Restoration of cathepsin D level via l-serine attenuates PPA-induced lysosomal dysfunction in neuronal cells

Abstract

L-serine is a non-essential amino acid endogenously produced by astrocytes and is abundant in human diets. Beneficial roles of the metabolic products from L-serine in various conditions in the brain including neuronal development have been reported. Through several preclinical studies, L-serine treatment was also shown to offer beneficial therapeutic effects for brain damage such as ischemic stroke, amyotrophic lateral sclerosis, and Parkinson’s disease. Despite evidence for the value of L-serine in the clinic, however, its beneficial effects on the propionic acid (PPA)-induced neuronal toxicity and underlying mechanisms of L-serine-mediated neuroprotection are unknown. In this study, I observed that PPA-induced acidic stress induces abnormal lipid accumulation and functional defects in lysosomes of hippocampal neurons. L-serine treatment was able to rescue the structure and function of lysosomes in PPA-treated hippocampal neuronal cells. I further identified that L-serine suppressed the formation of lipid droplets and abnormal lipid membrane accumulations inside the lysosomes in PPA-treated hippocampal neuronal cells. Taken together, these findings indicate that L-serine can be utilized as a neuroprotective agent for the functionality of lysosomes through restoration of cathepsin D in disease conditions.

L-세린 (L-serine)은 성상교세포에 의해 내부적으로 생성되는 비 필수적인 아미노산이며, 일반적으로 우리가 섭취하는 음식물에도 많이 함유되어 있다. 신경 발달을 비롯하여L-세린이 뇌세포에 미치는 유익한 역할이 많은 연구에서 보고되고 있다. 여러 전임상 연구를 통해 L-세린을 이용한 치료는 허혈성 뇌졸중, 근위축성 축삭 경화증 및 파킨슨병과 같은 뇌 손상에 유익한 치료 효과를 제공하는 것으로 나타났다. 그러나 임상적 측면에서의 L-세린에 대한 다양한 효과에도 불구하고 프로피온산에 의한 신경 독성과 L-세린에 의한 손상된 신경을 회복하고, 보호하는 메커니즘에 대한 연구는 알려져 있지 않은 실정이다. 프로피온산은 장내 세균이 음식물을 발효시켜 만들어지는 분해 산물로써 탄소수가 6개 미만인 지방산이다. 정상인에 비해 자폐증 환자의 분변에서 프로피온산의 농도가 높은 것으로 보고되고 있으며, 높은 프로피온산 농도로 인해 프로피온산증을 동반하는 경우가 많다. 프로피온산을 쥐에게 투여한 경우 자폐증과 유사한 신경 및 행동학적 경향을 보이는 연구가 많이 보고되었으나, 신경세포에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 프로피온산으로 인한 산성 스트레스가 해마 뉴런에 미치는 영향 중 비정상적인 지질 축적과 리소솜의 기능적 결함을 유발한다는 것을 확인하였다. 광학 현미경의 분해능 한계를 극복하고자 광학현미경과 전자현미경을 연계한 분석법을 활용하여 신경세포내의 소기관 미세구조 변화를 고해상도 이미지를 통해 분석하였다. 컨포컬 현미경을 이용하여 신경세포에 존재하는 리소솜과 지방 방울의 위치를 형광 염색으로 확인하였고, 특정된 위치를 전자현미경의 고해상도 이미지를 얻어 구조적 변화를 분석하였다. 특히 연속절편법을 이용한 고해상도 전자현미경 이미지를 3차원 이미지로 재구성하여 2차원적 평면 이미지 분석의 한계를 극복하였다. L-세린을 해마 신경 세포에 처리하였을 때, 프로피온산에 의해 손상된 리소솜의 구조와 기능이 회복됨을 확인할 수 있었다. 또한 L-세린은 프로피온산에 의해 형성된 리소솜 내부의 지질 방울과 비정상적인 지질막 축적을 억제시킨다는 것을 확인하였다. 위의 결과들을 종합해보면, L-세린은 프로피온산에 의한 산성 스트레스 상태에서 손상된 리소솜의 기능을 회복시키는 역할을 하는데, 카텝신 D (Cathepsin D)라고 알려진 단백질 분해 효소의 활성화를 증가시켜 리소솜의 분해 기능을 회복시킨다는 것을 확인하였고, 이를 통해 L-세린은 신경 보호제로 사용될 수 있음을 유추해 볼 수 있다.