[논문 리뷰] Oxidative species-induced excitonic transport in tubulin aromatic networks: Potential implications for neurodegenerative disease

Philip Kurian, Thomas O. Obisesan외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 15.

Photoreceptor and optogenetics research참고 문헌 112인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 미세소관 내 투불린의 아rom아틱 네트워크가 산화 스트레스에서 유래하는 초박성 광자 방출(UPE)을 진동 에너지 전달을 통해 흡수하고 운반할 수 있으며, 이는 세포 내 신호 전달 또는 에너지 소산을 가능하게 할 수 있다고 제안한다. 알츠하이머병과 같은 타우병에서 미세소관의 구조적 안정성이 손상되면, 광자 전도 능력이 저하되어 산화 손상이 축적되고 신경세포 퇴행이 가속화될 수 있다.

ABSTRACT

Oxidative stress is a pathological hallmark of neurodegenerative tauopathic disorders such as Alzheimer's disease and Parkinson's disease-related dementia, which are characterized by altered forms of the microtubule-associated protein (MAP) tau. MAP tau is a key protein in stabilizing the microtubule architecture that regulates neuron morphology and synaptic strength. The precise role of reactive oxygen species (ROS) in the tauopathic disease process, however, is poorly understood. It is known that the production of ROS by mitochondria can result in ultraweak photon emission (UPE) within cells. One likely absorber of these photons is the microtubule cytoskeleton, as it forms a vast network spanning neurons, is highly co-localized with mitochondria, and shows a high density of aromatic amino acids. Functional microtubule networks may traffic this ROS-generated endogenous photon energy for cellular signaling, or they may serve as dissipaters/conduits of such energy. Experimentally, after in vitro exposure to exogenous photons, microtubules have been shown to reorient and reorganize in a dose-dependent manner with the greatest effect being observed around 280 nm, in the tryptophan and tyrosine absorption range. In this paper, recent modeling efforts based on ambient temperature experiment are presented, showing that tubulin polymers can feasibly absorb and channel these photoexcitations via resonance energy transfer, on the order of dendritic length scales. Since microtubule networks are compromised in tauopathic diseases, patients with these illnesses would be unable to support effective channeling of these photons for signaling or dissipation. Consequent emission surplus due to increased UPE production or decreased ability to absorb and transfer may lead to increased cellular oxidative damage, thus hastening the neurodegenerative process.

연구 동기 및 목표

• 산화 스트레스에서 유래하는 내재 광자를 흡수하고 운반하는 데 있어 투불린의 아로마틱 아미노산 네트워크의 역할을 조사하는 것.
• 미세소관이 미토콘드리아에서 생성하는 초박성 광자 방출(UPE)을 진동 에너지 전도체로 기능할 수 있는지 확인하는 것.
• 타우병에서 미세소관 네트워크의 손상이 광자 에너지 전달에 어떤 영향을 미치며 산화 손상 증가에 기여하는지 평가하는 것.
• 신경세포에서 ROS 유도 광자를 전달하거나 에너지를 산산이 흩트는 신호 전달 매개체 또는 에너지 소산 기구로서의 미세소관의 잠재적 역할을 탐구하는 것.

제안 방법

• 실온 조건에서 투불린 중합체 내 진동 에너지 전달을 모델링하기 위해 공명 에너지 전달(FRET 유사 메커니즘)을 사용하는 것.
• 트립토파논과 티로신의 흡수 피크에 해당하는 280 nm 범위의 광자 흡수 및 운반에 집중하는 것.
• 미세소관 네트워크에서 수마이크론 규모의 거리(미크론 규모 거리)에서의 에너지 전달 가능성 분석하는 것.
• 280 nm 빛 노출에 따른 미세소관 재배열에 관한 in vitro 실험 데이터를 활용해 모델의 에너지 전달 효율을 정립하는 것.
• 타우병에서 미세소관의 구조적 열화가 광자 흡수 및 운반 능력에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 이론적 모델링을 통해 병적 상태에서 광자 방출 과잉과 감소된 흡수 간의 균형을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세소관 내 투불린의 아로마틱 네트워크가 산화 스트레스에서 유래하는 초박성 광자 방출(UPE)을 효과적으로 흡수하고 운반할 수 있는가?
• RQ2 생물학적으로 의미 있는 거리(미크론 규모)에서 생리적 온도 조건에서 미세소관 네트워크 내 에너지 전달이 실현 가능한가?
• RQ3 타우병성 질환에서 미세소관의 구조적 손상이 UPE를 채널링하거나 소산시키는 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 신경세포에서 ROS 유도 광자를 전달하거나 에너지를 산산이 흩트는 매개체로서의 미세소관의 잠재적 역할은 무엇인가?
• RQ5 병적 미세소관에서 광자 운반 기능이 손상되면 산화 손상 증가와 함께 신경세포 퇴행이 가속화될 수 있는가?

주요 결과

• 투불린 중합체는 실온 조건에서 수목형 스케일 거리에서 공명 에너지 전달을 통해 광자 자극을 흡수하고 전달하는 데 실현 가능하다.
• 트립토파논과 티로신의 흡수 피크에 해당하는 280 nm 파장 범위는 미세소관 재배열에 가장 높은 민감도를 보이며, 강한 광자 상호작용 잠재력을 시사한다.
• 기능적인 미세소관 네트워크는 ROS 생성 광자를 전도체 또는 소산기로 기능할 수 있으며, 세포 신호 전달을 지원하거나 산화 스트레스를 감소시킬 수 있다.
• 타우병에서 미세소관 네트워크의 열화는 UPE 흡수 및 전달 능력을 감소시켜 잠재적 과잉 방출을 유도할 수 있다.
• 이 균형 붕괴는 관리되지 않은 광자 에너지로 인해 세포 내 산화 손상 증가를 초래할 수 있으며, 이는 신경세포 퇴행성 진행에 기여할 수 있다.
• 모델은 전통적인 단백질 응집 경로를 초월해 산화 스트레스, 광자 운반, 신경세포 퇴행성 질환 간의 새로운 메커니즘을 제안한다.