세포 항상성은 세포 내 환경을 유지하고 세포 내·외 스트레스로부터 세포를 보호해준다. 세포 항상성을 유지하는데 필수적인 자가포식작용은 영양결핍이나 산화적 손상과 같은 세포 스트레스 상황에 대응하여 손상된 세포기관의 분해와 불필요하거나 기능이 저해된 단백질의 제거를 촉진한다. 따라서 자가포식작용은 세포의 재구성과 발달에 중요한 역할을 하며 노화의 예방과 세포 성장 제어에 관여한다. 또한, 자가포식작용은 파킨슨병과 알츠하이머병 같은 다양한 인간 질환에서 보호 기능을 발휘한다.
자가포식작용에 필수적인 여러 인자들이 발견되었지만, 이 과정의 분자 메커니즘에 대한 여전히 많은 미해결된 문제가 남아 있다. 복잡하고 다재다능한 구조를 가진 세포골격은 막 재배열 및 소포 매개와 같은 다양한 과정에서 중요한 기능을 수행한다. 최근 연구에서는 자가포식과정에서 액틴 필라멘트 (actin filament)와 미세소관 (microtubule)을 포함한 세포골격 구성 요소의 중요성이 강조되었다. 액틴 필라멘트는 자가포식체 (autophagosome) 형성의 초기 단계에서 중요한 역할을 한다. 동시에 미세소관 기반 모터의 도움을 받고 온전한 구조를 가진 미세소관은 자가포식체 형성 과정에서 필요한 인자들을 모집하는데 중요하다. 또한 키네신 모터 단백질은 자가용해소체 (autolysosome) 튜브화를 통해 자가포식 리소좀 재형성 (autophagic lysosome reformation, ALR)에 관여하며, 이 과정이 진행되는 동안 키네신 모터는 미세소관에 부착된 상태로 남아 자가용해소체 막에 장력을 부여한다.
미세소관은 자가포식 리소좀 재형성 과정에서 중요한 역할을 하며 재형성 중인 tubule을 추출하기위한 지지체로 작용한다. 미세소관의 붕괴는 자가포식 리소좀 재형성을 방해하여 거대하고 지속적인 자가용해소체의 형성을 초래하고, 이는 이후 리소좀 (lysosome) 기능에 영향을 미친다. 자가포식 리소좀 재형성은 효율적인 리소좀 형성 및 자가포식 기능의 올바른 작동을 보장하는데 중요한 역할을 한다. 손상된 자가포식과정은 망막색소상피 (retinal epithelial pigment, RPE) 세포 내 리포푸신 (lipofuscin) 및 드루젠 (drusen) 침전물의 축적과 동시에 관찰된다. 망막색소상피세포에서 리포푸신의 리소좀 분해 기능에 대한 억제효과가 널리 인정되고 확고하게 확립되었음에도 불구하고, 망막 생리학과 나이 관련 황반변성 (age-related macular degeneration, AMD)의 발생에서 자가포식과정의 정확한 역할은 완전히 밝혀지지 않았다.
주요 세포골격의 구성 요소인 중간 세포골격 (intermediate filament)은 세포질에 광범위한 네트워크를 형성하고 미세소관과 액틴 필라멘트 사이의 상호작용을 촉진한다. 이전 연구에서는 중간 세포골격 케라틴8 (keratin 8, KRT8)이 자가포식체와 리소좀의 융합을 촉진하는 것으로 확인되었다. 중간 세포골격은 모터 단백질이 없기 때문에 케라틴8이 자가포식체와 리소좀 사이의 소포 융합을 촉진하는 정확한 메커니즘은 불분명하다.
본 연구에서는 세포골격 단백질의 자가포식 흐름에서의 역할에 대한 분자적인 메커니즘을 밝히고자 하였다. 첫 번째 장에서는 케라틴8이 세포질 구조 네트워크를 지원하여 필라멘트로 이루어진 트랙을 통한 소포 융합을 용이하게 하는지를 조사했다. 자가포식체가 이동하는 동안 케라틴8이 사이토링커 (cytolinker)인 플렉틴 (plectin, PLEC)을 통해 액틴 필라멘트와 상호작용한다는 것을 발견했다. 플렉틴이 억제되거나 케라틴8 구조가 인산화에 의해 붕괴될 때 자가포식체와 리소좀의 융합이 약화되는 것을 확인하였다. 또한, 액틴 중합 억제로 인한 자가포식체와 리소좀의 융합 감소로 자가포식체의 축적이 발생하는 것을 관찰하였다. 더 나아가, 마이오신 모터 단백질이 액틴 필라멘트를 따라 소포체 이동을 담당하며 자가용해소체 형성을 유도하는 것을 밝혔다. 이를 통해, 자가포식체-리소좀 융합은 산화 스트레스 상황에서의 자가포식과정 동안 액틴 필라멘트의 구조적 완전성을 지원하는 중간 세포골격 케라틴8 뿐만 아니라 플렉틴에 의해 안정화된 액틴 필라멘트에 의해 도움을 받게 됨을 검증하였다.
두 번째 장에서는 망막 색소 상피 세포 내에서 자가포식 리소좀 재형성 억제가 리소좀의 항상성에 미치는 영향을 조사했다. 자가포식 리소좀 재형성 억제는 노화된 리소좀의 축적을 야기하며 이로 인해 미토파지 억제와 단백질 인산화 효소 C (protein kinase C, PKC)의 활성화로 손상된 미토콘드리아의 축적으로 이어졌다. 게다가, 자가포식 리소좀 재형성 억제는 단백질 인산화 효소 C의 활성화를 통해 글리코겐 생성 효소 인산화 효소 3 베타의 인산화를 촉진시켜 SNAIL의 축적을 초래했다. 자가포식 리소좀 재형성 억제로 인한 기능장애 미토콘드리아와 SNAIL의 축적이 상피-간엽세포화 (epithelial-mesenchymal transition, EMT)를 촉진한다는 것을 발견했다. 이러한 결과로 제시된 증거는 자가포식 리소좀 재형성 억제로 인한 세포 내 노화된 리소좀의 축적이 망막색소상피세포의 변성을 촉진한다는 가설을 입증하였다.
마지막 장에서는 망막색소상피세포의 구조적 안정성을 유지하는데 리소좀 항상성 유지가 어떤 역할을 하는지 조사하였다. 자가포식 리소좀 재형성 억제에 의한 노화된 리소좀의 축적은 병리적 상피-간엽세포화를 촉진하여 망막색소상피세포의 퇴화를 유도한다는 것을 발견하였다. 이러한 효과에 대응하기 위해 메트포르민을 사용하여 전사인자 EB의 활성화를 강화함으로써 리소좀의 신생합성을 증가시켜주었다. 증가된 리소좀은 자가포식 리소좀 재형성 억제로 인해 발생한 비정상 미토콘드리아와 SNAIL의 축적을 감소시켰다. 따라서, 메트포르민이 리소좀의 신생합성을 증가시킴으로써 리소좀의 항상성을 유지하고 이를 통해 상피-간엽세포화의 진행을 억제한다는 것을 보여주었다. 총괄적으로, 망막 색소 상피 세포를 변성으로부터 보호하기 위해 분해기능을 가지고 있는 정상적인 리소좀이 높은 비율로 유지되는 것의 중요성을 강조하였다.
정리하자면, 본 연구에서는 세포골격 단백질과 자가포식 흐름 사이의 상호작용을 설명하는 세 가지 중요한 결과를 발견했다. 1) 자가포식체-리소좀 융합은 자가포식과정 동안 플렉틴에 의해 안정화된 액틴 필라멘트 그리고 케라틴8에 의해 촉진된다; 2) 자가포식 리소좀 재형성 억제로 인한 노화된 미토콘드리아의 축적은 망막색소상피의 퇴행을 유도한다; 3)AMPK 활성화제 메트포르민은 리소좀 항상성을 유지하여 망막색소상피의 변성을 억제한다. 이러한 연구 결과는 이동하는 모터를 포함한 다른 세포골격 구성 요소와의 상호 작용을 통해 세포 골격 구조를 분자수준에서 이해하는 것은 자가포식과정의 역학을 규명하는데 필수적이며, 이는 자가포식체와 리소좀의 융합을 촉진하고 리소좀의 항상성을 유지함으로써 여러 질병을 치료할 수 있는 잠재적인 치료 접근 방식을 개발하는 것으로 이어질 수 있을 것이다.