적이고, FUS는 스트레스 조건에 반응하여 친-생존 과정에 관여된다고 증명되었다(Sama et al, 2013, J Cell Physiol 228(11): 2222-2231). 또한, FUS C-말단 절단(truncation) 돌연변이체 단백질은 스트레스 과립의 조립 또는 분해에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다(Baron et al, 2013, Mol Neurodegener 8(1): 30).Other studies have shown that FUS / ALS assembly into stress granules is rapid and reversible, and FUS is involved in the pro-survival process in response to stress conditions (Sama et al, 2013, J Cell Physiol 228 (11) : 2222-2231). In addition, it has been shown that FUS C-truncation mutant proteins affect the assembly or degradation of stressed granules (Baron et al, 2013, Mol Neurodegener 8 (1) : 30).

그러나, FUS 돌연변이가 스트레스 과립의 축적과 어떻게 관련되는지 및 그러한 축적이 어떻게 조절되는지에 대하여는 명확하게 규명되지 않았다.However, how FUS mutations are associated with the accumulation of stressed granules and how such accumulation is regulated has not been clearly elucidated.

자가소화작용(autophagy)은 리소좀에서 RNA, 단백질, 또는 세포 소기관 등의 세포질 구성 요소를 대규모로 분해하는 경로로서(Lee, 2012, Exp Neurobiol 21(1): 1-8; Nixon, 2013, Nat Med 19(8): 983-997), 단백질과 세포 소기관의 품질 관리(quality control)와도 관련 있다. Autophagy is a pathway for large-scale degradation of cytoplasmic components such as RNA, proteins, or organelles in lysosomes (Lee, 2012, Exp Neurobiol 21 (1) : 1-8; Nixon, 2013, Nat Med 19 (8) : 983-997), and quality control of proteins and cell organelles.

자가소화작용 경로는 몇몇 세포질 함유물을 수반하는 퇴행성 신경계 질환과 관련된다고 알려져 있고, 일부 퇴행성 신경계 질환에서는 뉴런에서 세포의 항상성 및 시그널링의 기능 장애를 초래하는, 응집체의 축적 및 손상된 세포 소기관이 나타나는 것으로 알려져 있다. 또한, 산화 스트레스는 ALS 발병과 밀접하게 관련되어 있고, 질병의 진행에 중요하다고 알려져 있다(Barber & Shaw, 2010, Free Radic Biol Med 48(5): 629-641).The self-digestive pathway is known to be associated with degenerative neurological diseases involving several cytoplasmic inclusions, and in some degenerative neurological diseases, accumulation of aggregates and damaged cellular organelles, resulting in impaired cellular homeostasis and signaling in neurons It is known. In addition, oxidative stress is closely related to the onset of ALS and is known to be important for disease progression (Barber & Shaw, 2010, Free Radic Biol Med 48 (5) : 629-641).

한편, 진핵 생물성 스트레스 과립은 이스트에서 자가소화작용에 의해 처리된다고 규명되었다(Buchan et al, 2013, Cell 153(7): 1461-1474).On the other hand, eukaryotic stress granules were found to be treated by autogenous digestion in yeast (Buchan et al, 2013, Cell 153 (7) : 1461-1474).

신규 mTOR(mechanistic target of rapamycin, serine/threonine kinase) 비의존성 자가소화작용 강화제로 알려진 트레할로스(trehalose)는 최근에 운동 뉴런에서 ALS의 진행을 지연시키는 것으로 밝혀졌고, 이는 자가소화작용 활성화가 SOD 돌연변이와 관련된 ALS를 치료하기 위한 기대되는 전략이 될 수도 있음을 시사하였다(Castillo et al, 2013, Autophagy 9(9): 1308-1320).Trehalose, known as a new mTOR (mechanistic target of rapamycin, a serine / threonine kinase) non-dependent self-extinguishing enhancer, has recently been shown to delay the progression of ALS in motor neurons, (Castillo et al., 2013, Autophagy 9 (9): 1308-1320), which may be an expected strategy for treating related ALS.

그러나, 지금까지 ALS-연관 FUS 양성 스트레스 과립의 축적에 있어서 자가소화작용의 역할에 대하여는 알려진 바가 거의 없다.
However, the role of auto-digestion in the accumulation of ALS-associated FUS-positive stress granules has not been known so far.

본 출원의 발명자들은 FUS 돌연변이 단백질에 의한 ALS 또는 FTLD와 같은 퇴행성 신경계 질환과 관련된 메커니즘을 연구하던 중, FUS 돌연변이의 스트레스 과립에의 축적 저해 및 스트레스 과립으로부터 분해 방해 억제 메커니즘을 통해 퇴행성 신경계 질환, 예를 들어 ALS 또는 FTLD의 치료제를 스크리닝할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
The inventors of the present application studied the mechanisms involved in degenerative nervous system diseases such as ALS or FTLD by FUS mutant proteins, and found that the FUS mutation inhibited accumulation in stress granules and inhibited decomposition from stress granules, The inventors confirmed that the therapeutic agent for ALS or FTLD can be screened and completed the present invention.

본 발명은 FUS(fused in sarcoma) 돌연변이의 스트레스 과립(stress granule) 축적을 감소시키는 퇴행성 신경계 질환 치료제를 스크리닝하는 방법으로,The present invention provides a method for screening for a therapeutic agent for a degenerative neurological disease which reduces accumulation of stress granules in a fused in sarcoma mutant,

(a) 세포에 FUS 돌연변이 단백질을 발현시키는 단계;(a) expressing a FUS mutant protein in a cell;

(b) 상기 세포에 산화 스트레스 유발 물질을 처리하는 단계;(b) treating the cell with an oxidative stressor;

(c) 상기 세포에 시험 물질을 접촉시키는 단계;(c) contacting the test substance with the cell;

(d) 상기 시험 물질을 처리하지 않은 대조군과 비교하여 FUS 양성 스트레스 과립 축적을 감소시키는 물질을 퇴행성 신경계 질환 치료제로 선별하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
(d) selecting a substance that reduces FUS positive stress granule accumulation as a therapeutic agent for degenerative neurological diseases as compared to a control group in which the test substance is not treated.

본 발명에 따른 퇴행성 신경계 질환 치료제 스크리닝 방법을 통해 FUS 돌연변이의 스트레스 과립에의 축적을 저해하거나 스트레스 과립으로부터 분해 방해를 억제하는 퇴행성 신경계 질환의 치료에 사용될 수 있는 후보 물질군을 스크리닝할 수 있다.
The candidate substance group that can be used in the treatment of the degenerative nervous system diseases that inhibits the accumulation of FUS mutations in stress granules or inhibits the decomposition disturbance from stress granules can be screened by the method for screening therapeutic agents for degenerative neurological diseases according to the present invention.

도 1a는 HEK 293T 세포에서 flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 발현시킨 웨스턴 블랏 분석의 결과이다(WT: 야생형, R521C: R521C 돌연변이).
도 1b는 각각 항-flag 항체 또는 항-PABP 항체로 면역염색된 flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 발현하는 뉴런의 이미지로서 FUS 및 PABP의 위치를 보여준다. (SA: 나트륨 아르세나이트 처리, Recovery: 나트륨 아르세나이트 처리의 제거, PABP: 스트레스 과립 마커, DAPI: 핵 위치 확인, 화살표: FUS 양성 스트레스 과립, 기준자(Scale bar): 10 ㎛)
도 1c는 flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 발현하는 뉴런의 이미지로서 각 산화 스트레스 조건(비존재시/존재시/처리 이후)에서 FUS의 위치를 보여준다.
도 1d는 flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 발현하는 뉴런에서 각 산화 스트레스 조건(비존재시/존재시/처리 이후)에서 FUS 양성 스트레스 과립이 있는 뉴런의 퍼센트(%)를 나타내는 막대 그래이다(값은 평균±SEM, 일원분산분석(One way AVOVA) 후 터키의 다중비교 검정(Turkey's multiple comparison test), *** p<0.001, ns: 유의성 없음. n=3).
도 2a는 RFP-LC3와 함께 발현된 flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 발현하는 뉴런의 이미지다.
도 2b는 RFP-LC3 자가포식소체 내 FUS 양성 스트레스 과립이 있는 뉴런의 퍼센트(%)를 나타내는 막대 그래프이다(값은 평균±SEM, 일원분산분석 후 터키의 다중비교 검정, ** p<0.001, n=3).
도 2c는 NH4Cl (10mM)의 존재시 또는 비존재시에, FUS(WT) 또는 FUS(R521C) 중 어느 하나를 발현하는 HEK 293T 세포 용해액으로부터의, 항-flag 또는 항-LC3를 이용한 웨스턴 블랏 분석의 결과이다.
도 3a는 flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 WT 또는 atg5 -/- MEFs에서 형질주입하여 발현시킨 세포에서, FUS 또는 PABP의 세포 내 분포를 보여주는 이미지이다.
도 3b는 flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 WT 또는 atg5 -/- MEFs에서 형질주입하여 발현시킨 세포에서 FUS 양성 스트레스 과립이 있는 세포의 퍼센트(%)를 나타내는 막대 그래프이다(값은 3회의 독립적 반복의 평균±SEM, 일원분산분석 후 터키의 다중비교 검정, ** p<0.01, *** p<0.01).
도 3c는 Flag-FUS(WT) 또는 FUS(R521C)를 atg7 siRNA 또는 스크램블(scrambled) siRNA와 함께 배양된 피질 뉴런에 동시-형질주입(co-transfect)한 결과를 나타낸 웨스턴 블랏 분석의 결과이다.
도 3datg7 siRNA 또는 스크램블 siRNA와 함께인 FUS(WT) 또는 FUS(R521C)를 발현하는 뉴런의 이미지로서, FUS 양성 스트레스 과립을 나타낸다(Sc siRNA: 스크램블 siRNA).
도 3eatg7 siRNA 또는 스크램블 siRNA와 함께인 FUS(WT) 또는 FUS(R521C)를 발현하는 뉴런에서 FUS 양성 스트레스 과립이 있는 뉴런의 퍼센트(%)를 나타내는 막대 그래프이다(값은 3회의 독립적 반복의 평균±SEM, 일원분산분석 후 터키의 다중비교 검정, *** p < 0.001).
도 4a는 라파마이신과 함께 (또는 없이) FUS(R521C) 및 atg7 siRNA (또는 스크램블 siRNA)를 발현하는 뉴런의 이미지로서, FUS 양성 스트레스 과립을 나타낸다. (Rapa: 라파마이신 처리)
도 4b는 라파마이신과 함께 (또는 없이) FUS(R521C) 및 atg7 siRNA (또는 스크램블 siRNA)를 발현하는 뉴런에서 FUS 양성 스트레스 과립이 있는 뉴런의 퍼센트(%)를 나타내는 막대 그래프이다(값은 3회의 독립적 반복의 평균±SEM, 일원분산분석, 터키의 다중비교 검정, *** p<0.001, ns: 유의성 없음, 화살표: FUS 양성 스트레스 과립).
도 4c는 GFP와 함께 FUS(R521C) 또는 FUS(WT)를 발현하는 뉴런의 대표 이미지로서, 신경돌기 분열을 보여준다(화살표: 신경돌기 분열을 나타냄, 기준자: 20 ㎛).
도 4d는 신경돌기 분열이 있는 뉴런의 퍼센트(%)를 나타내는 막대 그래프이다(값은 4회의 독립적 반복의 평균±SEM, 일원분산분석, 터키의 다중비교 검정, *** p<0.001).
Figure 1a shows the results of western blot analysis (WT: wild type, R521C: R521C mutation) in which flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C) was expressed in HEK 293T cells.
Figure 1B shows the location of FUS and PABP as images of neurons expressing flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C) immunostained with anti-flag antibody or anti-PABP antibody, respectively. (SA: sodium arsenite treatment, Recovery: removal of sodium arsenate treatment, PABP: stress granule marker, DAPI: nuclear localization, arrow: FUS positive stress granule, scale bar:
Figure 1c shows the location of the FUS at each oxidative stress condition (non-presence / presence / after treatment) as an image of a neuron expressing flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C).
Figure 1d shows the percentage of neurons with FUS positive stress granules in each oxidative stress condition (non-presence / presence / treatment) in flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C) expressing neurons (Values are mean ± SEM, Turkey's multiple comparison test after one way AVOVA, *** p <0.001, ns: no significance, n = 3).
Figure 2a is an image of a neuron expressing flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C) expressed with RFP-LC3.
Figure 2B is a bar graph showing percent (%) of neurons with FUS positive stress granules in the RFP-LC3 autoclaved body (mean ± SEM, multiple comparison test in Turkey after one-way analysis, ** p <0.001, n = 3).
Figure 2c shows the effect of anti-FLAG or anti-LC3 from HEK 293T cell lysate expressing either FUS (WT) or FUS (R521C) in the presence or absence of NH 4 Cl (10 mM) Western blot analysis.
FIG. 3A is a block diagram of a WT or an atg5 - / - flag-FUS (WT) or a flag-FUS (R521C) This is an image showing the intracellular distribution of FUS or PABP in cells transfected with MEFs.
Figure 3b is a flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C) WT or atg5 - / - (%) Of cells with FUS-positive stress granules in cells transfected with MEFs (values are mean ± SEM of three independent replicates, multiple comparison tests of Turkey after one-way ANOVA, ** p < 0.01, *** p < 0.01).
Figure 3c is a Western blot analysis showing the result of co-transfecting Flag-FUS (WT) or FUS (R521C) into cortical neurons cultured with atg7 siRNA or scrambled siRNA.
Figure 3d shows the effect of atg7 siRNA Or FUS (WT) or FUS (R521C) with scrambled siRNA, indicating FUS positive stress granules (Sc siRNA: scrambled siRNA).
Figure 3e shows that atg7 siRNA Or percentage of neurons with FUS positive stress granules in neurons expressing FUS (WT) or FUS (R521C) with scrambled siRNA (values are mean ± SEM of 3 independent replicates, Multiple comparison test of Turkey after variance analysis, *** p <0.001).
Figure 4a shows FUS positive stress granules as images of neurons expressing FUS (R521C) and atg7 siRNA (or scrambled siRNA) with (or without) rapamycin. (Rapa: Rapamycin treatment)
Figure 4b is a bar graph showing the percentage of neurons with FUS positive stress granules in neurons expressing FUS (R521C) and atg7 siRNA (or scrambled siRNA) with (or without) rapamycin Mean ± SEM of independent repetition, one-way ANOVA, multiple comparison test of Turkey, *** p <0.001, ns: no significance, arrow: FUS positive stress granule).
FIG. 4C shows a neurite outgrowth as a representative image of a neuron expressing FUS (R521C) or FUS (WT) together with GFP (arrow indicates neurite outgrowth, reference: 20 mu m).
Figure 4d is a bar graph showing percent (%) of neurons with neurite dysplasia (values are mean ± SEM of 4 independent replicates, one-way ANOVA, multiple comparison test of Turkey, *** p <0.001).

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail in order to facilitate understanding of the present invention.

본 출원의 발명자들은 FUS 돌연변이가 과도한 스트레스 과립 축적을 억제함으로써 퇴행성 신경계 질환을 치료할 수 있음을 밝혀냈으며, 이러한 메커니즘이 퇴행성 신경계 질환의 치료제의 스크리닝에 사용될 수 있음을 확인하였다.The inventors of the present application have found that FUS mutation can treat degenerative nervous system diseases by inhibiting excessive accumulation of stress granules and confirmed that this mechanism can be used for the screening of a therapeutic agent for degenerative nervous system diseases.

본 발명은 FUS(fused in sarcoma) 돌연변이의 스트레스 과립(stress granule) 축적을 감소시키는 퇴행성 신경계 질환 치료제를 스크리닝하는 방법으로,The present invention provides a method for screening for a therapeutic agent for a degenerative neurological disease which reduces accumulation of stress granules in a fused in sarcoma mutant,

(a) 세포에 FUS 돌연변이 단백질을 발현시키는 단계;(a) expressing a FUS mutant protein in a cell;

(b) 상기 세포에 산화 스트레스 유발 물질을 처리하는 단계;(b) treating the cell with an oxidative stressor;

(c) 상기 세포에 시험 물질을 접촉시키는 단계;(c) contacting the test substance with the cell;

(d) 상기 시험 물질을 처리하지 않은 대조군과 비교하여 FUS 양성 스트레스 과립 축적을 감소시키는 물질을 퇴행성 신경계 질환 치료제로 선별하는 단계를 포함한다.(d) selecting a substance that reduces FUS positive stress granule accumulation as a treatment for a degenerative neurological disease disease as compared with a control group in which the test substance is not treated.

상기 상기 FUS 돌연변이는 FUS(R521C) 돌연변이일 수 있다.The FUS mutation may be a FUS (R521C) mutation.

상기 단계 (a)는 세포에서 FUS 돌연변이 단백질을 발현시키는 단계이다. FUS 돌연변이 단백질은 예를 들어, HEK293T 세포 또는 뉴런 세포에 FUS 돌연변이 cDNA 포함 벡터를 형질주입(transfection)시키는 과정을 통해 발현될 수 있다. 상기 FUS 돌연변이는 하기 서열번호 1 또는 서열번호 2의 프라이머를 사용하여 제작될 수 있다.The step (a) is a step of expressing a FUS mutant protein in a cell. FUS mutant proteins can be expressed, for example, by transfecting HEK293T cells or neuronal cells with vectors containing FUS mutant cDNA. The FUS mutation can be produced using the primers of SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2 below.

서열번호 1 : 센스-5'-CGCCCAAGCTTATGGCCTCAAACGATTATAC-3' SEQ ID NO: 1 : sense-5'-CGCCCAAGCTTATGGCCTCAAACGATTATAC-3 '

서열번호 2 : 안티센스-5'-CGCGGATCCTTAATACGGCCTCTCCCTGCAATCCT-3' SEQ ID NO: 2 : Antisense-5'-CGCGGATCCTTAATACGGCCTCTCCCTGCAATCCT-3 '

상기 단계 (b)는 세포에 산화스트레스 유발 물질을 처리하는 단계이다. 상기 산화스트레스는 예를 들어, 세포 배양 중 나트륨 아르세나이트(sodium arsenite drug)를 첨가하여 유발시킬 수 있다.The step (b) is a step of treating the oxidative stress-inducing substance to the cells. The oxidative stress can be induced, for example, by the addition of sodium arsenite drug during cell culture.

상기 단계 (c)는 세포에 시험대상물질을 접촉시키는 단계이다. 시험대상물질을 처리하여 세포 중 발현되는 FUS 돌연변이의 스트레스 과립 축적 감소 여부를 확인할 수 있는 상태라면 특별히 제한되지 않으며, 특정 성장 시점의 배양 신경세포에 시험대상물질을 첨가하고 인큐베이션하는 단계일 수 있다.The step (c) is a step of bringing the test substance into contact with the cell. There is no particular limitation so long as the FUS mutation expressed in the cell can be checked whether or not the accumulation of stress granules can be confirmed by treating the test substance, and the test substance may be added to the cultured neuron at the specific growth time and incubated.

상기 단계 (d)는 상기 시험대상물질을 처리하지 않은 대조군과 비교하여 FUS 양성 스트레스 과립의 축적을 감소시키는 물질을 퇴행성 신경계 질환 치료제로 선별하는 단계이다. 상기 FUS 양성 스트레스 과립 축적을 감소시키는 것은 FUS 돌연변이가 스트레스 과립에 축적되는 것을 저해하거나, FUS 돌연변이가 FUS 양성 스트레스 과립의 분해를 방해하는 것을 억제하는 것에 의한 것일 수 있다.The step (d) is a step of selecting a substance that reduces the accumulation of FUS positive stress granules as a therapeutic agent for degenerative neurological diseases as compared with a control group in which the test substance is not treated. Reducing the FUS positive stress granule accumulation may be due to inhibiting the accumulation of FUS mutations in stress granules or inhibiting FUS mutations from interfering with the degradation of FUS positive stress granules.

상기 FUS 양성 스트레스 과립 축적을 감소시키는 것은 자가소화작용(autophagy)의 활성화에 의한 것일 수 있다. Reducing the FUS positive stress granule accumulation may be due to activation of autophagy.

상기 FUS 양성 스트레스 과립 축적을 감소시키는 것은 신경세포의 비정상적 구조 변화의 감소로써 확인하는 것일 수 있다. 상기 신경세포의 비정상적 구조 변화는 신경돌기의 분열일 수 있다.Reducing the FUS positive stress granule accumulation may be confirmed by a reduction in abnormal structural changes in neuronal cells. The abnormal structural change of the neuron may be a division of the neuron.

상기 FUS 양성 스트레스 과립 축적을 감소시키는 것의 측정은 제한없이 사용될 수 있으나 예를 들어, 면역세포화학법을 수행하여 FUS 양성 스트레스 과립의 개수를 확인하여 정량화함으로써 측정할 수 있다. 이후, 정량화 결과를 시험대상물질을 처리하지 않은 대조군과 비교함으로써 FUS 양성 스트레스 과립 축적의 감소 정도를 측정할 수 있다.The measurement of reducing the FUS positive stress granule accumulation can be used without limitation, but it can be measured, for example, by confirming and quantifying the number of FUS positive stress granules by performing immunocytochemistry. Thereafter, the degree of decrease in FUS positive stress granule accumulation can be measured by comparing the quantification results with the control group without the test substance.

위 측정 방법을 통한 결과 확인 후, 시험대상물질이 시험대상물질을 처리하지 않은 대조군에 비하여 FUS 양성 스트레스 과립의 축적을 감소시키는 경우, 본 발명에 따른 스크리닝 방법에서 목적하는 퇴행성 신경계 질환 치료제로 선별할 수 있다.If the test substance decreases the accumulation of FUS-positive stress granules compared to the control group which does not treat the test substance after the result of the above measurement method, the screening method according to the present invention can be used as a therapeutic agent for the desired degenerative neurological disease .

상기 퇴행성 신경계 질환은 신경세포의 손상으로 인하여 유발되는 것을 특징으로 하며, 신경세포 손상으로 인하여 유발되는 퇴행성 신경계 질환으로는 예를 들어, 루게릭병 (Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS, 근위축성축삭경화증), 전측두엽성 치매(Frontotemporal Lobar Dementia, FTLD) 또는 수전증이 포함될 수 있다.The degenerative nervous system disease is characterized by being caused by nerve cell damage. Examples of degenerative nervous system diseases caused by nerve cell damage include amyotrophic lateral sclerosis (ALS), amyotrophic lateral sclerosis Frontotemporal Lobar Dementia (FTLD) or embryo can be included.

상기 메커니즘을 통해 스크리닝된 물질은 자가소화작용의 활성화를 통해 퇴행성 신경계 질환의 예방 또는 치료용 조성물 제조에 사용될 수 있다.
The material screened through the mechanism can be used for the preparation of a composition for the prevention or treatment of degenerative neurological diseases through activation of auto-digestion.

실시예Example

이하 실시예를 들어 더욱 설명하나, 본 발명이 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
The following examples further illustrate the present invention, but the present invention is not limited by these examples.

[실험 방법 및 조건][Experimental Method and Condition]

1. One. cDNAcDNA 플라스미드 제작  Plasmid production

FUS(WT) 인간 cDNA는 Addgene (Cambridge, MA, USA)으로부터 입수하였다. 동물세포에서의 발현을 위해, R521C cDNA는 돌연변이를 포함하는 하기 서열번호 1 또는 서열번호 2의 프라이머를 사용하여 제작하였다.FUS (WT) human cDNA was obtained from Addgene (Cambridge, MA, USA). For expression in animal cells, R521C cDNA was prepared using the primers of SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2, which contain mutations.

서열번호 1 : 센스-5'-CGCCCAAGCTTATGGCCTCAAACGATTATAC-3'SEQ ID NO: 1: sense-5'-CGCCCAAGCTTATGGCCTCAAACGATTATAC-3 '

서열번호 2 : 안티센스-5'-CGCGGATCCTTAATACGGCCTCTCCCTGCAATCCT-3'SEQ ID NO: 2: Antisense-5'-CGCGGATCCTTAATACGGCCTCTCCCTGCAATCCT-3 '

이후, FUS(WT) 또는 FUS(R521C)의 각 cDNA를 3Xflag CMV7.1 벡터(Sigma, St Louis, MO USA)의 BamHI/HindIII 사이트에 서브클로닝하였다.
Each cDNA of FUS (WT) or FUS (R521C) was then subcloned into the BamHI / HindIII site of the 3Xflag CMV7.1 vector (Sigma, St Louis, MO USA).

2. 세포 배양, 형질주입, 및 면역세포화학2. Cell culture, transfusion, and immunocytochemistry

ICR 마우스(DAEIL, Korea)의 피질 뉴런 세포를 문헌(Lee, J. A., A. Beigneux, S. T. Ahmad, S. G. Young, and F. B. Gao. 2007. Curr Biol 17:1561-7.; Lee, J. A., and F. B. Gao. 2009. J Neurosci 29:8506-11.)에 기재된 방법에 따라 배양하였다. Cerebral neuronal cells of ICR mouse (DAEIL, Korea) were transfected into the cortical neurons of Lee, JA, and FB Gao (Lee, J., A. Beigneux, ST Ahmad, SG Young, and FB Gao. 2007. Curr Biol 17: 1561-7. 2009. J Neurosci 29: 8506-11.).

배양 후 3일 또는 5일(3 or 5 days in vitro(DIV))된 피질 뉴런 세포에 각각의 cDNA 플라스미드 300-500 ng을 제조사의 프로토콜에 따라 리포펙타민 2000(Invitrogen, Carlsbad, CA USA)를 이용하여 형질주입하였다. 300-500 ng of each cDNA plasmid was added to cortical neuron cells for 3 or 5 days (3 or 5 days in vitro (DIV)) after the cultivation, using Lipofectamine 2000 (Invitrogen, Carlsbad, CA USA) .

자가소화작용의 억제를 위하여, 배양 후 3일된(DIV3) 배양 피질 뉴런으로 atg7 siRNA를 형질주입하였다(Ban et al, 2013, Mol Cell Biol 33(19): 3907-3919). 형질주입 후 48 시간 후에 배양 배지에 나트륨 아르세나이트 (Sigma, St. Louis, MO, USA, 0.5mM) 또는 라파마이신 (Sigma, St. Louis, MO, USA, 10nM)을 첨가하였다. Atg7 siRNA was transfected into cultured cortical neurons (DIV3) 3 days after cultivation to inhibit autogenous digestion (Ban et al, 2013, Mol Cell Biol 33 (19): 3907-3919). Sodium arsenate (Sigma, St. Louis, Mo., USA, 0.5 mM) or rapamycin (Sigma, St. Louis, MO, USA, 10 nM) was added to the culture medium 48 hours after the transfection.

면역세포화학을 위하여, 뉴런, atg5 넉아웃(knockout) (atg5-/-) MEFs(mouse embryonic fibroblasts), 또는 야생형(WT) MEFs(Kuma et al, 2004)를 0.1% 트리톤 X 100(Triton X 100)에 5분간 투과화(permeabilization)시킨 다음, 3% 소 혈청 알부민(bovine serum albumin, BSA)으로 실온에서 1시간 동안 블로킹하였다. 이후, 세포를 항-flag 항체(Sigma, St. Louis, MO, USA, 1:100), 항-PABP 항체(abCAM, USA, 1:100), 및 항-ATG7 항체(Santa Cruz Biotech, Santa Cruz, USA, 1:1000)와 함께 1시간 동안 인큐베이션시킨 후, 항-래빗 이차 항체(Jackson Labs, Bar Harbor, ME, USA)와 함께 실온에서 1시간 동안 인큐베이션하였다.
For immunocytochemistry, neurons, atg5 knockout ( atg5 - / - ) MEFs (mouse embryonic fibroblasts), or wild type (WT) MEFs (Kuma et al, 2004) were mixed with 0.1% Triton X 100 ) For 5 minutes, and then blocked with 3% bovine serum albumin (BSA) at room temperature for 1 hour. Cells were treated with anti-FLAG antibody (Sigma, St. Louis, Mo., USA, 1: 100), anti-PABP antibody (abCAM, USA, 1: 100), anti-ATG7 antibody (Santa Cruz Biotech, Santa Cruz Incubated for 1 hour at room temperature with anti-rabbit secondary antibody (Jackson Labs, Bar Harbor, ME, USA).

3. 3. 웨스턴Western 블랏팅Blasting

문헌(Ban et al, 2013, Mol Cell Biol 33(19): 3907-3919)에 기재된 바와 같이 용해 완충액에서 전 세포 용해액을 제조하였다. 세포 용해액(50 ㎍ 단백질)을 항-LC3 항체(Novus Biologicals, Littleton, CO, USA, 1:5000), 항-PABP PABP(abCAM, Cambridge, MA, USA, 1:100), 항-GAPDH(Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, Millipore, Billerica, MA, USA, 1:10,000) 및 HRP 컨쥬게이션된 항-래빗 또는 항-마우스 이차 항체(1:10,000-20,000)를 이용한 웨스턴 블랏에 의해 분석했다.
Whole cell lysates were prepared in lysis buffer as described in Ban et al, 2013, Mol Cell Biol 33 (19): 3907-3919. Cell lysis solution (50 ㎍ protein) was incubated with anti-LC3 antibody (Novus Biologicals, Littleton, CO, USA, 1: 5000), anti-PABP PABP (abCAM, Cambridge, MA, USA, (1: 10,000-20,000) and HRP-conjugated anti-rabbit or anti-mouse secondary antibody (1: 10,000-20,000).

[[ 실시예Example 1]  One] FUSFUS (( R521CR521C ) 돌연변이가 산화 스트레스 하에서 ) Mutation under oxidative stress FUS 돌연변이의Mutant of FUS 스트레스 과립에의 축적에 미치는 영향 평가 Evaluation of effects on accumulation in stress granules

(1) (One) FUSFUS 단백질의 발현 및 안정성 확인 Identification of Protein Expression and Stability

fus 유전자의 특정 돌연변이가 ALS와 관련된 신경퇴화를 유발하는 기전을 조사하기 위하여, ALS에서 확인된 fus 유전자 돌연변이 중에서 가장 빈번한 점 변이 중 하나인 R521C 미스센스 돌연변이(Dormann & Haass, 2013, Mol Cell Neurosci)를 선택하였다.To investigate the mechanism by which specific mutations of the fus gene cause ALS-related neurodegeneration, One of the most frequent point mutations among the fus gene mutations, the R521C missense mutation (Dormann & Haass, 2013, Mol Cell Neurosci ) was selected.

이들의 발현 및 단백질 안정성을 확인하기 위하여, HEK 293T 세포에서 flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 발현시켰다. 세포를 24시간 동안 형질주입(transfection)시킨 후에, 시클로헥사미드(cycloheximide, CHX)로 처리하여 새로운 단백질 합성을 억제시켰다(Colombo et al, 1965, Biochem Biophys Res Commun 18: 389-395). CHX 처리 후 0, 12, 24, 및 48 시간에 세포 용해액을 얻어 항-flag 항체를 이용하여 웨스턴 블랏 분석을 수행하였다. 도 1a에 나타난 바와 같이, 야생형(WT) 단백질은 감소된 반면에 FUS(R521C) 단백질 수준은 48시간에도 유지되어, FUS(R521C) 단백질이 FUS(WT)보다 단백질 분해에 더 잘 견디는 것으로 나타났다.
In order to confirm their expression and protein stability, flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C) were expressed in HEK 293T cells. Cells were transfected for 24 hours and then treated with cycloheximide (CHX) to inhibit new protein synthesis (Colombo et al, 1965, Biochem Biophys Res Commun 18: 389-395). Cell lysates were obtained at 0, 12, 24, and 48 hours after CHX treatment and Western blot analysis was performed using anti-flag antibody. As shown in FIG. 1A, FUS (R521C) protein was found to be more resistant to protein degradation than FUS (WT), while wild type (WT) protein was reduced while FUS (R521C) protein level remained at 48 hours.

(2) (2) FUSFUS 단백질의  Protein 세포내Intracellular 발현 위치 조사 Investigate location of expression

유사분열-후의 뉴런(post-mitotic neuron)에서 FUS(R521C)의 세포내 위치를 조사하기 위하여, flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 배양된 래트 피질 뉴런에서 배양 후 5일(DIV5, in vitro days)에 발현시켰다. 그 실험 결과를 도 1b에 나타내었다.To investigate the intracellular location of FUS (R521C) in post-mitotic neurons, flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C) were cultured in cultured rat cortical neurons for 5 days DIV5, in vitro days). The results of the experiment are shown in Fig. 1B.

도 1b에,나타난 바와 같이, FUS(WT) 대부분은 형질주입 후 24-48 시간에 핵에 위치하였다. FUS(R521C)도 주로 핵에 위치하였으나, 일부는 세포질에도 위치하였다(도 1b). 그러나, FUS(R521C) 양성 스트레스 과립은 배양된 뉴런에서 거의 검출되지 않았다. As shown in FIG. 1B, most of the FUS (WT) was located in the nucleus 24-48 hours after transfection. FUS (R521C) was also located mainly in the nucleus, but a part was also located in the cytoplasm (Fig. 1B). However, FUS (R521C) positive stress granules were rarely detected in cultured neurons.

이는 FUS 양성 스트레스 과립의 형성은 노화 중 산화 스트레스와 같은 환경적인 인자에 의해 시작되는 것일 수도 있다는 것을 보여준다(도 1b 및 도 1c).
This indicates that the formation of FUS positive stress granules may be initiated by environmental factors such as oxidative stress during aging (FIG. 1B and FIG. 1C).

(3) 산화 스트레스가 (3) oxidation stress FUSFUS (( R521CR521C ) 단백질의 ) Of protein 세포내Intracellular 위치에 미치는 영향 조사 Location impact study

또한, 배양된 뉴런에서 산화 스트레스가 ALS-연관 R521C의 세포내 위치에 어떠한 영향을 미치는지 조사하기 위하여, FUS(WT) 또는 FUS(R521C) 발현 뉴런을 문헌(Bosco et al, 2010, Hum Mol Genet 19(21): 4160-4175)에 기재된 바에 따라, 산화 스트레스와 스트레스 과립의 형성을 유도하는 나트륨 아르세나이트(sodium arsenite) (0.5 mM, 1 hr)를 형질주입 후 24시간에 배양 배지에 첨가하였다. 나트륨 아르세나이트와 1시간 인큐베이션 후에, 산화 스트레스로부터 회복을 위하여 뉴런을 나트륨 아르세나이트가 없는 새로운 배지에서 20분 동안 인큐베이션하였다. 각각의 뉴런에서 단백질 발현을 확인한 결과를 도 1b 및 도 1c에 나타냈다.In addition, FUS (WT) or FUS (R521C) expressing neurons were also used to assess the effect of oxidative stress on the intracellular location of ALS-associated R521C in cultured neurons (Bosco et al, 2010, Hum Mol Sodium arsenite (0.5 mM, 1 hr) inducing oxidative stress and formation of stress granules (0.5 mM, 1 hr) was added to the culture medium 24 hours after transfection, as described in Genet 19 (21) : 4160-4175 . After incubation with sodium arsenate for 1 hour, neurons were incubated for 20 minutes in fresh medium without sodium arsenite for recovery from oxidative stress. The results of confirming protein expression in each neuron are shown in Fig. 1B and Fig. 1C.

도 1b에 나타난 바와 같이, FUS(WT)는 산화 스트레스(Bentmann et al, 2012, J Biol Chem 287(27): 23079-23094)에 반응하여 스트레스 과립 마커인 PABP(Poly(A)-binding protein) 양성 스트레스 과립에 위치하였다.As shown in Fig. 1B, FUS (WT) is a stress-granulating marker, PABP (Poly (A) -binding protein) in response to oxidative stress (Bentmann et al, 2012, J Biol Chem 287 (27): 23079-23094) Positive stress granules.

또한, 도 1d에 나타난 바와 같이, 스트레스 과립으로의 FUS의 결합은 FUS(WT) 발현 뉴런에 비하여 FUS(R521C) 발현 뉴런에서 상승하였고, 이는 R521C 돌연변이가 산화 스트레스 노출시에 FUS 양성 스트레스 과립의 형성을 상승시킨다는 것을 나타냈다.
In addition, as shown in FIG. 1d, FUS binding to stress granules was elevated in FUS (R521C) -expressing neurons compared to FUS (WT) -expressing neurons, indicating that the R521C mutation was associated with the formation of FUS- Lt; / RTI &gt;

(4) (4) R521CR521C 돌연변이가  Mutation FUSFUS 양성 스트레스 과립의 조립 역학에 미치는 영향 조사 Effects of positive stress granules on the assembly mechanics

본 발명자들은 R521C 돌연변이가 FUS 양성 스트레스 과립의 조립 역학을 조절하는지 여부를 조사하였다. 도 1c 및 도 1d에 나타난 바와 같이, FUS(WT) 양성 스트레스 과립은 나트륨 아르세나이트 제거 후 20분에 상당히 감소되었고, 이는 FUS가 스트레스 과립으로부터 분해됨을 나타내는 것이다(도 1d). 그러나, FUS(R521C) 양성 스트레스 과립은 산화 스트레스 제거 후 20분에도 여전히 남아 있었고, 이는 R521C 돌연변이는 산화 스트레스에 의해 유도된 스트레스 과립으로부터 FUS의 분해를 방해한다는 것을 나타내는 것이다(도 1b, 도 1c, 및 도 1d). FUS 돌연변이는 스트레스 조건 하에서 과립으로의 FUS의 결합을 상승시킬 뿐만 아니라, 스트레스 이후에는 FUS가 스트레스 과립으로부터 신속하게 분리되는 것을 방해하는 것으로 나타났다. 그러므로, 노화 중 스트레스에 반응하는 스트레스 과립의 정상적인 역학의 장애 및 FUS 양성 스트레스 과립의 과도한 축적은 ALS 진행의 원인이 될 수도 있을 것이다.We investigated whether the R521C mutation regulates the assembly mechanics of FUS positive stress granules. As shown in FIG. 1c and FIG. 1d, the FUS (WT) positive stress granules were significantly reduced at 20 minutes after sodium arsenate removal, indicating that the FUS was degraded from the stress granules (FIG. 1d). However, FUS (R521C) positive stress granules remained at 20 min after oxidative stress elimination, indicating that the R521C mutation interfered with the degradation of FUS from oxidative stress induced stress granules (Fig. 1B, Fig. 1C, And Fig. 1d). The FUS mutation not only increased the binding of FUS to the granules under stress conditions, but also prevented FUS from rapidly separating from the stress granules after stress. Therefore, the normal epidemiological impairment of stress granules in response to stress during aging and excessive accumulation of FUS positive stress granules may be the cause of ALS progression.

결과적으로, ALS-연관 FUS(R521C) 돌연변이는 산화 스트레스시에 스트레스 과립으로의 FUS의 결합을 강화하고 산화 스트레스로부터 회복하는 동안 그들의 역학을 방해하는 것을 확인할 수 있었다.
As a result, it was confirmed that the ALS-associated FUS (R521C) mutation enhanced the binding of FUS to stress granules during oxidative stress and interfered with their dynamics during recovery from oxidative stress.

[[ 실시예Example 2] 자가소화작용과  2] Self-digestion and FUSFUS -양성 스트레스 과립의 축적과의 관련성 조사- Relationship between accumulation of positive stress granules

본 발명자들은 자가소화작용이 FUS 돌연변이(R521C)를 수반한 ALS의 재현된 세포 모델에서 FUS-양성 스트레스 과립의 축적과 관련있는지 알아보기 위하여 하기 실험을 실시하였다.We performed the following experiments to determine whether auto-digestion is associated with the accumulation of FUS-positive stress granules in a reproduced cell model of ALS with FUS mutation (R521C).

먼저, 배양된 피질 뉴런으로 flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)를 자가포식소체 마커인 RFP-LC3와 함께 동시 형질주입하여 발현시켰다(Ban et al, 2013, Mol Cell Biol 33(19): 3907-3919). 그러나, 산화 스트레스 하에서도 FUS(WT) 또는 FUS(R521C) 발현 뉴런에서 눈에 띄는 RFP-LC3양성 자가포식소체를 관찰할 수 없었다(데이터 미기재).First, flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C) was co-transfected with cultured cortical neurons with RFP-LC3, an autogranular somatic marker (Ban et al, 2013, Mol Cell Biol 33 ) : 3907-3919). However, no prominent RFP-LC3 progenitor cells were observed in FUS (WT) or FUS (R521C) expressing neurons under oxidative stress (data not shown).

다음으로, FUS(WT) 또는 FUS(R521C)를 발현하는 뉴런을 자가소화작용의 억제제로 알려진, 리소좀-영양 시약인 염화암모늄(NH4Cl) (10mM)의 존재 하에 산화 스트레스 (0.5 mM, 나트륨 아르세나이트 처리, 1 hr)에 노출시켜, 염화암모늄의 존재 하에서 RFP-LC3 양성 자가포식소체를 조사하였다. 그 결과, FUS 양성 스트레스 과립은 산화 스트레스시에 리소좀성 분해의 억제 하에서 RFP-LC3 양성 자가포식소체에 함께 위치하였고(도 2a 및 도 2b), 이러한 결과로써 FUS 양성 스트레스 과립이 리소좀성 분해의 억제 하에서 자가포식소체에 축적된다는 것을 확인할 수 있었다.Next, neurons expressing FUS (WT) or FUS (R521C) were exposed to oxidative stress (0.5 mM, sodium chloride) in the presence of ammonium chloride (NH 4 Cl) (10 mM) 0.0 &gt; 1 &lt; / RTI &gt; hr), and RFP-LC3 positive autologous phagocytes were examined in the presence of ammonium chloride. As a result, the FUS-positive stress granules were located together with the RFP-LC3 positive autophagic bodies under the suppression of lysosomal degradation during oxidative stress (Figs. 2A and 2B), and as a result, the FUS positive stress granules inhibited lysosomal degradation And accumulate in the host organism.

FUS(R521C)가 RFP-LC3 양성 자가포식소체에 어떻게 축적되는지 밝히기 위하여, NH4Cl의 존재 또는 비존재 하에 LC3 항체를 이용한 웨스턴 블랏 분석을 수행하여, flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C) 발현 세포에서 자가소화작용의 변화를 조사하였다.The FUS (R521C) to perform a western blot analysis using the LC3 antibody under the presence or absence of NH 4 Cl to say that the RFP-LC3-positive self-how accumulated in the phagocytic vesicles, flag-FUS (WT) or flag-FUS ( R521C) expressing cells.

도 2c에 나타난 바와 같이, LC3-II는 NH4Cl의 존재시에 축적되었고, 이로써 자가소화작용 경로가 FUS(WT 및 R521C) 발현 세포에서 활발하다는 것을 알 수 있었다.As shown in FIG. 2C, LC3-II accumulates in the presence of NH 4 Cl, indicating that the autopoietic pathway is active in FUS (WT and R521C) expressing cells.

결과적으로, 몇몇 퇴행성 신경계 질환은 자가소화작용 분해의 기능 장애와 관련되지만, FUS 양성 스트레스 과립은 자가소화작용 경로를 손상시키는 것으로 보이지는 않음을 알 수 있었다.
As a result, some degenerative nervous system diseases are associated with dysfunction of self-digestive degradation, but FUS-positive stress granules do not appear to impair the self-digestive pathway.

[[ 실시예Example 3] 자가소화작용-결핍이  3] Self-digestion-deficiency FUSFUS 양성 스트레스 과립의 축적에 미치는 영향 조사 Investigation on the accumulation of positive stress granules

FUS(R521C) 양성 스트레스 과립의 과도한 축적에서 자가소화작용의 역할을 추가로 조사하기 위하여, flag-FUS(WT) 또는 flag-FUS(R521C)을 WT MEFs 또는 자가소화작용이 결핍된 atg5 -/- MEFs에 형질주입하였다. FUS-양성 스트레스 과립은 WT MEFs에서는 거의 검출되지 않은 반면에, atg5 -/- MEFs의 상당 부분에 축적되었다(도 3a 및 도 3b). 또한, FUS(WT) 양성 스트레스 과립보다 더 많은 FUS(R521C) 양성 스트레스 과립이 atg5 -/- MEFs에 축적되었고, 이는 FUS(WT)보다 FUS(R521C) 양성 스트레스 과립의 축적이 자가소화작용의 결핍에 더 민감하다는 것을 확인할 수 있었다(도 3a 및도 3b). To further investigate the role of self-extinguishing action in the excessive accumulation of FUS (R521C) positive stress granules, either flag-FUS (WT) or flag-FUS (R521C) were added to WT MEFs or atg5 - / - MEFs were transfected. FUS-positive stress granules were scarcely detected in WT MEFs, but accumulated in a significant portion of atg5 - / - MEFs (FIGS. 3A and 3B). In addition, more FUS (R521C) positive stress granules accumulate in atg5 - / - MEFs than FUS (WT) positive stress granules, suggesting that the accumulation of FUS (R521C) (Fig. 3A and Fig. 3B).

또한, FUS-양성 스트레스 과립의 조립 과정이 자가소화작용 경로에 의하여 조절되는지를 추가로 확인하기 위하여, 유사분열-후의 뉴런에서 자가소화작용의 필수 구성 요소인 atg7(Komatsu et al, 2007, Proc Natl Acad Sci U S A 104(36): 14489-14494)의 발현을 넉다운(knock down)시켜 스트레스 과립의 조립을 조사하였다. 구체적으로, 배양된 피질 뉴런에 Flag-FUS(WT) 또는 Flag-FUS(R521C)를 스크램블 siRNA (scrambled siRNA) 또는 atg7 siRNA의 어느 하나와 함께 동시 형질주입하였다. 형질주입 후 48시간 후에, 뉴런을 나트륨 아르세나이트(0.5 mM, 1hr)로 처리하였다. Flag-FUS(WT) 또는 Flag-FUS(R521C)가 atg7 siRNA 또는 스크램블 siRNA와 함께 뉴런에서 발현된 결과는 도 3c에 나타나 있다.To further confirm that the assembly process of FUS-positive stress granules is regulated by the self-digestive pathway, atg7 (Komatsu et al, 2007, Proc Natl , 2007), an essential component of self- Acad Sci USA 104 (36): 14489-14494) was knocked down to examine the assembly of stress granules. Specifically, Flag-FUS (WT) or Flag-FUS (R521C) was co-transfected with cultured cortical neurons with either scrambled siRNA or atg7 siRNA. 48 hours after transfection, neurons were treated with sodium arsenate (0.5 mM, 1 hr). The results of expression of Flag-FUS (WT) or Flag-FUS (R521C) in neurons with atg7 siRNA or scrambled siRNA are shown in Fig.

도 3d 및 도 3e에 나타난 바와 같이, 대조 뉴런(스크램블 siRNA)에 비교할 때 더 많은 FUS(WT) 양성 또는 FUS(R521C) 양성 스트레스 과립이 자가소화작용 결핍 뉴런에 축적되었고, 이러한 결과로써 자가소화작용이 FUS 양성 스트레스 과립의 조절에 관여한다는 것을 확인할 수 있었다.
As shown in Figures 3D and 3E, more FUS (WT) positive or FUS (R521C) positive stress granules accumulate in autolytic depleted neurons, as compared to control neurons (scrambled siRNA) Were involved in the regulation of FUS - positive stress granules.

[[ 실시예Example 4] 자가소화작용의 활성화가  4] The activation of self-digestion FUSFUS (( R521CR521C ) 발현 뉴런에 미치는 영향 조사) Effect on expression neurons

(1) 자가소화작용의 활성화가 (1) activation of self-digestion FUSFUS 양성 스트레스 과립의 형성에 미치는 영향 Effect of positive stress on the formation of granules

FUS(R521C) 양성 스트레스 과립의 감소에서 자가소화작용의 직접적 역할을 조사하기 위하여, mTOR(mechanistic target of rapamycin, serine/threonine kinase)의 억제제인 라파마이신을 사용하여 FUS(R521C) 발현 뉴런에서 자가소화작용을 활성화시켰다(Liang, 2010, Cell Death Differ 17(12): 1807-1815).To investigate the direct role of self-digestion in the reduction of FUS (R521C) positive stress granules, rapamycin, an inhibitor of mTOR (mechanistic target of rapamycin, serine / threonine kinase) (Liang, 2010, Cell &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Death Differ 17 (12) : 1807-1815).

구체적으로, Flag-FUS(R521C)를 atg7 siRNA 또는 스크램블 siRNA (Sc siRNA) 중 어느 하나와 함께 배양된 피질 뉴런으로 형질주입하였다. 형질주입 후 48시간 후에, 뉴런을 라파마이신(10 nM)의 존재 또는 비존재 하에 나트륨 아르세나이트 (0.5 m M)에 노출시켰다. 뉴런을 고정하고 나서 항-flag 또는 항-PABP 항체로 면역염색하였다.Specifically, Flag-FUS (R521C) was transfected into cultured cortical neurons with either atg7 siRNA or scrambled siRNA (Sc siRNA). 48 hours after transfection, neurons were exposed to sodium arsenite (0.5 mM) in the presence or absence of rapamycin (10 nM). Neurons were fixed and immunostained with anti-flag or anti-PABP antibodies.

도 4a 및 도 4b에 나타난 바와 같이, 라파마이신 처리는 FUS(R521C) 양성 스트레스 과립의 축적을 감소시켰다. As shown in Figs. 4A and 4B, rapamycin treatment reduced the accumulation of FUS (R521C) positive stress granules.

라파마이신은 자가소화작용을 포함하여, 단백질 합성 또는 세포 시그널링에 관여하는 일부 세포 내 경로에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로, 라파마이신에 의한 자가소화작용의 특이적 활성화가 스트레스 과립의 감소에 영향을 미치는지 추가로 확인하기 위하여, atg7 siRNA를 R521C 발현 뉴런에 형질주입함으로써 자가소화작용을 억제하였고, 라파마이신이 여전히 스트레스 과립의 수를 감소시킬 수 있는지 시험하였다. Rapamycin can affect some intracellular pathways involved in protein synthesis or cell signaling, including autophagy. Therefore, in order to further confirm that the specific activation of rapamycin-induced auto-digestion affects the reduction of stress granules, atg7 siRNA was transfected into R521C-expressing neurons to inhibit auto-digestion, It was tested whether it could reduce the number of granules.

이 또한 도 4a 및 도 4b에 나타난 바와 같이, FUS(R521C) 발현 뉴런이 atg7 siRNA로 형질주입된 상태에서 라파마이신으로 처리하면, 산화 스트레스시에 FUS(R521C) 양성 스트레스 과립의 수가 감소되지 않았다. 이러한 결과로써 라파마이신에 의한 자가소화작용의 특이적 활성화는 스트레스 과립 수의 감소로 이어진다는 것을 확인할 수 있었다.
As also shown in Figures 4A and 4B, FUS (R521C) expressing neurons Treatment with rapamycin in the presence of atg7 siRNA did not reduce the number of FUS (R521C) positive stress granules during oxidative stress. These results suggest that the specific activation of autophagy by rapamycin leads to a decrease in the number of stress granules.

(2) 자가소화작용의 활성화가 신경세포에 미치는 영향 조사(2) Effect of activation of self-digestion on neurons

본 발명자들은, FUS(R521C)가 FUS(WT)에 비하여 유사분열-후의 뉴런에서 산화 스트레스에 반응하여 신경퇴화를 유발하는지와 자가소화작용 활성화에 의하여 스트레스 과립을 감소시키면 FUS(R521C) 돌연변이에 의해 유발된 신경퇴화로부터 벗어날 수 있는지 여부를 조사하였다.The inventors have found that FUS (R521C) induces neurodegeneration in response to oxidative stress in mitosis-prone neurons compared to FUS (WT) and decreases FUS (R521C) mutation by decreasing stress granulation by activation of autolysis And whether they could escape the induced neurodegeneration.

구체적으로, Flag-FUS(R521C) 또는 Flag-FUS(WT)를 배양된 피질 뉴런으로 GFP(green fluorescent protein)와 함께 형질주입하였다. 형질주입 후 48시간 후에, 뉴런을 1시간 동안의 라파마이신 (10 nM)의 존재 또는 비존재 하에 나트륨 아르세나이트 (0.5 m M)와 함께 산화 스트레스에 노출시킨 후에 새로운 배지로 세척하였다. 세척 후 24시간에, 뉴런의 형태를 GFP로 시각화하였다.Specifically, Flag-FUS (R521C) or Flag-FUS (WT) was transfected with cultured cortical neurons together with GFP (green fluorescent protein). 48 hours after transfection, neurons were exposed to oxidative stress with sodium arsenate (0.5 mM) in the presence or absence of rapamycin (10 nM) for 1 hour and then washed with fresh medium. At 24 hours after washing, the morphology of the neurons was visualized as GFP.

도 4c 및 도 4d에 나타난 바와 같이, FUS(WT) 발현 뉴런에서는 신경돌기 분열이 거의 보이지 않은 반면에, FUS(R521C) 발현 뉴런에서는 현저한 신경돌기 분열 현상을 보였다.As shown in FIG. 4c and FIG. 4d, neurite outgrowth was hardly observed in FUS (WT) -expressing neurons, while FUS (R521C) -expressing neurons showed remarkable neurite outgrowth.

또한, 라파마이신 처리에 의해 자가소화작용이 활성화되면, FUS(R521C) 발현 뉴런에서 산화 스트레스에 노출됨으로써 유도된 신경돌기 분열이 상당히 감소되는 것도 확인할 수 있었다. In addition, it was confirmed that the neurite division induced by exposure to oxidative stress in FUS (R521C) -expressing neurons was significantly reduced when the autophagic action was activated by rapamycin treatment.

종합하면, 이러한 결과는로써 자가소화작용은 FUS-양성 스트레스 과립의 과도한 축적을 저하시키고, FUS 병리학과 관련된 신경돌기 퇴화를 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.
Taken together, these results suggest that autogenous digestion can reduce excessive accumulation of FUS-positive stress granules and reduce neurite regression associated with FUS pathology.

<110> Hannam University Institute for Industry-Academia Cooperation <120> A Method for Screening an Agent for Treating a Neuro-Degenerative Disease <130> P140240 <160> 2 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 31 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 1 cgcccaagct tatggcctca aacgattata c 31 <210> 2 <211> 35 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 2 cgcggatcct taatacggcc tctccctgca atcct 35 <110> Hannam University Institute for Industry-Academia Cooperation <120> A Method for Screening an Agent for Treating a Neuro-Degenerative          Disease <130> P140240 <160> 2 <170> Kopatentin 2.0 <210> 1 <211> 31 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 1 cgcccaagct tatggcctca aacgattata c 31 <210> 2 <211> 35 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 2 cgcggatcct taatacggcc tctccctgca atcct 35

Claims (7)

FUS(fused in sarcoma)(R521C) 돌연변이의 스트레스 과립(stress granule) 축적을 감소시키는 퇴행성 신경계 질환 치료제를 스크리닝하는 방법으로,
(a) 세포에 FUS 돌연변이 단백질을 발현시키는 단계;
(b) 상기 세포에 산화 스트레스 유발 물질을 처리하는 단계;
(c) 상기 세포에 시험 물질을 접촉시키는 단계;
(d) 상기 시험 물질을 처리하지 않은 대조군과 비교하여 자가소화작용(autophagy)의 활성화에 의한 FUS 양성 스트레스 과립 축적의 감소 및 신경세포의 비정상적 구조 변화의 감소를 나타내는 물질을 퇴행성 신경계 질환 치료제로 선별하는 단계를 포함하는 방법.
A method of screening for a therapeutic agent for a degenerative neurological disease that reduces the accumulation of stress granules of a mutant FUS (fused in sarcoma) (R521C)
(a) expressing a FUS mutant protein in a cell;
(b) treating the cell with an oxidative stressor;
(c) contacting the test substance with the cell;
(d) a substance exhibiting a decrease in FUS-positive stress granule accumulation and a decrease in the abnormal structural change of neuronal cells due to the activation of autophagy as compared with the control group in which the test substance is not treated is selected as a therapeutic agent for degenerative neurological diseases &Lt; / RTI &gt;
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 FUS(R521C) 돌연변이는 서열번호 1 또는 서열번호 2의 프라이머를 사용하여 제작되는 것인 방법.2. The method of claim 1, wherein said FUS (R521C) mutation is made using the primers of SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2. 제1항에 있어서, 상기 FUS 양성 스트레스 과립 축적을 감소시키는 것은 FUS 돌연변이가 스트레스 과립에 축적되는 것을 저해하거나, FUS 돌연변이가 FUS 양성 스트레스 과립의 분해를 방해하는 것을 억제하는 것에 의한 것인 방법.The method according to claim 1, wherein reducing the FUS positive stress granule accumulation is by inhibiting the accumulation of FUS mutations in stress granules or inhibiting FUS mutations from interfering with the degradation of FUS positive stress granules. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 퇴행성 신경계 질환은 루게릭병 (Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS, 근위축성축삭경화증), 전측두엽성 치매(Frontotemporal Lobar Dementia, FTLD) 또는 수전증인 것인 방법.
The method of claim 1, wherein the degenerative neurological disease is Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), Frontotemporal Lobar Dementia (FTLD), or embryo.
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