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[문형철]

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Molecular mechanisms of excitotoxicity and their relevance to pathogenesis of neurodegenerative diseases

• Review
• Published: 03 April 2009

Molecular mechanisms of excitotoxicity and their relevance to pathogenesis of neurodegenerative diseases

• Xiao-xia Dong, 
• Yan Wang & 
• Zheng-hong Qin 

Acta Pharmacologica Sinica volume 30, pages379–387 (2009)Cite this article

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Abstract

A pivotal role for excitotoxicity in neurodegenerative diseases is gaining increasingly more acceptance, but the underlying mechanisms through which it participates in neurodegeneration still need further investigation.

Excessive activation of glutamate receptors by excitatory amino acids leads to a number of deleterious consequences, including impairment of calcium buffering, generation of free radicals, activation of the mitochondrial permeability transition and secondary excitotoxicity.

Recent studies implicate excitotoxicity in a variety of neuropathological conditions, suggesting that neurodegenerative diseases with distinct genetic etiologies may share excitotoxicity as a common pathogenic pathway. Thus, understanding the pathways involved in excitotoxicity is of critical importance for the future clinical treatment of many neurodegenerative diseases. This review discusses the current understanding of excitotoxic mechanisms and how they are involved in the pathogenesis of neurodegenerative diseases.

Abstract

신경 퇴행성 질환에서 

흥분성 독성의 중추적 역할이 점점 더 인정받고 있지만, 

흥분성 독성이 신경 퇴행에 관여하는 근본적인 메커니즘은 

여전히 더 많은 연구가 필요합니다. 

흥분성 아미노산에 의한 

글루타메이트 수용체의 과도한 활성화는 

칼슘 완충 작용의 손상, 

자유 라디칼 생성, 

미토콘드리아 투과성 전환의 활성화 및 이차 흥분 독성 등 

여러 가지 해로운 결과를 초래합니다. 

Excessive activation of glutamate receptors by excitatory amino acids leads to a number of deleterious consequences, including impairment of calcium buffering,

generation of free radicals,

activation of the mitochondrial permeability transition and secondary excitotoxicity.

최근 연구에 따르면 

흥분 독성 excitotoxicity 은 

다양한 신경 병리학적 상태와 관련이 있으며, 

이는 뚜렷한 유전적 원인을 가진 신경 퇴행성 질환이 

흥분 독성을 공통의 병원성 경로로 공유할 수 있음을 시사합니다. 

따라서 

흥분성 독성과 관련된 경로를 이해하는 것은 

많은 신경 퇴행성 질환의 향후 임상 치료에 매우 중요합니다. 

이 리뷰에서는 

흥분성 메커니즘에 대한 현재의 이해와 

흥분성 메커니즘이 신경 퇴행성 질환의 발병에 어떻게 관여하는지에 대해 

논의합니다.

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Introduction

The increase in human lifespan observed in industrialized countries has been accompanied by a marked preval‎ence of neurodegenerative diseases. These diseases are preferential lines of study in gerontology and geriatrics since healthy aging is the primary concern in those fields. Human neurodegenerative diseases are characterized by progressive dysfunction and loss of neurons induced by particular neurological deficits1. Over the past several years, research has demonstrated that excitatory amino acids serve as the major excitatory neurotransmitters in the cerebral cortex and hippocampus. Neurons that contain excitatory amino acids play crucial roles in psychological functions such as learning and memory. Disturbances of the excitatory amino acid system may contribute to the pathogenesis of schizophrenia and other neuropsychiatric syndromes associated with delirium or dementia2. On the other hand, overactivity of the excitatory amino acid system is also harmful. Excitotoxicity is defined as cell death resulting from the toxic actions of excitatory amino acids. Because glutamate is the major excitatory neurotransmitter in the mammalian central nervous system (CNS), neuronal excitotoxicity usually refers to the injury and death of neurons arising from prolonged exposure to glutamate and the associated excessive influx of ions into the cell. The resulting calcium overload is particularly neurotoxic, leading to the activation of enzymes that degrade proteins, membranes and nucleic acids3.

Neurodegenerative diseases are a heterogeneous group of illnesses with distinct clinical phenotypes and genetic etiologies. Although most neurodegenerative diseases are sporadic — that is, no genetic linkage is known — others can be traced to specific genetic mutations. Although these mutations affect a wide variety of proteins, substantial evidence points to excitotoxicity as a fundamental mechanism involved in neuronal degeneration. Overactivation of glutamate receptors impairs cellular calcium homeostasis and activates nitric oxide synthesis, generation of free radicals and programmed cell death4. As reviewed in the following sections, many studies have provided some support for each effect, although the roles of these molecules are still incompletely defined. This review will focus on cellular signaling cascades triggered by excitotoxic insult in neurodegenerative diseases. Identification of key signaling events that contribute to excitotoxic cell death will provide not only insights into the molecular basis of how neuronal cells die, but also potential approaches for therapeutic intervention targeting excitotoxic signaling pathways in neurodegenerative disorders.

소개

선진국에서 관찰되는 인간의 수명 연장은

신경 퇴행성 질환의 현저한 유병률 증가를 동반하고 있습니다.

이러한 질환은

건강한 노화가 주요 관심사인 노년학 및 노인학에서

우선적으로 연구하는 분야입니다.

인간의 신경 퇴행성 질환은

특정 신경학적 결함에 의해 유발되는

뉴런의 점진적인 기능 장애와 손실이 특징입니다1.

지난 수년간의 연구를 통해

흥분성 아미노산이

대뇌 피질과 해마에서

주요 흥분성 신경전달물질로 작용한다는 사실이 밝혀졌습니다.

흥분성 아미노산을 함유한 뉴런은

학습과 기억과 같은

심리적 기능에서 중요한 역할을 합니다.

흥분성 아미노산 시스템의 교란은

정신 분열증 및 섬망이나 치매와 관련된

기타 신경 정신과적 증후군의 발병에 기여할 수 있습니다2.

반면에

흥분성 아미노산 시스템의

과잉 활동도 해롭습니다.

흥분성 독성은

흥분성 아미노산의 독성 작용으로 인한

세포 사멸로 정의됩니다.

글루타메이트는

포유류 중추신경계(CNS)의 주요 흥분성 신경전달물질이므로

신경세포 흥분독성은

일반적으로 글루타메이트에 장기간 노출되어

세포에 이온이 과도하게 유입되어 발생하는

신경세포의 손상 및 사멸을 의미합니다.

칼슘 과부하 calcium overload 는

특히 신경 독성을 유발하여

단백질, 세포막 및 핵산을 분해하는 효소의 활성화로 이어집니다3.

신경 퇴행성 질환은

뚜렷한 임상 표현형과 유전적 원인을 가진

이질적인 질병 그룹입니다.

대부분의 신경 퇴행성 질환은

산발적으로, 즉 유전적 연관성이 알려져 있지 않지만,

일부 질환은 특정 유전자 돌연변이를 추적할 수 있습니다.

이러한 돌연변이는

다양한 단백질에 영향을 미치지만,

흥분성 독성이 신경세포 퇴행과 관련된

근본적인 메커니즘이라는 상당한 증거가 있습니다.

글루타메이트 수용체의 과활성화는

세포의 칼슘 항상성을 손상시키고

산화질소 합성,

활성산소 생성 및 프로그램된 세포 사멸을 활성화합니다4.

다음 섹션에서 검토한 바와 같이,

많은 연구에서 각 효과에 대해 어느 정도 근거를 제시하고 있지만

이러한 분자의 역할은 아직 불완전하게 정의되어 있습니다.

이 리뷰에서는

신경 퇴행성 질환에서 흥분성 모욕에 의해 촉발되는

세포 신호 캐스케이드에 초점을 맞출 것입니다.

흥분성 세포 사멸에 기여하는 주요 신호 이벤트를 확인하면

신경세포가 어떻게 사멸하는지에 대한

분자적 기초에 대한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라

신경 퇴행성 질환에서 흥분성 신호 경로를 표적으로 하는

치료적 개입에 대한 잠재적 접근법도 제시할 수 있습니다.

Ionotropic and metabotropic glutamate receptors

Glutamatergic neurons form the main excitatory system in the brain and play a pivotal role in many neurophysiological functions. Under normal conditions, glutamate is the major neurotransmitter in primary perception and cognition in the brain, producing an excitatory response. This response is generated following an interaction of glutamate with receptors composing cation channels. Excessive activation of glutamate receptors can result in neuronal dysfunction and death, a process called excitotoxicity5. There is an excess of glutamate and glutamatergic activity in certain neurodegenerative diseases. The excitatory effects of glutamate are exerted via the activation of three major types of ionotropic receptors and several classes of metabotropic receptors linked to G-proteins. The major ionotropic receptors activated by glutamate are commonly referred to as the N-methyl-D-aspartic acid (NMDA), α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionate (AMPA) and kainic acid (KA) receptors. These ionotropic receptors are ligand-gated ion channels permeable to various cations6.

NMDA receptors are Ca2+-favoring glutamate-gated ion channels that are expressed in most central neurons and were initially held responsible for neuronal injury, owing to their high Ca2+ permeability and conductance properties7. Continuous activation of large numbers of NMDA receptors (especially the NR1/NR2B-subtype) leads to increases in intracellular calcium loads and catabolic enzyme activities, which can trigger a cascade of events eventually leading to apoptosis or necrosis8. These downstream effects include mitochondrial membrane depolarization, caspase activation, production of toxic oxygen and nitrogen free radicals, and cellular toxicity9, 10. The NMDA receptors are also effective in mediating excitotoxic neuronal injury. For example, neurons expressing high levels of NMDA receptors are lost early in the striatum of individuals affected with neurodegenerative disease, and injection of NMDA receptor agonists into the striatum of rodents or non-human primates recapitulates the pattern of neuronal damage in Huntington's disease (HD)11.

AMPA-type glutamate receptors have also been implicated in excitotoxicity because assemblies of these receptors are highly permeable to Ca2+and possibly contribute to the delayed neuronal cell death processes induced by Ca2+overload. The Ca2+ permeability of the AMPA receptor is determined by the presence or absence of the GluR2 subunit in the receptor complex. Low expression‎ of GluR2 permits the construction of AMPA receptors with high Ca2+ permeability and contributes to neuronal degeneration in ischemia. Surprisingly, decreasing GluR2 levels or selective blockage of Ca2+-permeable AMPA receptors was also shown to protect against neurodegeneration12. However, many additional studies have demonstrated that changes in glutamate receptor expression‎ after neurological insults may not be so selective. Therefore, under pathological conditions, such as seizures induced by kainate (KA, a potent agonist of the AMPA/KA class of glutamate receptors)- or hypoxia-ischemia, many principal cells may experience increased Ca2+ influx, regardless of the existing stoichiometry of AMPA or NMDA receptor assemblies13. Several recent studies suggest that excessive stimulation of non-NMDA glutamate receptors with KA can induce autophagy and activation of lysosomal enzymes. The autophagy/lysosome pathway, in turn, plays an important role in excitotoxic neuronal injury14, 15.

In neurodegenerative diseases, metabotropic (mGluR) receptors mediate slow synaptic responses, owing to their coupling with intracellular G-proteins. For example, the mGluR1 and mGluR5 subunit subtypes, which exist in a number of alternatively spliced forms, are coupled to the inositol trisphosphate (IP3)/Ca2+ signal transduction pathway and can thus affect protein kinase activation and stimulation of Ca2+ release from neuronal stores, both of which can trigger delayed cell death processes16. On the other hand, mGluR2 may help to mediate the survival of neurons in the face of selective neuronal dysfunction and degeneration in Alzheimer's disease (AD). Activation of mGluR2 increases the phosphorylation of tau and reduces oxidative stress-mediated cytotoxicity in neuronal cells17.

Many lines of evidence demonstrate an increase in glutamate or other endogenous glutamatergic agonists in neurodegenerative diseases. Considerable evidence indicates that an excitotoxic response arising from increased extracellular glutamate is likely to be important in determining the extent of tissue damage18. An increase in glutamate receptor activity could induce proapoptotic proteins such as p53, leading to neuronal injury and death through apoptosis and autophagy19.

이오노트로픽 및 대사성 글루타메이트 수용체

글루타메이트 뉴런은

뇌의 주요 흥분 시스템을 형성하며

많은 신경 생리학적 기능에서 중추적인 역할을 합니다.

정상적인 조건에서

글루타메이트는

뇌의 일차 지각과 인지의 주요 신경 전달 물질로 흥분성 반응을 일으킵니다.

이 반응은

양이온 채널을 구성하는 수용체와

글루타메이트의 상호 작용에 따라 생성됩니다.

글루타메이트 수용체가 과도하게 활성화되면

신경세포 기능 장애와 사망을 초래할 수 있는데,

이를 흥분성 독성이라고 합니다5.

특정 신경 퇴행성 질환에서는

글루타메이트 및 글루타메이트 양이온 활성도가

과도하게 증가합니다.

글루타메이트의 흥분 효과는

세 가지 주요 유형의 이온성 수용체와 G 단백질과 연결된

여러 종류의 대사성 수용체의 활성화를 통해 발휘됩니다.

글루타메이트에 의해 활성화되는

주요 이온성 수용체는 일반적으로

N-메틸-D-아스파르트산(NMDA),

α-아미노-3-하이드록시-5-메틸이소옥사졸-4-프로피온산(AMPA) 및

케인산  kainic acid  (KA) 수용체라고 불립니다.

이러한

이온성 수용체는

다양한 양이온에 투과할 수 있는

리간드 게이트 이온 채널입니다6.

NMDA 수용체는

대부분의 중추 신경세포에서 발현되는 Ca2+ 선호 글루타메이트 게이트 이온 채널로,

높은 Ca2+ 투과성과 전도도 특성으로 인해

초기에는 신경 손상의 원인으로 여겨졌습니다7.

많은 수의 NMDA 수용체(특히 NR1/NR2B 아형)가

지속적으로 활성화되면

세포 내 칼슘 부하와 이화 효소 활동이 증가하여

결국 세포 사멸 또는 괴사로 이어지는 일련의 사건을 유발할 수 있습니다8.

이러한 다운스트림 효과에는

미토콘드리아 막 탈분극,

카스파제 활성화,

독성 산소 및 질소 유리기 생성,

세포 독성9, 10 등이 포함됩니다.

These downstream effects include

mitochondrial membrane depolarization,

caspase activation,

production of toxic oxygen and nitrogen free radicals, and

cellular toxicity

NMDA 수용체는

흥분성 신경 손상을 매개하는 데도 효과적입니다.

예를 들어,

신경 퇴행성 질환에 걸린 개체의 선조체에서

높은 수준의 NMDA 수용체를 발현하는 뉴런이 조기에 소실되며,

설치류 또는 비인간 영장류의 선조체에 NMDA 수용체 작용제를 주입하면

헌팅턴병(HD)의 신경 손상 패턴이 재현됩니다11.

AMPA형 글루타메이트 수용체는 또한 흥분성 독성과 관련이 있는데,

이는 이러한 수용체의 집합체가

Ca2+에 대한 투과성이 높고

Ca2+ 과부하에 의해 유도되는 신경세포 사멸 과정의 지연에 기여할 수 있기 때문입니다.

AMPA 수용체의 Ca2+ 투과성은

수용체 복합체에서 GluR2 서브유닛의 존재 여부에 따라 결정됩니다.

GluR2의 낮은 발현은 높은 Ca2+ 투과성을 가진 AMPA 수용체의 구성을 허용하고 허혈에서 신경세포의 퇴화에 기여합니다. 놀랍게도 GluR2 수치를 낮추거나 Ca2+ 투과성 AMPA 수용체를 선택적으로 차단하면 신경 퇴행을 방지하는 것으로 나타났습니다12. 그러나 많은 추가 연구에 따르면 신경학적 손상 후 글루타메이트 수용체 발현의 변화가 그렇게 선택적이지 않을 수 있다는 것이 입증되었습니다. 따라서 카이네이트(KA, 글루타메이트 수용체의 AMPA/KA 계열의 강력한 작용제)에 의해 유발된 발작 또는 저산소증 허혈과 같은 병리학적인 조건에서 많은 주요 세포는 AMPA 또는 NMDA 수용체 집합체의 기존 화학량론에 관계없이 Ca2+ 유입 증가를 경험할 수 있습니다13.

최근 여러 연구에 따르면

KA로 비NMDA 글루타메이트 수용체를 과도하게 자극하면

자가포식 및 리소좀 효소의 활성화를 유도할 수 있다고 합니다.

자가포식/리소좀 경로는

흥분성 신경세포 손상에 중요한 역할을 합니다14, 15.

신경 퇴행성 질환에서 대사성(mGluR) 수용체는

세포 내 G 단백질과의 결합으로 인해

느린 시냅스 반응을 매개합니다.

예를 들어, 여러 가지 대체 접합 형태로 존재하는 mGluR1 및 mGluR5 서브유닛 아형은 이노시톨 삼인산(IP3)/Ca2+ 신호 전달 경로에 결합하여 단백질 키나제 활성화와 신경세포 저장소에서의 Ca2+ 방출 자극에 영향을 줄 수 있으며, 둘 다 지연된 세포사 과정을 촉발할 수 있습니다16. 한편, mGluR2는 알츠하이머병(AD)에서 선택적 신경 기능 장애 및 퇴행에 직면한 신경세포의 생존을 중재하는 데 도움이 될 수 있습니다. mGluR2의 활성화는 타우의 인산화를 증가시키고 신경 세포에서 산화 스트레스 매개 세포 독성을 감소시킵니다17.

신경 퇴행성 질환에서

글루타메이트 또는

기타 내인성 글루타메이트 작용제의 증가는

많은 증거를 통해 입증되었습니다.

상당한 증거에 따르면

세포 외 글루타메이트 증가로 인한 흥분성 반응이

조직 손상 정도를 결정하는 데 중요할 수 있습니다18.

글루타메이트 수용체 활성의 증가는

p53과 같은 세포 자멸사 단백질의 증가를 유도하여

세포 자멸사 및 자가포식을 통해

신경세포 손상 및 사멸을 초래할 수 있습니다19.

Excitotoxicity and ions (Na+, Cl−, Ca2+)

Acute excitotoxicity is thought to be mediated by excessive depolarization of the postsynaptic membrane. This results in an osmotic imbalance when countered by an influx of Na+, Cl−, and water, leading to the eventual rupture of cell membranes20. Numerous reports indicate that acute excitotoxic neurodegeneration following glutamate receptor activation is dependent on Na+ and Cl− entry. Accordingly, removal of extracellular Na+ or Cl− abolishes NMDA-mediated neurodegeneration21.

A potential role for Cl− ion transporters in neuronal excitotoxicity has been investigated. Cl− movement is a central component of the acute excitotoxic response in neurons22. A significant increase in the intracellular Cl− concentration is observed in hippocampal neurons during neurotoxicity induced by glutamate and oxygen/glucose deprivation (OGD)23. Some studies suggest that cation-dependent Cl− transport protein Na-K-Cl cotransporter type 1 (NKCC1) is involved in the initial stages of cell damage that depend on extracellular Na+ and Cl−. Many results imply that NKCC1 contributes to ischemic neuronal damage by facilitating excessive Na+ and Cl− entry during the NMDA-mediated excitotoxicity. Inhibition of NKCC1 activity reduces NMDA-induced swelling and glutamate-mediated neurotoxicity and significantly attenuates OGD-induced neuronal death24. In addition, a substantial number of studies using neuronal cells have reported that excitotoxic glutamate increases the influx of extracellular Ca2+, resulting in intracellular acidification, which stimulates several pH-regulating systems, including the Na+-H+ exchanger (NHE). Activation of NHE leads to a decrease in the activity of the Na+-Ca2+ exchanger. Because intracellular Ca2+ elevation can exacerbate the process of cell death, inhibition of NHE has been proposed to attenuate ischemia-induced cell death in various cells25.

Sustained Ca2+ influx through glutamate receptor channels is thought to represent a common pathway of neuronal cell death. Excess levels of glutamate in the CNS can result in elevated intracellular Ca2+ levels, which in turn cause a rise in the Ca2+ concentration in sensitive organelles such as mitochondria and the endoplasmic reticulum16. Because of the essential role of Ca2+in promoting cell death, blocking Ca2+ flux from the endoplasmic reticulum to the mitochondria or buffering intracellular Ca2+ can reduce cellular sensitivity to apoptotic stimuli25. The NMDA-mediated excessive Ca2+ entry into the cytosol activates calcineurin, which induces apoptosis in both rat hippocampal neurons and stable cell lines such as HeLa cells26, 27, 28. Additionally, a number of studies have shown that activation of calpain, a calcium-dependent apoptotic protease, also precedes cell death under various conditions of elevated cytosolic Ca2+ 29, 30.

Notably, however, large increases in intracellular Ca2+ can also suppress cell-death genes and prevent programmed cell death, instead promoting neuronal survival. This effect is reportedly mediated by sustained elevation of cytoplasmic free Ca2+ concentrations caused by influx of Ca2+ through voltage-gated channels activated by K+-induced chronic depolarization31. However, a failure to restore Ca2+ homeostasis would still lead to calcium-mediated neurotoxicity and cell death in the excitotoxicity hypothesis.

흥분성 독성 및 이온(Na+, Cl-, Ca2+)

급성 흥분 독성은

시냅스 후 막의 과도한 탈분극에 의해 매개되는 것으로 생각됩니다.

이는

Na+, Cl- 및 물의 유입에 의해

삼투압 불균형을 초래하여

결국 세포막의 파열로 이어집니다20.

수많은 보고에 따르면

글루타메이트 수용체 활성화에 따른 급성 흥분성 신경 변성은

Na+ 및 Cl- 유입에 의존한다고 합니다.

따라서

세포 외 Na+ 또는 Cl-를 제거하면

NMDA 매개 신경 퇴화가 사라집니다21.

신경세포 흥분성 독성에서

Cl- 이온 수송체의 잠재적 역할이 조사되었습니다.

Cl- 이동은

신경세포에서 급성 흥분성 반응의 핵심 구성 요소입니다22.

글루타메이트 및 산소/포도당 결핍(OGD)에 의해 유도된 신경독성 동안 해마 뉴런에서 세포 내 Cl- 농도의 현저한 증가가관찰됩니다23. 일부 연구에 따르면 양이온 의존성 Cl- 수송 단백질 Na-K-Cl 공동 수송체 1형(NKCC1)이 세포 외 Na+ 및 Cl-에 의존하는 세포 손상의 초기 단계에 관여한다고 합니다. 많은 연구 결과에 따르면 NKCC1은 NMDA 매개 흥분성 독성 동안 과도한 Na+ 및 Cl- 유입을 촉진하여 허혈성 신경세포 손상에 기여하는 것으로 나타났습니다. NKCC1 활성을 억제하면 NMDA에 의한 부종과 글루타메이트 매개 신경독성이 감소하고 OGD에 의한 신경세포 사멸이 현저히 약화됩니다24.

또한

신경세포를 사용한 상당수의 연구에서

흥분성 글루타메이트가

세포 외 Ca2+의 유입을 증가시켜

세포 내 산성화를 초래하고,

이는 Na+-H+ 교환기(NHE)를 비롯한

여러 pH 조절 시스템을 자극한다고 보고했습니다.

NHE가 활성화되면 Na+-Ca2+ 교환기의 활성이 감소합니다. 세포 내 Ca2+ 상승은 세포 사멸 과정을 악화시킬 수 있기 때문에 NHE의 억제는 다양한 세포에서 허혈로 인한 세포 사멸을 약화시키는 것으로 제안되었습니다25.

글루타메이트 수용체 채널을 통한 지속적인 Ca2+ 유입은

신경세포 사멸의 일반적인 경로를 나타내는 것으로 생각됩니다.

중추신경계에서 과도한 수준의 글루타메이트는

세포 내 Ca2+ 농도를 상승시켜

미토콘드리아 및 소포체와 같은 민감한 세포 소기관에서

Ca2+ 농도를 상승시킬 수 있습니다16.

세포 사멸을 촉진하는 Ca2+의 필수적인 역할 때문에

소포체에서 미토콘드리아로의 Ca2+ 플럭스를 차단하거나

세포 내 Ca2+를 완충하면

세포 사멸 자극에 대한 세포 민감도를 줄일 수 있습니다25.

NMDA를 매개로 한 세포질로의 과도한 Ca2+ 유입은

칼시뉴린을 활성화하여

쥐 해마 신경세포와 HeLa 세포와 같은 안정 세포주26, 27, 28

모두에서 세포 사멸을 유도합니다.

또한 칼슘 의존성 세포사멸 단백질 분해효소인

칼파인의 활성화도 다양한 세포질 Ca2+ 상승 조건에서

세포 사멸에 선행한다는 연구 결과가 다수 발표되었습니다29, 30.

그러나

세포 내 Ca2+가 크게 증가하면

세포 사멸 유전자를 억제하고

프로그램된 세포 사멸을 방지하여 대신 신경 세포의 생존을 촉진할 수 있습니다.

이 효과는 K+에 의한 만성 탈분극에 의해 활성화된 전압-게이티드 채널을 통한 Ca2+의 유입으로 인한 세포질 유리 Ca2+ 농도의 지속적인 상승에 의해 매개되는 것으로 보고되고 있습니다31.

그러나

Ca2+ 항상성을 회복하지 못하면

흥분 독성 가설에서

칼슘 매개 신경 독성 및 세포 사멸로 이어질 수 있습니다.

Excitotoxicity and oxidative stress

Oxidative stress is a major player in the pathology of neurodegenerative disorders. The relationship between oxidative stress and neuronal death has been extensively investigated. Oxidative stress damages nucleic acids, proteins and lipids and potentially opens the mitochondrial permeability transition pore, which in turn can further stimulate ROS production, worsen energy failure and release proapoptotic factors such as cytochrome c into the cytoplasm32. Generation of high levels of ROS and downregulation of anti-oxidant mechanisms result in neuronal cell death in neurodegenerative diseases33.

Free radicals are referred to as oxidizing agents. Humans are constantly exposed to free radicals created by internal cellular metabolic processes34. The most common cellular free radicals are superoxide radical (O2·−), peroxynitrite (ONOO−) and hydroxyl radical (OH·); the latter two species are potentially harmful after hemolytic scission due to the generation of the reactive hydroxyl radical. When antioxidant systems become overwhelmed by these free radicals, oxidative damage and cell death can occur. Free radicals can also damage proteins and nucleic acids, leading to cell death by necrosis or apoptosis35. Cells normally have a number of mechanisms by which they defend against damage induced by free radicals. Problems occur when production of ROS exceeds their elimination by the antioxidant protection systems or when the latter are damaged. This imbalance between cellular production of ROS and the inability of cells to defend against their effects is called oxidative stress, which is a major factor in the pathogenesis of neuronal damage and is involved in acute and chronic CNS injury36. In addition, an important mechanism of O2·– toxicity is its direct oxidation and resulting inactivation of iron-sulfur (Fe-S) proteins, leading to the release of iron. Although oxidative inactivation of Fe-S proteins is known to underlie O2·– toxicity in bacteria and yeast37, whether this mechanism contributes to injury in the mammalian brain is unknown and will thus be the focus of future studies.

Nitric oxide (NO) production increases in neurodegenerative diseases as a consequence of oxidative stress.

In addition to regulating cerebral vasoactivity, NO possesses various physiological roles. NO synthesis is activated in cerebrovascular disease by the release of glutamate combined with inhibition of glutamate removal, which leads to NMDA receptor overactivation and excess Ca2+ influx38. It is believed that the toxic effects of NO result from the actions of its downstream metabolite, ONOO-, according to models implicating NO in neurodegeneration. ONOO- is a highly reactive oxidant formed when NO reacts with superoxide radicals, which also regulate excitotoxicity and induce oxidative DNA damage39. Evidence suggests that in AD, ONOO- can both promote DNA fragmentation by oxidative damage and prevent protein phosphorylation by tyrosine nitration, therefore disturbing signal transduction mediated by tyrosine kinases40. Recently, it was shown that NO induces the overexpression‎ of metalloproteinases, which in turn destroy the environment that surrounds neuronal cells. The extracellular proteolytic cascades that are triggered by metalloproteinase can disrupt the extracellular matrix, contribute to cell detachment and lead to anoikis (apoptosis due to cell detachment from the substrate)41. Thus, the clinical convergence of advanced aging with the presence of NO and ONOO- can exacerbate the neuronal damage characteristic of neurodegenerative disease patients.

ROS are free radicals that are normal products of oxygen metabolism and are produced in excess during the course of ischemia/reperfusion through a variety of mechanisms. Intracellular ROS are capable of inducing damage and, in severe cases, cell death through mitochondrial alterations leading to the release of cytochrome c42, 43 through activation of the JNK pathway44 or by activation of nuclear factor-κB (NF-κB) transcription factors45. The ability to control ROS is thus critical in neurodegenerative diseases, because neuronal damage occurs when the ''oxidant– antioxidant'' balance is disturbed in favor of excess oxidative stress46. A recent study suggests that a ROS-scavenger effectively protected human neuroglioma against both necrotic and apoptotic cell death induced by hydrogen peroxide47.

흥분성 독성 및 산화 스트레스

산화 스트레스는

신경 퇴행성 질환의 병리에서 중요한 역할을 합니다.

산화 스트레스와 신경세포 사멸 사이의 관계는

광범위하게 연구되어 왔습니다.

산화 스트레스는

핵산, 단백질 및 지질을 손상시키고

잠재적으로 미토콘드리아 투과성 전이 기공을 열어

ROS 생성을 더욱 자극하고

에너지 장애를 악화시키며

세포질로 사이토크롬 C와 같은 세포 자멸사 인자를 방출할 수 있습니다32.

높은 수준의 ROS 생성 및

항산화 메커니즘의 하향 조절은

신경 퇴행성 질환에서 신경 세포 사멸을 초래합니다33.

자유 라디칼은 산화 물질이라고 합니다. 인간은 세포 내부 대사 과정에서 생성되는 자유 라디칼에 지속적으로 노출됩니다34. 가장 흔한 세포 활성산소는 슈퍼옥사이드 라디칼(O2--), 퍼옥시니트라이트(ONOO-), 하이드록실 라디칼(OH-)이며, 후자의 두 종은 반응성 하이드록실 라디칼의 생성으로 인해 용혈성 절단 후 잠재적으로 해로울 수 있습니다. 항산화 시스템이 이러한 자유 라디칼에 압도되면 산화 손상과 세포 사멸이 발생할 수 있습니다. 활성산소는 또한 단백질과 핵산을 손상시켜 괴사 또는 세포 사멸로 이어질 수 있습니다35.

세포는 일반적으로 활성산소에 의한 손상을 방어하는 여러 가지 메커니즘을 가지고 있습니다. 문제는 활성산소의 생산이 항산화 보호 시스템에 의한 제거를 초과하거나 항산화 보호 시스템이 손상될 때 발생합니다. 세포의 ROS 생산과 세포가 그 영향으로부터 방어하지 못하는 것 사이의 이러한 불균형을 산화 스트레스라고 하며, 이는 신경 손상 발병의 주요 요인이며 급성 및 만성 CNS 손상에 관여합니다36. 또한 O2-- 독성의 중요한 메커니즘은 직접적인 산화와 이로 인한 철-황(Fe-S) 단백질의 비활성화로 철의 방출을 초래하는 것입니다. Fe-S 단백질의 산화적 비활성화는 박테리아와 효모에서 O2-- 독성의 기초로 알려져 있지만37,이 메커니즘이 포유류 뇌의 손상에 기여하는지 여부는 알려지지 않았으므로 향후 연구의 초점이 될 것입니다.

산화 스트레스의 결과로

신경 퇴행성 질환에서

산화질소(NO) 생성이 증가합니다.

NO는

대뇌 혈관 활동을 조절하는 것 외에도

다양한 생리적 역할을 합니다.

뇌혈관 질환에서 NO 합성은

글루타메이트의 방출과 글루타메이트 제거의 억제에 의해 활성화되며,

이는 NMDA 수용체 과활성화 및 과도한 Ca2+ 유입으로 이어집니다38.

신경 퇴행에 NO가 관여한다는 모델에 따르면 NO의 독성 효과는 그 하류 대사산물인 ONOO-의 작용으로 인해 발생하는 것으로 여겨집니다. ONOO-는 NO가 과산화 라디칼과 반응할 때 형성되는 반응성이 높은 산화 물질로, 흥분 독성을 조절하고 산화성 DNA 손상을 유도합니다39. 알츠하이머병에서 ONOO-는 산화적 손상에 의한 DNA 단편화를 촉진하고 티로신 질화에 의한 단백질 인산화를 방지하여 티로신 키나제에 의해 매개되는 신호 전달을 방해할 수 있다는 증거가 제시되었습니다40. 최근에는 NO가 메탈로프로테아제의 과발현을 유도하여 신경세포를 둘러싼 환경을 파괴한다는 사실이 밝혀졌습니다. 메탈로프로테아제에 의해 촉발되는 세포 외 단백질 분해 캐스케이드는 세포 외 기질을 파괴하고 세포 분리에 기여하며 아노이키스(기질에서 세포가 분리되어 세포 사멸)41를 유발할 수 있습니다. 따라서 진행성 노화와 NO 및 ONOO-의 존재의 임상적 융합은 신경 퇴행성 질환 환자의 신경 손상 특성을 악화시킬 수 있습니다.

ROS는 산소 대사의 정상적인 산물인 활성 산소로, 허혈/재관류 과정에서 다양한 메커니즘을 통해 과잉 생성됩니다. 세포 내 ROS는 미토콘드리아에 변화를 일으켜 사이토크롬 c42, 43을 방출하는 JNK 경로44를 활성화하거나 핵 인자-κB(NF-κB) 전사인자45의 활성화를 통해 세포 손상을 유발하고 심한 경우 세포 사멸을 유도할 수 있습니다. 따라서 신경 퇴행성 질환에서는 과도한 산화 스트레스로 인해 '산화-항산화' 균형이 깨지면 신경 세포 손상이 발생하므로 ROS를 제어하는 능력이 매우 중요합니다46. 최근 연구에 따르면 ROS 제거제가 과산화수소에 의해 유도된 괴사 및 세포 사멸로부터 인간 신경교아교종을 효과적으로 보호하는 것으로 나타났습니다47.

Excitotoxicity and mitochondria-mediated apoptosis and autophagy

Mitochondria represent the energy powerhouses and buffering sinks of the cell. Mitochondria not only function as the site of oxidative phosphorylation and cellular respiration, but also play a critical role in maintaining a low concentration of calcium in the cytosol. Changes in either of these critical functions of mitochondria have formidable consequences and often determine the cell's fate in survival/death signaling pathways. In particular, excessive uptake of calcium or generation of ROS induces activation of the mitochondrial permeability transition and subsequent release of calcium and proapoptotic factors into the cytosol48, 49.

There is evidence that mitochondrial dysfunction and impairment of respiratory complexes play a role in the neuronal loss experienced in neurodegenerative diseases. Recently, the mitochondrion has come to be considered a pivotal organelle in determining cell fate, because it may act as an 'on–off' switch modulating autophagy and apoptosis. Diverse autophagic or apoptotic signals may converge on mitochondria and provoke the permeability transition that results in release of apoptogenic proteins into the cytosol, where they trigger caspase-dependent apoptosis or promote autophagy. These factors are thought to regulate cell death by degrading cytoskeletal proteins, as well as those involved in DNA repair, and by activating DNases50. Low-intensity stress can cause depolarization of mitochondria during the permeability transition, leading to the induction of autophagy, which in turn selectively removes damaged mitochondria as a cytoprotective mechanism51. An overburdened autophagic apparatus may release lysosomal enzymes and possibly other factors in order to promote cell death15. In addition to the processes mentioned above, several intracellular signals, including DNA damage and endoplasmic reticulum stress, can also induce mitochondrial membrane permeabilization52 to release proapoptotic factors from the intermembrane space.

We found that quinolinate- or KA-induced apoptosis is preceded by a substantial rise in NF-κB binding activity in striatal nuclear extracts. Pretreatment with a cell-permeable recombinant peptide inhibitor of NF-κB selectively blocked quinolinate-induced NF-κB nuclear translocation as well as apoptosis53. We have also proposed that certain neuroprotective effects of diverse agents may reduce excitotoxic neuronal injury by inhibiting activation of the NF-κB cascade54. In the NMDA-triggered apoptotic process involving NF-κB activation, NF-κB regulates the expression‎ of many proteins, including c-Myc and p53, which in turn regulate a broad range of physiological and pathological responses55, 56. Levels of both proteins increase upon NF-κB nuclear translocation and play prominent roles in the control of the cell cycle and apoptosis in dividing cells57. Moreover, p53 binding sites were identified on the rat catalase promoter and confirmed in vivo, and p53 knockdown resulted in an increase in basal cellular ROS levels and increased susceptibility to oxidative cell death58.

Neuronal mitochondria have a high capacity to store calcium ions and can therefore protect neurons against transient elevations in intracellular calcium concentrations during neuronal hyperactivity59. Under inflammatory conditions or with increased levels of ions, macrophages, astrocytes, and endothelial cells produce excess NO, potentially leading to oxidative stress. NO is considered the chemical species that drives tissue dysfunction in inflammation, neurological diseases, and aging60. Therefore, mitochondrial dysfunction can induce cell death by affecting cellular calcium homeostasis, enhancing free radical generation, or releasing apoptogenic proteins. It is expected that prevention or delaying of mitochondrial dysfunction upon aging will decrease the neurological deficits experienced by elderly people.

흥분성 독성과 미토콘드리아 매개 세포 사멸 및 자가포식

미토콘드리아는

세포의 에너지 발전소이자 완충 역할을 하는 기관입니다.

미토콘드리아는

산화적 인산화와 세포 호흡의 부위로서 기능할 뿐만 아니라

세포질 내 칼슘 농도를 낮게 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

미토콘드리아의 이러한 중요한 기능 중 하나라도 변화하면

엄청난 결과를 초래하며

생존/사망 신호 경로에서 세포의 운명을 결정짓는 경우가 많습니다.

특히

칼슘의 과도한 흡수 또는 ROS의 생성은 미

토콘드리아 투과성 전환의 활성화와

그에 따른 칼슘 및 세포 사멸 인자의 세포질로의 방출을 유도합니다48, 49.

미토콘드리아 기능 장애와

호흡 복합체의 손상이

신경 퇴행성 질환에서 경험하는

신경 세포 손실에 중요한 역할을 한다는 증거가 있습니다.

최근

미토콘드리아는

자가포식과 세포 사멸을 조절하는

'온오프' 스위치 역할을 할 수 있기 때문에

세포의 운명을 결정하는 중추적인 세포 소기관으로 간주되고 있습니다.

다양한 자가포식 또는 세포사멸 신호가 미토콘드리아에 모여 세포사멸 유도 단백질이 세포질로 방출되는 투과성 전환을 유발하여 카스파제 의존적 세포사멸을 유발하거나 자가포식을 촉진할 수 있습니다. 이러한 인자들은 세포 골격 단백질과 DNA 복구에 관여하는 단백질을 분해하고 DNase50를 활성화하여 세포 사멸을 조절하는 것으로 생각됩니다. 저강도 스트레스는 투과성 전환 과정에서 미토콘드리아의 탈분극을 유발하여 세포 보호 메커니즘으로 손상된 미토콘드리아를 선택적으로 제거하는 자가포식을 유도할 수 있습니다51. 과부하가 걸린 자가포식 장치는 세포 사멸을 촉진하기 위해 리소좀 효소 및 기타 인자를 방출할 수 있습니다15. 위에서 언급한 과정 외에도 DNA 손상 및 소포체 스트레스를 포함한 여러 세포 내 신호가 미토콘드리아 막 투과성화52를 유도하여 막간 공간에서 세포 자멸사 인자를 방출할 수 있습니다.

퀴놀리네이트 또는 KA에 의한 세포사멸은 선조체 핵 추출물에서 NF-κB 결합 활성의 상당한 증가가 선행된다는 사실을 발견했습니다. 세포 투과성 재조합 펩타이드 억제제인 NF-κB로 전처리하면 퀴놀리네이트에 의한 NF-κB 핵 전위와 세포 사멸을 선택적으로 차단할 수 있었습니다53. 또한 다양한 약제의 특정 신경 보호 효과가 NF-κB 캐스케이드의 활성화를 억제하여 흥분성 신경 손상을 감소시킬 수 있다고 제안했습니다54. NF-κB 활성화와 관련된 NMDA 유발 세포 사멸 과정에서 NF-κB는 c-Myc 및 p53을 포함한 많은 단백질의 발현을 조절하여 광범위한 생리적 및 병리학적 반응을 조절합니다55, 56. 두 단백질의 수치는 NF-κB 핵 전위 시 증가하며 분열하는 세포의 세포 주기 및 세포 사멸 제어에 중요한 역할을 합니다57. 또한 쥐 카탈라아제 프로모터에서 p53 결합 부위가 확인되어 생체 내에서 확인되었으며, p53을 녹다운하면 기저 세포 ROS 수준이 증가하고 산화성 세포 사멸에 대한 감수성이 증가했습니다58.

신경세포 미토콘드리아는 칼슘 이온을 저장할 수 있는 능력이 높기 때문에 신경세포 과잉 활동 중 일시적인 세포 내 칼슘 농도 상승으로부터 신경세포를 보호할 수 있습니다59. 염증 상태 또는 이온 수치가 증가하면 대식세포, 성상세포 및 내피 세포는 과도한 NO를 생성하여 잠재적으로 산화 스트레스를 유발할 수 있습니다. NO는 염증, 신경 질환 및 노화에서 조직 기능 장애를 유발하는 화학 종으로 간주됩니다60. 따라서 미토콘드리아 기능 장애는 세포의 칼슘 항상성에 영향을 미치고 활성산소 발생을 증가시키거나 세포 사멸 유도 단백질을 방출하여 세포 사멸을 유도할 수 있습니다. 노화에 따른 미토콘드리아 기능 장애를 예방하거나 지연시키면 노인이 경험하는 신경학적 결손을 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다.

Excitotoxicity in neurodegenerative diseases

Excitotoxicity in Huntington's disease

Huntington's disease (HD) is an inherited neurodegenerative disorder that affects cognition, motor function and mood. Neuropsychiatry changes are caused by the dysfunction or death of specific neuronal cell types in the brain. GABAergic projections of medium-size spiny neurons (MSNs) of the neostriatum are the most severely affected61. Notably, increasing GABA receptor function has been shown to promote neuronal survival after ischemia by depressing the overall excitability of the cell62, 63. The HD gene and its protein product, huntingtin (htt), were identified over a decade ago, and in recent years many investigations have attempted to reveal the pathogenic mechanisms underlying development of the disease. Researchers have been most successful in identifying the molecular pathways leading to HD pathogenesis, including changes in electrophysiological properties and glutamate receptor sensitivity in cells expressing polyQ-expanded htt64.

One of the hypotheses that has been put forward to explain the exquisite sensitivity of the medium spiny projection neurons of the striatum to HD is the “excitotoxicity hypothesis.” In the context of HD, the mutant htt protein forms insoluble nuclear aggregates that have been proposed to play a key role in neuronal cell death. Other investigators suggest that expression‎ of mutant htt enhances activity of NMDA receptors and disturbs calcium signaling65. Some reports have indicated that the post-synaptic density protein PSD-95 may act as a link between htt and NMDAR function66. PSD-95 itself has been shown to bind the C-terminal tail of NR2 subunits and helps to stabilize NMDARs in cell surface clusters67. Htt was associated with PSD-95 in transfected 293T cells, and co-immunoprecipitation studies in human cortical tissue revealed interactions of htt with both PSD-95 and NMDAR subunits NR1, NR2A and NR2B68, suggesting that htt may associate with NMDARs via PSD-95. Recent research has shown that the polyQ expansion in htt is associated with an increase in NR1A/NR2B-mediated excitotoxic cell death. Full-length mutant htt enhances expression‎ of NR1A/NR2B, which is the predominant NMDAR subtype in neostriatal medium-size spiny neurons69. This relationship may explain the sensitivity of this cell type, if they do indeed die as a result of NMDA-induced apoptosis.

Some investigators have found that overstimulation of NMDA or AMPA-type glutamate receptors can induce apoptosis in projection neurons in vitro and in vivo, but some anti-apoptotic proteins in interneurons may confer neuroprotection against excitotoxic challenge, offering an additional explanation for the better survival of striatal interneurons in patients with HD as well as in excitotoxic models of this disease70. Altered NMDAR function has been reported in corticostriatal synapses, and NMDAR-mediated current and/or toxicity have been found to be potentiated in striatal neurons from several HD mouse models as well as heterologous cells expressing the mutant huntingtin protein10. NMDAR stimulation is also closely linked to mitochondrial activity, because treatment with mitochondrial toxins has been demonstrated to produce striatal damage that can be reversed by the addition of NMDAR antagonists. Future efforts should be focused on the elucidation of molecular pathways linking htt to NMDA receptors, as well as the mechanisms that underlie the enhancement of NMDAR activity by mutant huntingtin.

Intrastriatal infusion of KA can induce excitotoxic lesions in the striatum and has become a well-established chemical model of HD71, 72. In studies of post-receptor mechanisms of excitotoxicity, our laboratory has found that KA- or the NMDA receptor agonist quinolinic acid (QA)-induced neuronal apoptosis involves activation of NF-κB and induction of p53, c-Myc, and other proapoptotic proteins73, 74, 75, which seems to mimic HD pathology.

신경 퇴행성 질환의 흥분성 독성
헌팅턴병의 흥분성 독성

헌팅턴병(HD)은 인지, 운동 기능 및 기분에 영향을 미치는 유전성 신경 퇴행성 질환입니다. 신경정신과적 변화는 뇌의 특정 신경 세포 유형의 기능 장애 또는 사멸로 인해 발생합니다. 중뇌의 중간 크기 가시 뉴런(MSN)의 가바 수용체 돌기가 가장 심각하게 영향을 받습니다61. 특히, GABA 수용체 기능을 증가시키면 세포의 전반적인 흥분성을 억제하여 허혈 후 신경세포의 생존을 촉진하는 것으로 나타났습니다62, 63. HD 유전자와 그 단백질 산물인 헌팅틴(htt)은 10여 년 전에 확인되었으며, 최근 몇 년 동안 많은 연구를 통해 이 질환의 발병 기전을 밝히기 위한 시도가 이루어졌습니다. 연구자들은 폴리큐 확장 htt64를 발현하는 세포의 전기생리학적 특성과 글루타메이트 수용체 감수성의 변화를 포함하여 HD 발병으로 이어지는 분자 경로를 규명하는 데 가장 큰 성공을 거두었습니다.

선조체의 중간 가시 돌출 뉴런이 HD에 대한 정교한 민감성을 설명하기 위해 제시된 가설 중 하나는 "흥분 독성 가설"입니다. HD의 맥락에서 돌연변이 HTT 단백질은 신경세포 사멸에 중요한 역할을 하는 것으로 제안된 불용성 핵 응집체를 형성합니다. 다른 연구자들은 돌연변이 htt의 발현이 NMDA 수용체의 활동을 강화하고 칼슘 신호 전달을 방해한다고 제안합니다65. 일부 보고에 따르면 시냅스 후 밀도 단백질인 PSD-95가 htt와 NMDAR 기능 사이의 연결고리 역할을 할 수 있다고 합니다66. PSD-95 자체는 NR2 서브유닛의 C-말단 꼬리와 결합하여 세포 표면 클러스터에서 NMDAR을 안정화시키는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다67. Htt는 감염된 293T 세포에서 PSD-95와 관련이 있었고, 인간 피질 조직에서의 공동 면역 침전 연구에서는 htt와 PSD-95 및 NMDAR 서브유닛 NR1, NR2A 및 NR2B68의 상호작용이 밝혀져 htt가 PSD-95를 통해 NMDAR과 연관될 수 있음을 시사했습니다. 최근 연구에 따르면 htt의 polyQ 확장은 NR1A/NR2B 매개 흥분성 세포 사멸의 증가와 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 전장 돌연변이 htt는 신경교 중간 크기 가시 뉴런에서 우세한 NMDAR 하위 유형인 NR1A/NR2B의 발현을 향상시킵니다69. 이러한 관계는 NMDA에 의한 세포 사멸의 결과로 실제로 세포가 죽는 경우 이 세포 유형의 민감성을 설명할 수 있습니다.

일부 연구자들은 NMDA 또는 AMPA 유형 글루타메이트 수용체의 과자극이 시험관 및 생체 내 투사 뉴런에서 세포 사멸을 유도할 수 있지만, 뉴런의 일부 항세포사멸 단백질이 흥분성 도전에 대한 신경 보호를 제공하여 HD 환자 및 이 질환의 흥분성 모델에서 선조체 뉴런의 생존율 향상에 대한 추가적인 설명을 제공할 수 있음을 발견했습니다70. 피질 시냅스에서 변화된 NMDAR 기능이 보고되었으며, 돌연변이 헌팅틴 단백질을 발현하는 이종 세포뿐만 아니라 여러 HD 마우스 모델의 선조체 뉴런에서 NMDAR 매개 전류 및/또는 독성이 강화되는 것으로 밝혀졌습니다10. 미토콘드리아 독소로 치료하면 NMDAR 길항제를 추가하여 되돌릴 수 있는 선조체 손상이 발생하는 것으로 입증되었기 때문에 NMDAR 자극은 미토콘드리아 활동과도 밀접한 관련이 있습니다. 앞으로는 htt와 NMDA 수용체를 연결하는 분자 경로와 돌연변이 헌팅틴에 의한 NMDAR 활성 강화의 기초가 되는 메커니즘을 규명하는 데 중점을 두어야 합니다.

KA의 선조체 내 주입은 선조체에서 흥분성 병변을 유도할 수 있으며 HD71, 72의 잘 확립된 화학적 모델이 되었습니다. 흥분성 독성의 수용체 후 기전에 대한 연구에서 우리 실험실은 KA 또는 NMDA 수용체 작용제 퀴놀린산(QA)에 의한 신경세포 사멸이 NF-κB의 활성화와 p53, c-Myc 및 기타 세포 자멸사 단백질73, 74, 75의 유도를 포함하며, 이는 HD 병리를 모방하는 것으로 보인다는 사실을 발견했습니다73, 74, 75.

Excitotoxicity in Alzheimer's disease

Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder of the central nervous system associated with progressive cognitive and memory loss. Molecular hallmarks of the disease are extracellular deposition of the β-amyloid peptide (Aβ) in senile plaques, the appearance of intracellular neurofibrillary tangles (NFT), cholinergic deficit, extensive neuronal loss, and synaptic changes in the cerebral cortex, hippocampus and other areas of brain essential for cognitive and memory functions76. According to the amyloid cascade hypothesis, AD pathogenesis is initiated by the overproduction and extracellular deposition of Aβ and the intracellular deposition of NFT. These depositions serve as initiating factors for multiple neurotoxic pathways, which may include excitotoxicity, oxidative stress, energy depletion, inflammation and apoptosis77. Interestingly, recent studies have shown that glutamatergic signaling is compromised by Aβ-induced modulation of synaptic glutamate receptors in specific brain regions, paralleling early cognitive deficits78.

All of these intracellular events converge at the ubiquitous pathways of necrosis and apoptosis. A C-terminal peptide fragment of Aβ can selectively induce neuronal apoptosis in the hippocampal mossy fiber pathway, which might be related to working memory impairment in AD79. In addition, there is evidence in AD that neuronal autophagy is induced but impaired at late steps in the pathway, which may help to explain the intracellular accumulation of Aβ and could contribute to its subsequent extracellular deposition in plaques. Accordingly, AD-causing mutations promote autophagy disruption in the autophagy-lysosomal pathway80. Microglial cells have also been found in senile plaques, suggesting that damage in the AD brain could derive from an autoimmune response of microglia that produces free radicals. In addition, oxidative stress and lipid peroxidation have been implicated in glutamate and Aβ-induced neurotoxicity81. A growing body of evidence suggests that perturbations in systems employing the excitatory amino acid L-glutamate may underlie the pathogenic mechanisms of chronic neurodegeneration in AD82. Under chronic and pathological conditions in AD, loss of mitochondrial membrane potential and the release of apoptotic proteins such as cytochrome c, the second mitochondria derived activator of caspase and apoptosis-inducing factor contribute to cell apoptosis83.

The degeneration caused by Aβ in vivo has also been linked to the excessive activation of NMDA receptors84. Excitotoxicity resulting from excessive activation of NMDARs may enhance the localized vulnerability of neurons in a manner consistent with AD neuropathology as a consequence of an altered regional distribution of NMDA receptor subtypes. NMDA receptor antagonists have significant potential for the therapeutic amelioration of AD.

Oxidative stress is another major factor in AD. Researchers have investigated the relationship between oxidative stress and neuronal binding of Aβ, which is known to accumulate in the brain tissue of AD patients. Using hippocampal neuronal cultures,investigator found that Aβ stimulated excessive formation of ROS through a mechanism requiring NMDAR activation85. Therefore, the dysregulation of NMDAR activity and oxidative stress may have dual deleterious roles in AD.

알츠하이머병의 흥분성 독성
알츠하이머병(AD)은 진행성 인지 및 기억 상실과 관련된 중추신경계의 신경 퇴행성 질환입니다. 이 질환의 분자적 특징은 노인성 플라크에서 β-아밀로이드 펩타이드(Aβ)의 세포 외 침착, 세포 내 신경섬유 엉킴(NFT), 콜린성 결핍, 광범위한 신경세포 손실, 대뇌 피질, 해마 및 인지 및 기억 기능에 필수적인 기타 뇌 영역의 시냅스 변화입니다76. 아밀로이드 캐스케이드 가설에 따르면, AD 발병은 Aβ의 과잉 생산 및 세포 외 침착과 NFT의 세포 내 침착에 의해 시작됩니다. 이러한 침착은 흥분성 독성, 산화 스트레스, 에너지 고갈, 염증 및 세포 사멸77을 포함한 여러 신경 독성 경로의 시작 요인으로 작용합니다. 흥미롭게도 최근 연구에 따르면 특정 뇌 영역에서 Aβ에 의한 시냅스 글루타메이트 수용체의 조절로 인해 글루타메이트 신호가 손상되어 초기 인지 결손과 병행하여 나타나는 것으로 나타났습니다78.

이러한 모든 세포 내 사건은 괴사 및 세포 사멸의 유비쿼터스 경로에서 수렴합니다. Aβ의 C-말단 펩타이드 단편은 해마 이끼 섬유 경로에서 선택적으로 신경 세포 사멸을 유도할 수 있으며, 이는 AD의 작업 기억 장애와 관련이 있을 수 있습니다79. 또한, AD에서 신경세포 자가포식이 유도되지만 경로의 후기 단계에서 손상된다는 증거가 있으며, 이는 Aβ의 세포 내 축적을 설명하는 데 도움이 될 수 있으며 이후 플라크의 세포 외 침착에 기여할 수 있습니다. 따라서 AD를 유발하는 돌연변이는 자가포식-리소좀 경로에서 자가포식 장애를 촉진합니다80. 노인성 플라크에서도 미세아교세포가 발견되어 AD 뇌의 손상이 활성산소를 생성하는 미세아교세포의 자가면역 반응에서 비롯될 수 있음을 시사합니다. 또한 산화 스트레스와 지질 과산화는 글루타메이트 및 Aβ 유발 신경 독성과 관련이 있습니다81. 흥분성 아미노산인 L-글루타메이트를 사용하는 시스템의 교란이 AD에서 만성 신경 퇴행의 병원성 메커니즘의 기초가 될 수 있다는 증거가 점점 더 많이 제시되고 있습니다82. AD의 만성 및 병리학적인 조건에서 미토콘드리아 막 전위의 손실과 세포 사멸 단백질인 사이토크롬 C, 카스파제의 두 번째 미토콘드리아 유래 활성화제 및 세포 사멸 유도 인자 등의 방출은 세포 사멸에 기여합니다83.

생체 내 Aβ로 인한 퇴행은 NMDA 수용체의 과도한 활성화와도 관련이 있습니다84. NMDAR의 과도한 활성화로 인한 흥분 독성은 NMDA 수용체 아형의 국소 분포 변화의 결과로 AD 신경 병리와 일치하는 방식으로 뉴런의 국소 취약성을 강화할 수 있습니다. NMDA 수용체 길항제는 AD의 치료 개선에 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.
산화 스트레스는 알츠하이머병의 또 다른 주요 요인입니다. 연구자들은 산화 스트레스와 AD 환자의 뇌 조직에 축적되는 것으로 알려진 Aβ의 신경세포 결합 사이의 관계를 조사했습니다. 해마 신경세포 배양을 사용하여 연구진은 Aβ가 NMDAR 활성화를 필요로 하는 메커니즘을 통해 ROS의 과도한 형성을 자극한다는 사실을 발견했습니다85. 따라서 NMDAR 활성과 산화 스트레스의 조절 장애는 AD에서 이중으로 해로운 역할을 할 수 있습니다.

Excitotoxicity in Parkinson's disease

Parkinson's disease (PD) is a neurological disorder that is caused by the degeneration of nigral dopaminergic neurons and the consequent massive drop of dopamine (DA) content in the striatum86. Despite intense research efforts over many years, the causes of this disease still await elucidation.

Although the complete nature of the complex intra/extracellular signals that regulate this neuronal injury remains to be clarified, a growing body of evidence supports an essential role for oxidative stress in the initiation and progression of the injury process that releases ROS and free radicals and damages cellular proteins, lipids and DNA elements88. The presynaptic α-synuclein is an abundant protein in Lewy bodies, the proteinaceous neuronal inclusions that are the pathological hallmark of sporadic PD87. Some studies suggest that nigral neuronal damage in brains of PD patients may release extracellular aggregated α-synuclein into the substantia nigra. This may activate microglial ROS production and microglial-enhanced dopaminergic neurodegeneration89, thereby leading to persistent and progressive nigral neurodegeneration in PD.

The concept of excitotoxicity has also been applied to PD. Studies have demonstrated that parkin (hereditary Parkinson disease PARK2 gene product) regulates the function and stability of excitatory glutamatergic synapses. Postsynaptic expression‎ of parkin dampens excitatory synaptic transmission and causes a marked loss of excitatory synapses in hippocampal neurons. Conversely, knockdown of endogenous parkin or expression‎ of PD-linked parkin mutants profoundly enhances synaptic efficacy and triggers a proliferation of glutamatergic synapses. This proliferation is associated with increased vulnerability to synaptic excitotoxicity90. The resulting excessive glutamatergic drive could be a source of excitotoxicity in the nigra. As described above, persistent activation of NMDA receptor increases intracellular calcium levels. A role for elevated intracellular calcium in the events leading to cell death in PD is supported by the observation that dopaminergic neurons expressing the calcium-binding protein calbindin may be selectively preserved in PD91.

A number of studies have shown that ionotropic antagonists of the NMDA glutamate receptor subtypes counteract parkinsonian symptoms or act in synergy with L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) in animal models of PD. A key indication that environmental factors may play a role in PD came with the discovery of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP), which has been used to develop animal models of PD in which the pathogenesis of the disease and a variety of therapeutic interventions designed to prevent or reduce dopaminergic neurodegeneration can be studied92. MPP+, the active metabolite of MPTP, has been shown to inhibit complex I of the mitochondrial electron transport chain, which is thought to be the mechanism by which MPTP induces Parkinsonism. MK-801 (dizocilpine), a noncompetitive antagonist of the NMDA receptor, has also been reported to have protective effects against excitotoxicity induced in dopaminergic systems by MPTP93. Accumulating evidence suggests that alternative mechanisms of action for MPTP, including release of vesicle-stored dopamine and consequent oxidative damage, release of stored iron deposits, increased cytoplasmic calcium and intraneuronal calcium release94, 95, actually lead to neuronal cell death. Although PD is not typically considered a mitochondrial disease, these studies cited the aforementioned study and other recent work demonstrating that proteins linked to PD affect mitochondrial function or localize to mitochondria96, suggesting that mitochondrial dysfunction, especially at complex I, may play a larger role in the development of PD than previously realized.

파킨슨병의 흥분성 독성

파킨슨병(PD)은

흑질 도파민 신경세포의 퇴행과

그에 따른 선조체의 도파민(DA) 함량의 급격한 감소로 인해 발생하는

신경 질환입니다86.

수년에 걸친 집중적인 연구 노력에도 불구하고

이 질환의 원인은 아직 밝혀지지 않았습니다.

이 신경 손상을 조절하는 복잡한 세포 내/외 신호의 완전한 특성은 아직 밝혀지지 않았지만,

점점 더 많은 증거가 손상 과정의 시작과 진행에서

산화 스트레스가 ROS와 자유 라디칼을 방출하고

세포 단백질, 지질 및 DNA 요소를 손상시키는 데 필수적인 역할을 한다는 것을 뒷받침하고 있습니다88.

시냅스 전 α-시누클레인은

산발성 PD87의 병리학적인 특징인

단백질성 신경 세포 내포물인 루이체에 풍부한 단백질입니다.

일부 연구에 따르면

PD 환자의 뇌에서 흑질 신경세포 손상이

세포 외 응집된 α-시누클레인을 흑질로 방출할 수 있다고 합니다.

이는

미세아교세포 ROS 생성과

미세아교세포 강화 도파민성 신경 변성을 활성화하여89

PD에서 지속적이고 점진적인 흑질 신경 변성을 유발할 수 있습니다.

흥분성 독성의 개념은

파킨슨병에도 적용되었습니다.

연구에 따르면

파킨(유전성 파킨슨병 PARK2 유전자 산물)이 흥

분성 글루탐산 시냅스의 기능과 안정성을 조절한다는 사실이 입증되었습니다.

시냅스 후 파킨의 발현은

흥분성 시냅스 전달을 약화시키고

해마 뉴런에서 흥분성 시냅스의 현저한 손실을 유발합니다.

반대로

내인성 파킨을 녹다운하거나

PD 연결 파킨 돌연변이를 발현하면

시냅스 효능이 크게 향상되고 글루탐산 시냅스의 증식이 촉발됩니다.

이러한 증식은

시냅스 흥분 독성에 대한 취약성 증가와 관련이 있습니다90.

결과적으로

과도한 글루타메이터성 드라이브는

흑질에서 흥분 독성의 원인이 될 수 있습니다.

위에서 설명한 바와 같이

NMDA 수용체의 지속적인 활성화는

세포 내 칼슘 수치를 증가시킵니다.

PD에서

세포 사멸로 이어지는 사건에서

세포 내 칼슘 증가의 역할은

칼슘 결합 단백질 칼빈딘을 발현하는 도파민성 뉴런이 PD91에서 선택적으로 보존될 수 있다는 관찰에 의해 뒷받침됩니다.

여러 연구에 따르면 NMDA 글루타메이트 수용체 아형의 이온성 길항제가 파킨슨 증상에 대응하거나 PD 동물 모델에서 L-3,4-디하이드록시페닐알라닌(L-DOPA)과 상승 작용을 하는 것으로 나타났습니다. 환경적 요인이 PD에서 중요한 역할을 할 수 있다는 주요 징후는 1-메틸-4-페닐-1,2,3,6-테트라하이드로피리딘(MPTP)의 발견으로 나타났으며, 이는 질병의 발병 기전과 도파민성 신경 퇴화를 예방하거나 줄이기 위해 설계된 다양한 치료 개입을 연구할 수 있는 PD의 동물 모델을 개발하는 데 사용되어 왔습니다92. MPTP의 활성 대사 산물인 MPP+는 미토콘드리아 전자 수송 사슬의 복합체 I을 억제하는 것으로 나타났는데, 이는 MPTP가 파킨슨병을 유발하는 메커니즘으로 생각됩니다. NMDA 수용체의 비경쟁적 길항제인 MK-801(디조실핀)도 MPTP93에 의해 도파민 시스템에서 유발되는 흥분 독성에 대한 보호 효과가 있는 것으로 보고되었습니다. 축적된 증거에 따르면 소포 저장 도파민의 방출과 그에 따른 산화적 손상, 저장된 철 침착물의 방출, 세포질 칼슘 증가 및 신경 내 칼슘 방출94, 95을 포함한 MPTP의 대체 작용 메커니즘이 실제로 신경 세포 사멸로 이어진다는 사실이 밝혀졌습니다. PD는 일반적으로 미토콘드리아 질환으로 간주되지 않지만, 이 연구들은 앞서 언급한 연구와 PD와 관련된 단백질이 미토콘드리아 기능에 영향을 미치거나 미토콘드리아에 국한된다는 것을 보여주는 다른 최근 연구96를 인용하여 미토콘드리아 기능 장애, 특히 복합체 I에서의 기능 장애가 이전에 알려진 것보다 PD의 발병에 더 큰 역할을 할 수 있음을 시사하고 있습니다.

Conclusions and perspectives

Various mechanisms involving excitotoxicity have been proposed to explain the neuronal cell death characteristic of neurodegenerative diseases, including elevation of intracellular calcium, accumulation of oxidizing free radicals, impairment of mitochondrial function and activation of apoptotic and autophagic programs. Identification of a major post-receptor signaling event that leads to neuronal death could provide a molecular target for therapeutic interventions in many neurodegenerative diseases.

결론 및 전망

흥분성 독성과 관련된 다양한 메커니즘이 

신경 퇴행성 질환의 신경 세포 사멸 특성을 설명하기 위해 제안되었으며, 

여기에는

세포 내 칼슘 상승,

산화 활성산소 축적,

미토콘드리아 기능 손상,

세포 사멸 및 자가포식 프로그램 활성화 등이 포함됩니다.

신경세포 사멸로 이어지는 주요 수용체 후 신호 전달 이벤트를 확인하면

많은 신경 퇴행성 질환에서 치료적 개입을 위한

분자 표적을 제공할 수 있습니다.

References

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