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생명공학이 눈부신 발전하고 있지만 암은 여전히 정복하기 어려운 질환 중 하나입니다.

최근 암 환자 면역세포의 면역력을 증강시켜 암을 치료하는 항암면역치료제가 차세대 항암치료제로 각광받고 있습니다.

항암면역치료는 환자 자신의 면역세포를 이용하기 때문에 약물이나 방사선 치료로 인한 부작용과 항암치료에 대한 거부반응이 적고, 환자의 신체적 부담을 최소화할 수 있는 새로운 암 치료법입니다.

그러나 암세포는 면역세포의 면역력을 억제하거나 차단하여 스스로를 지키려는 특성이 있기 때문에 기존의 항암면역치료제는 암환자 면역세포의 면역력을 극대화하는데 한계가 있었습니다.

■ 대표적 항원제시세포인 수지상세포는 암세포 속에서 암 항원을 인식한 후 2차 면역기관으로 이동해 암세포를 공격하는 T세포에 암 항원 정보를 전달하고, 신호를 받은 T세포는 암세포 조직으로 이동하여 암세포의 증식을 억제합니다.

따라서 항암면역세포의 효능을 높이기 위해서는 수지상세포의 면역을 활성화하는 것이 무엇보다 중요합니다.

그러나 암세포 속의 수지상세포는 활성화를 억제하는 분자(STAT3) 등에 의해 활성화가 억제되어 면역 활성화에 어려움이 있었습니다.
 
또한 항암면역세포 치료를 위해서는 외부에서 환자의 암에 대한 항원 정보를 수지상세포에 전달해주는 과정이 필요한데, 기존의 치료법은 암 항원이 알려진 일부 암 치료에 국한되어 있어 항암면역세포 치료법의 보급화에도 문제가 되었습니다.  

■ 충남대 임용택 교수 및 김지현, 노영욱 박사팀이 나노기술을 이용해 환자의 면역세포로 항암 치료의 효능을 높이는 기술을 개발했습니다.

연구팀은 면역세포를 활성화하는 면역증강물질인 단편 DNA와 면역억제 유도 유전자를 파괴하는 RNA(작은 간섭 RNA)로 나노컨쥬게이트(나노복합체)를 만들고 암 치료 효능을 극대화한 신개념 항암면역세포 치료제를 개발했습니다.

연구팀은 면역력을 높이는 단편 DNA를 넣어 수지상세포를 활성화하고, STAT3를 파괴하는 작은 간섭 RNA를 결합하여 외부에서 암 항원 정보를 제공하지 않아도 항암효과를 극대화한 나노컨쥬게이트의 원천기술을 개발하는데 성공했습니다.

또 치료효과를 쉽게 확인할 수 있도록 면역을 활성화하는 분자에 근적외선 형광 나노조영제를 결합하고 외부를 생체친화성 고분자로 포장함으로써, 면역세포 활성화 분자를 암세포 주위의 면역세포에 효과적으로 전달되도록 제조해 항암면역치료 효과를 더욱 높였습니다.

연구팀이 암이 유발된 생쥐에 하이브리드 나노컨쥬게이트를 투여한 결과, 기존의 면역증강제(CpG ODN)만을 투여한 것에 비해 암 치료율이 3~8배 높아졌습니다.

이번 연구는 항암면역기능을 담당하는 두 분자(단편 DNA와 작은 간섭 RNA)를 결합하여 기존의 항암면역치료제보다 암 치료 효과를 최소 3배 이상 높인 것으로, 항원이 알려진 암이나 질병 치료에만 쓰이던 기존의 항암면역세포 치료제의 한계를 극복하고 다양한 암과 질병 치료에 두루 활용할 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구결과는 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'지 9월 18일자에 게재되었습니다.
(논문명: Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Oligonucleotides and Enhanced Antitumor Immunity)

하이브리드 나노컨쥬게이트의 항암면역세포치료 개념도

(a) 하이브리드 나노컨쥬게이트를 항암면역세포치료의 메커니즘을 보여주는 사진. 하이브리드 나노컨쥬게이트에 의해 암세포 조직 내 수지상세포가 활성화되고 2차 면역기관으로 이동하여 T 세포의 항암치료기능을 증가시킨다. 이 T 세포가 암세포 조직으로 침투하여 암세포를 공격, 암 치료 효과가 나타난다.
(b) 하이브리드 나노컨쥬게이트의 구조. 이미징 조영제에 linker를 이용하여 STAT3 siRNA와 CpG ODN을 결합하고 이를 항암면역세포치료제로 활용함.

하이브리드 나노컨쥬게이트 항암면역치료제의 치료 효과

(a) 하이브리드 나노컨쥬게이트를 암이 유발된 실험동물에 투여 후 (하얀색 화살표) 72시간 내에 암세포 조직 주변 면역기관 (림프절) 오로(하얀색 삼각형) 이동되었음을 보여줄 수 있는 근적외선 형광 이미징 사진. (b) 하이브리드 나노컨쥬게이트를 암이 유발된 실험동물에 투여 48시간 후 암세포 조직 주변 림프기관에서 분리한 수지상세포에서 STAT3 유전자 발현이 억제되었음을 증명해주는 사진.
(c) 하이브리드 나노컨쥬게이트에 의해 수지상세포의 사이토카인 생성이 증가됨을 보여주는 사진.
(d) 하이브리드 나노컨쥬게이트를 암이 유발된 실험동물에 투여 후 20일 이내에 암세포의 성장이 억제되는 치료효과가 나타남을 증명해주는 사진.

 

<연 구 개 요>

Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Biomolecules and Enhanced Antitumor Immunity
Ji Hyun Kim, Young-Woock  Noh, Min Beom Heo, Mi Young Cho and Yong Taik Lim
(Angewandte Chemie)

암의 치료를 위하여, 과거에서부터 현재까지 수술이나 항암화학요법, 방사선요법 등의 방법을 주로 이용해 왔으나, 2000년대에 들어서면서 부작용과 항암치료에 대한 거부반응이 적어 환자의 신체적 부담을 최소화 할 수 있는 암 치료 방법으로 면역세포를 이용한 면역치료방법이 큰 관심을 받고 있다.
특히, 수지상세포에 기반을 둔 암 치료는 수지상세포가 직접 암세포를 공격하는 것이 아니라, 암세포 조직 내에서 활성화된 수지상세포가 2차 림프기관으로 이동하여 실제적으로 암을 공격할 수 있는 T 세포 (CTL) 등에 정보를 전달하여 암의 사멸을 유도하는 치료기법이다.
효과적인 항암면역세포 치료를 위해 Toll like receptor (TLR)를 통한 수지상세포의 활성화가 반드시 필요한데, 암세포 조직 내의 수지상세포는 STAT3와 같은 분자들에 의해 활성화가 억제되어 있다.

이 연구에서는 다기능성 나노입자를 이용하여 생체 내 가장 강력한 항원제시세포인 수지상세포 (dendritic cell)를 활성화시켜 항암치료 효과를 증진시키고자 하였다.
효과적인 항암치료를 위한 수지상세포를 활성화시키기 위하여, TLR을 통한 수지상세포의 활성화를 유도하는 면역증강제인 CpG ODN을 사용하였고, 활성화를 억제하는 분자인 STAT3를 siRNA라는 RNAi 기법으로 발현을 억제시킴으로써, 더욱 효과적으로 활성화를 유도하였다.

또한, 본 연구에서는 근적외선 영역대에서 in vivo 추적이 가능한 양자점 (Quantum dot)에 CpG ODN과 STAT3 siRNA를 부착하고, 이를 생체친화성 나노입자 내에 봉입하여 하이브리드 나노컨쥬게이트 (hybrid nanoconjugates; HNCCpG-STAT3siRNA)를 형성하였다.
이 입자는 수지상세포내로 잘 uptake되도록 PLGA 고분자 물질을 이용하여 제작되었고, 세포내 리소좀 (lysosome)에서 STAT3 siRNA가 효과적으로 세포질 내로 방출되도록 SPDP Cleavable linker을 사용하여 수지상세포의 STAT3의 발현 억제를 효과적으로 유도하였다.
또한, 동물실험에서 근적외선 영상을 통해 하이브리드 나노컨쥬게이트를 수지상세포가 주로 uptake 하였음을 증명하였고, 수지상세포가 2차 림프기관으로 이동하는 현상을 추적할 수 있었으며, 2차 림프기관으로 이동한 수지상세포는 T세포 기반 항암 면역 유도에 중요한 사이토카인 물질인 IL-12, TNF-α, IL-6등이 발현 및 생산하는 것을 확인하였다.
실제적으로 암이 유발된 실험동물에 하이브리드 나노컨쥬게이트를 투여하여 면역증강제인 CpG ODN만을 투여한 실험동물에 비해 암치료율을 월등히 높일 있음을 증명하였다.

이러한 결과를 종합해 볼 때 하이브리드 나노컨쥬게이트를 이용하여 강력한 항암면역세포인 수지상세포를 활성화시켜 항암치료 효과를 증진시킬 수 있었으며, 근적외선 형광영상기법을 이용하여 항암면역세포 치료과정을 모니터링 할 수 있음을 확인하였다.
이는 기존의 항암면역치료제의 개선점인 면역세포의 활성화 효율을 높이는 어려움을 해결해주고, 항암면역치료제의 치료과정을 모니터링 함으로써, 치료 효과를 쉽게 확인할 수 있다는 장점이 있음을 보여주고 있다.
또한, 기존의 항암면역세포 치료는 항원이 알려진 암 또는 질병의 치료에 국한되어 있는 반면, 이런 다기능성 나노입자를 이용한 면역세포 치료기술은 다양한 암 및 질병 치료를 위해 광범위하게 응용할 수 있을 것으로 생각된다.


 용   어   설   명

수지상세포 (dendritic cell)
강력한 항원전달세포(antigen-presenting cell) 중의 하나이며, 수상돌기처럼 막의 돌기를 가진 면역세포.
인체에 바이러스, 세균 등 감염이나 종양과 같은 비정상적인 세포가 생겼을 때 이를 인식하고, T-세포에 정보를 제공하여 공격을 유도한다.

면역증강제 
질병을 치료, 혹은 예방하기 위하여 생체의 면역기능을 보강, 증강해주는 면역치료제의 한 종류이다.
특히, 면역세포 표면에 있는 톨유사수용체에 특이적으로 반응하여 면역활성을 증가시켜주는 물질이 많이 이용되고 있다.
면역증강제가 (TLR: Toll-like receptor)가 발현되어 있는 면역세포 (대식세포, 수지상세포) 들을 활성화시켜 사이토카인들의 분비를 촉진시키고,  T 세포 또는 B 세포의 면역반응을 유도한다.

사이토카인
면역세포에서 주로 생성 및 분비되어 신체의 방어체계를 제어하고 면역 반응을 조절하는데 관여하는 신호전달 인자이다.
일반적으로 인터루킨 인터페론, 세포증식 및 분화인자 등 면역에 관련되어 있는 저분자 단백질이 많이 알려져 있다.

단편 DNA
박테리아나 바이러스로부터 유래된 특정 염기 서열 (CpG)을 갖고 있는 올리고 핵산 (ODN)으로 면역세포 표면에 있는 톨유사수용체 9 (TLR9)와의 상호작용으로 면역 활성화를 증가시키는 면역증강물질이다.
이 단편 DNA는 TLR9이 발현되어 있는 면역세포 (대식세포, 수지상세포) 들을 활성화시켜 면역반응 조절 인자인 사이토카인들의 분비를 촉진시키고, T 세포의 면역치료 능력을 증가시킨다.

STAT3 siRNA
작은 간섭 RNA (siRNA)는 목표 유전자에 달라붙어 해당 유전자의 발현을 억제하며, 이를 '작은 RNA 간섭(siRNA)'현상이라고 한다.
즉 RNA를 암이나 바이러스 등 유전자에 인위적으로 달라붙게 해 해당 유전자를 억제하면 질병을 치료하는 등 다양하게 생명현상을 조절할 수 있다.
특히, STAT3 (Signal transducer and activator of transcription-3)는 면역세포의 활성화를 통한 사이토카인 등 면역관련 신호전달 물질의 발현을 조절하는 분자로 siRNA에 의해 STAT3의 발현이 억제되면 면역 활성화가 증가되는 현상을 보이고 있다. 

나노컨쥬게이트
면역증강물질인 단편 DNA와 STAT3를 파괴하는 작은 간섭 RNA를 근적외선 형광입자인 양자점 나노입자에 결합한 후 외부를 생체 친화성 고분자로 포장하여 나노크기의 구조적 특성을 나타내는 나노복합체이다.
나노컨쥬게이트는 면역세포를 활성화하여 항암면역능력을 증가시키고 근적외선 형광을 통해 생체내의 치료과정을 모니터링 할 수 있는 다기능성 나노복합체이다.

Angewandte Chemie
응용화학 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표과학전문지. 전 과학 분야에서 상위 1.1% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.6%(7위/152개) 이내에 든다. (피인용지수: 13.455)

 

<임용택 교수>

1. 인적사항 


○ 소 속 : 충남대학교 분석과학기술대학원

2. 학력

○  1992 ~ 1996 : 서강대학교 학사  (화학공학)
○  1996 ~ 1998 : 한국과학기술원 석사  (생명화학공학)
○  1998 ~ 2002 : 한국과학기술원 박사  (생명화학공학)
 
3. 경력사항
○ 2002 ~ 2003 : Harvard Medical School, Postdoctoral Associate
○ 2002 ~ 2003 : MIT, Postdoctoral Associate
○ 2003 ~ 2004 : 한국전자통신연구원(ETRI), 선임연구원
○ 2004 ~ 2009 : 한국생명공학연구원(KRIBB), 선임연구원
○ 2009 ~ 2012 : 충남대학교 분석과학기술대학원, 부교수

4. 주요연구업적
1. Young-Woock Noh, Seong-Ho Kong, Doo-Yeol Choi, Hye Sun Park, Han-Kwang Yang, Hyuk-Joon Lee, Hee Chan Kim, Keon Wook Kang, Moon-Hee Sung, and Yong Taik Lim*, "Near-Infrared Emitting Polymer Nanogels for Efficient Sentinel Lymph Node Mapping", ACS Nano in press

2. Ji Hyun Kim, Young-Woock  Noh, Min Beom Heo, Mi Young Cho and Yong Taik Lim*, "Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Biomolecules and Enhanced Antitumor Immunity", Angewandte Chemie International Edition in press

3. Hyun Min Kim, Young-Woock Noh, Hye Sun Park, Mi Young Cho, Kwan Soo Hong, Hyunseung Lee, Da Hye Shin, Jongeun Kang, Moon-Hee Sung, Haryoung Poo, and Yong Taik Lim*, "Self-Fluorescence of Chemically Crosslinked MRI Nanoprobes to Enable Multimodal Imaging of Therapeutic Cells, Small, 2012, 8(5), 666-670.

<김지현 연구원>

1
. 인적사항 
○ 소 속 : 충남대학교 분석과학기술대학원 

2. 학력
○  2005 ~ 2008 : 부경대학교 학사  (생물공학과)
○  2010 ~ 2012 : 충남대학교 석사  (분석과학기술대학원)
 
3. 경력사항
 ○ 2009 ~ 2010 : POSTECH, 생명공학연구센터, 연구원
 ○ 2012 ~ 2012 : 충남대학교 분석과학기술대학원, 연구원

4. 주요연구내용
1. Ji Hyun Kim, Young-Woock  Noh, Min Beom Heo, Mi Young Cho and Yong Taik Lim, "Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Biomolecules and Enhanced Antitumor Immunity", Angewandte Chemie International Edition in press

2. Yong Taik Lim, Sang-Mu Shim, Young-Woock Noh, Kyung-Soon Lee, Doo-Yeol Choi, Hiroshi Uyama, Hee Ho Bae, Ji Hyun Kim, Kwan Soo Hong, Moon-Hee Sung, and Haryoung Poo, "Bio-derived Polyelectrolyte Nanogels for Robust Antigen Loading and Vaccine Adjuvant Effects", Small, 2011, 7(23), 3281-3286.

<노영욱 박사>

1. 인적사항 
○ 소 속 : 충남대학교 분석과학기술대학원

2. 학력

○  1995 ~ 2002 : 전북대학교 학사  (생물학)
○  2002 ~ 2004 : 전북대학교 석사  (생물학)
○  2006 ~ 2010 : 전북대학교 박사  (생물학)
 
3. 경력사항
○ 2004 ~ 2005 : 한국생명공학연구원, 연구원
○ 2005 ~ 2006 : 숙명여자대학교, 연구원
○ 2010 ~ 2012 : 충남대학교 분석과학기술대학원, Post-Doctoral fellow

4. 주요연구업적

1. Young-Woock Noh, Seong-Ho Kong, Doo-Yeol Choi, Hye Sun Park, Han-Kwang Yang, Hyuk-Joon Lee, Hee Chan Kim, Keon Wook Kang, Moon-Hee Sung, and Yong Taik Lim*, "Near-Infrared Emitting Polymer Nanogels for Efficient Sentinel Lymph Node Mapping", ACS Nano in press

2. Ji Hyun Kim, Young-Woock Noh1, Min Beom Heo, Mi Young Cho and Yong Taik Lim*, "Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Biomolecules and Enhanced Antitumor Immunity", Angewandte Chemie International Edition in press (1: co-first author in this paper)

3. Hyun Min Kim, Young-Woock Noh1, Hye Sun Park, Mi Young Cho, Kwan Soo Hong, Hyunseung Lee, Da Hye Shin, Jongeun Kang, Moon-Hee Sung, Haryoung Poo, and Yong Taik Lim*, "Self-Fluorescence of Chemically Crosslinked MRI Nanoprobes to Enable Multimodal Imaging of Therapeutic Cells, Small, 2012, 8(5), 666-670. (1: co-first author in this paper)

 

 

posted by 글쓴이 과학이야기

간은 체내의 대사활동이 정상적으로 이루어지도록 지휘하는 역할을 하는데, 이를 위해 소량의 지방을 축적합니다.

그러나 비만으로 간에 지방이 크게 축적되면, 지방간에 이르게 됩니다.

하지만 지금까지 대사증후군에서 간의 지방축적이 과도하게 일어나는 원인이 충분히 밝혀지지 않았고, 특히 서구화된 고지방 식품 섭취가 지방간에 어떠한 영향을 미치는지를 명확히 설명하기에는 한계가 있었습니다.

이런 가운데 비만과 당뇨, 고혈압, 고지혈증 등 대사증후군이 급격히 증가하면서 현대인의 건강을 크게 위협하고 있습니다.

세계 인구 5명 중 1명이 대사증후군일 정도로 이는 사회적, 의료적인 문제가 되고 있고, 이를 방치하면 심뇌혈관 질환 등의 부작용이 발생해 사망에 이를 수 있습니다.

특히 대사증후군에 흔히 동반되는 간지방증(비알콜성 지방간)은 당뇨병의 위험을 증가시키거나 간염과 간경변증 등 심각한 간 질환으로 이어질 수 있어 예방과 치료를 위해 집중적으로 연구되고 있습니다. 

연세의대 김재우 교수(45세, 교신저자)와 이유정 박사(제1저자)가 만성적인 대사 장애와 함께 나타나는 비알콜성 지방간에서만 지방 축적을 촉진하는 효소(MGAT1, 엠겟원)를 발견했습니다.

이에 따라 향후 비알콜성 지방간뿐만 아니라 대사증후군도 동시에 완화할 수 있는 치료법 개발에 단초가 열였습니다.

MGAT1(모노아실 글리세롤 아실 트랜스퍼라제, monoacylglycerol acyltransferase)은 간에 중성지방이 축적되는 정상적인 경로와는 달리 모노아실 글리세롤에서 직접 중성지방을 합성하는 효소입니다.

연구팀은 MGAT1이라는 효소가 지방간에서만 유독 과도하게 발현된다는 사실을 동물실험으로 밝혀냈습니다.
 
특히 MGAT1이 정상적인 간에는 거의 나타나지 않지만, 지방간이 유발되면 이 효소로 지방 축적이 크게 증가함을 규명하였습니다.

또한 아데노바이러스 기법으로 이 효소의 발현을 억제하면, 식이에 의한 지방간이 크게 완화됨도 확인했습니다.

아울러 고지방 식이를 하면 파파감마라 불리는 핵수용체 감마형 PPAR에 의해 MGAT1이 증가된다는 것도 확인했습니다.

즉, 고지방 식품을 섭취하면 감마형 PPAR에 의해 MGAT1이 증가하여 지방간의 지방축적을 촉진할 수 있다는 것입니다.

연구팀은 MGAT1을 억제하면 혈당조절기능이 개선되고 체중도 감소하는 것을 동물실험으로 관찰하여, 향후 이 효소를 억제하면 지방간을 감소시키면서 동시에 대사증후군도 완화시킬 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

MGAT1 억제에 의해 간의 지방축적(흰색 방울 모양)이 현저히 감소함을 보여주는 현미경 사진

이번 연구는 지방간과 관련된 기존의 연구가 탄수화물 대사와 연결된 지방산 합성에만 집중되었음에 반해 고지방 식이의 경우에는 중성지방의 합성 경로(MGAT1 효소 포함)가 크게 작용함을 새롭게 밝혔냈습니다.

또 정상적인 간에는 존재하지 않지만 비알콜성 지방간에서만 유독 발현되는 효소(MGAT1)를 발굴하여, 향후 효과적인 치료제 개발에 기반을 마련했습니다.

이를 토대로 정상적인 간의 기능과 체내 대사에 영향을 주지 않으면서 과도한 지방의 축적을 억제할 수 있게 될 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구는 '미국립과학원회보(PNAS)' 8월 21일자에 게재되었습니다.
(논문명: Nuclear receptor PPARγ-regulated monoacylglycerol O-acyltransferase 1 (MGAT1) expression is responsible for the lipid accumulation in diet-induced hepatic steatosis)


 

<연 구 개 요>

Nuclear receptor PPARγ-regulated monoacylglycerol O-acyltransferase 1 (MGAT1) expression is responsible for the lipid accumulation in diet-induced hepatic steatosis
Yoo Jeong Lee, Eun Hee Ko, Ji Eun Kim, Eunha Kim, Hyemin Lee, Hyeonjin Choi, Jung Hwan Yu, Hyo Jung Kim, Je-Kyung Seong, Kyung-Sup Kim, and Jae-woo Kim
(PNAS, 2012.08.21 vol. 109, no. 34, pp13656-13661)
이유정, 고은희, 김지은, 김은하, 이혜민, 최현진, 유정환, 김효정, 성제경, 김경섭, 김재우
Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America,
109(34) 13656-13661, Aug 21, 2012


I. 서   론
 
 대사증후군은 복부비만, 고지혈증, 고혈압, 간지방증, 고혈당(당뇨병) 등이 함께 동반되는 질병으로 그 발병 빈도가 급격히 증가하고 있다.
흔히 "성인병"으로 알려진 이들 질병이 서로 연관되어 있음을 인지하고 이를 "대사증후군"이라 명명하였으며, 전 인구의 5명 중 1명이 적어도 두 개 이상의 요소를 앓고 있을 정도로 사회적, 의료적으로 큰 문제가 되고 있다.
대사증후군은 방치할 경우 심혈관이나 뇌질환을 비롯한 각종 합병증으로 결국 사망에 이르게 된다.

 
대사증후군에서 흔히 발견되는 비알콜성 지방간 질환은 간에 과도한 지방이 축적되는 병이며, 이는 대사증후군의 발병과 악화에 관여한다고 알려져 있다.
또한 지방간이 지속되면 지방간염이나 간경변증 등 돌이킬 수 없는 간 손상을 유발할 수도 있기 때문에 지방간의 원인과 치료에 많은 연구가 집중되어 왔다.
그 결과로 간에서 지방을 축적하는 경로가 밝혀졌고, 그 경로를 조절하는 대표적인 전사인자로서 sterol regulatory element-binding protein 1c (SREBP1c)와 carbohydrate responsive element-binding protein(ChREBP)가 소개되었다. 이들 전사인자는 지방대사에 관여되는 각종 효소들의 발현을 유전자 수준에서 증가시켜 지방 축적을 증가시키게 된다.

간은 체내 대사를 총괄하는 중심 장기이며, 체내 지방대사의 센터인 만큼, 간 자체에도 지방을 소량 저장할 수 있다. 물론 체내에서 가장 큰 지방 저장고는 지방조직이며, 비만은 주로 지방세포의 수가 증가하거나 커지는 것에 의한다. 비만이 유발되면 체내의 전체 지방 총량이 증가하기 때문에 간에서도 지방 저장이 증가하게 되며, 이것이 바로 지방간의 원인이라 생각되고 있다.

 
지방간에서 축적되는 중성지방은 글리세롤에 지방산이 3개가 결합된 모양을 가지고 있다. 간에서 중성지방이 축적되는 경로는 3가지로 나눌 수 있다.
첫째는 지방산의 합성 경로, 둘째는 지방산의 세포내 수송 경로, 셋째는 지방산과 글리세롤로부터 중성지방의 합성 경로이다. 그런데, 앞서 말한 SREBP1c와 ChREBP는 주로 지방산의 합성 경로의 효소들을 주로 발현시킨다.
앞서 말한 세 가지 경로 중 지방산의 합성은 탄수화물로부터 지방산이 합성되는 것을 의미하기 때문에, 서구화된 식이로부터 발병하는 고지방 섭취형 지방간을 설명하기에는 한계가 있다.
이미 체내에서 섭취한 지방산의 양이 증가한 경우에는 지방산 합성 경로가 큰 기여를 하지 못할 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고 과거 이삼십년 이상 간지방증은 SREBP1c나 ChREBP를 주축으로 설명되어 왔다.

  위 두 전사인자가 정상적으로 간에 존재하는 것에 반해, 또 다른 전사인자인 PPARγ는 정상적인 간에는 존재하지 않기 때문에 몇 년 전까지만 해도 간지방증 연구에서 거의 무시되어 왔다.
PPARγ는 원래 지방조직에서 지방 축적을 진두지휘하는 전사인자이다.
그런데, 이 전사인자가 지방간에서 발견되고 역할을 한다는 사실이 최근 몇 년 사이에 대두되었다.
또한 PPARγ가 간에서 증가할 경우 (원래 간에는 없고 지방조직에 많은) 지방세포 특이 유전자들이 간에도 발현된다는 사실이 밝혀졌다.
이들 결과는 PPARγ가 실제로 임상에서 발견되는 지방간에 더 중요할지도 모른다는 근거를 제시하고 있다.
그러나 지방간과 PPARγ의 연관성 연구는 두 가지 측면에서 제한점을 가지고 있었다.
첫째는 PPARγ 관련 연구가 유전자 변형 동물(genetically modified animal)에서 주로 이루어져 실제로 자연스런 지방간 모델에서 이루어지지 못했고, 둘째는 이들 연구가 PPARγ의 주된 활동 장소인 지방조직의 영향을 거의 배제하지 못했다는 점이다.

 
본 연구팀은 마우스의 여러 종에서 대사 질환의 차이를 연구하던 중, 마우스의 어떤 종(C3H 마우스)에서는 고지방 식이를 해도 지방간이 유발되지 않음을 발견하였다.
이 모델의 특성을 이용하여 위에 설명한 "지방간과 PPARγ의 관련성"을 자연적인 모델에서 입증할 수 있었으며, 나아가 PPARγ에 의해 발현되는 유전자 분석을 통해 MGAT1이라는 유전자의 새로운 기능을 규명하게 되었다.

 
II. 본   론

1) PPARγ가 고지방 식이 후의 지방간 발병에 중요함을 입증한 결과

마우스에 고지방 식이를 하면 살이 찌게 되고 혈당에 이상이 오며 지방간이 유발되기 때문에 당뇨/비만 연구 모델로 널리 이용되고 있다. 실험에 이용되는 여러 가지 마우스 종(species) 중에서 보통 C57BL/6(B6 마우스라 부름)가 가장 비만과 당뇨가 잘 유발되는 것으로 알려졌다.
그 후 B6 마우스와는 다른 반응을 보이는 다른 종에서 왜 식이에 다른 반응을 보이는지에 대한 연구가 산발적으로 이루어졌다.

 
본 연구의 기초가 된 것은 B6 마우스와 C3H 마우스의 대사 반응과 질병 유발의 차이를 발견한 것이다. 고지방식이(high fat diet, HF)를 하였을 때 C3H 마우스에서는 B6와 달리 비만에 의한 고혈당 현상이 일어나지 않고, 지방간이 나타나지 않았다.
C3H의 체중 증가는 내장지방보다는 주로 피하지방의 증가에 의한 것으로 보였기 때문에 C3H 마우스는 임상에서 비만이지만 대사적으로 위험하지 않은 마우스 모델이라 할 수 있다는 새로운 대사질환 마우스 모델을 제시하게 되었다.

 
두 마우스 종간의 가장 커다란 분자적 차이는 C3H mice의 간에서 PPARγ가 발현되지 않는다는 것이며, 이에 의해 지방간 발병 여부가 달라지는 것으로 생각되었다. (Fig. 1 설명 참조)

그림에서 A는 B6와 C3H에서 모두 고지방 식이를 하면 체중이 상당히 증가하는 결과를 보여주고 있다.
그러나 B에서 보듯이 C3H는 고도 비만에도 불구하고 혈당이 정상으로 유지되고 있다.
C와 D에서 보듯이 C3H는 간에 지방 축적이 없다(이 그림에서 지방은 빨간 색으로 염색되어 있음). E에서 B6 마우스는 지방간과 함께 PPARγ 발현이 매우 증가하지만, C3H 마우스는 PPARγ 발현이 전혀 보이지 않고 있다.

그 이후로 PPARγ가 발현되지 않는 C3H 마우스에 PPARγ를 발현시키면 지방간이 유발되는지를 확인하였고, PPARγ를 발현할 수 있는 아데노바이러스를 제조하여, 이를 마우스의 꼬리정맥으로 주입하고 그 결과를 관찰하는 실험도 시행하였다.
간에 PPARγ를 과발현한 경우 타겟 유전자인 aP2/422, CD36, ADRP와 같은 유전자들의 발현이 관찰된 것은 기존 발표된 연구와 상응하였다.
이들 유전자는 원래 간에 발현하지 않고 지방세포에 발현되는 유전자이나, PPARγ에 의해 간에서 발현되는 것으로 알려졌다.
또한 이들 유전자의 발현과 함께 간에서 지방 축적이 매우 높은 수준으로 증가하고 있음을 밝혀, PPARγ가 지방간의 발생에 핵심 역할을 한다는 것을 직접적으로 증명하였다.

2) 지방간에서 MGAT1이 발현됨을 규명한 결과

위 모델에서 간의 지방 축적의 차이를 직접 분석하기 위해서 mRNA microarray를 실시하고, 이에 따라 지방 축적에 영향을 미치는 유전자를 (1) 지방산 합성 경로, (2) 지방산 수송, (3) 중성지방의 합성 경로에 따라 분류하여 그 발현 정도를 분석하였다.
이렇게 하여 B6 마우스에서 지방 축적이 크게 증가하는, 혹은 C3H 마우스에서 지방 축적이 잘 되지 않는 원인이 되는 유전자를 파악하려 하였다.
 

 


위 표에서 분석한 결과 SREBP-1c에 의해 조절되는 지방산 합성 유전자들보다는 지방산 수송이나 중성지방 합성에 관여하는 몇 가지 유전자의 증가가 관찰되었다.
이 중에서 MGAT1은 간 지방증에서의 역할이 거의 알려져 있지 않은 신규 타겟 유전자로 생각되어 연구를 집중하게 되었다.
그 결과, MGAT1은 PPARγ 전사인자에 의해 발현되는 것으로 밝혀졌다. PPARγ의 과발현시에 MGAT1의 발현이 증가하였고, MGAT1이 PPARγ의 새로운 타겟 유전자임을 증명하기 위해 promoter assay를 시행하여 MGAT1의 promoter 상에 PPRE가 존재하여 PPARγ가 활성을 조절함을 밝혔다.
또한 EMSA와 ChIP assay를 통해 MGAT1은 PPARγ의 직접 조절 유전자임을 새롭게 밝혔다. 이런 실험들은 모두 전사인자와 그에 의한 조절 유전자의 직접 연관성을 증명할 때 반드시 보여야 하는 결과들이다.
모두 MGAT1이 PPARγ에 의해 직접 조절된다는 사실로 요약할 수 있으며, 본 연구팀이 최초로 밝힌 사실이다.
이 결과로 인해 지방간에서 (1) MGAT1의 중요성, (2) 중성지방 합성경로의 중요성, (3) PPARγ의 중요성이 서로 연관성을 가지면서 각각 증명된 셈이다. 더구나, MGAT1과 PPARγ는 정상적인 간에는 발현이 되지 않는다는 사실도 규명하였다. (Fig. 3 설명 참고)


그림에 보여주는 결과는 모두 MGAT1이 PPARγ에 의해 직접적으로 조절됨을 증명하고 있다. 특기할 만한 사실은 그림의 A에서 보여지듯이 MGAT1이 "정상적인 간에서는 거의 발현이 없다"라는 사실이다.
지방간이 없는 C3H 마우스는 물론이고, B6 마우스에서도 정상에서는 MGAT1의 발현이 없다. 그러나 B6 마우스의 고지방식이(HFD)-지방간에서는 MGAT1이 크게 증가한다.
이 결과로 고지방식이-PPARγ-MGAT1이 모두 연결되어 있음을 증명하였다.

3) MGAT1을 억제하는 경우 지방간이 감소함을 규명한 결과

MGAT1을 억제하는 경우 지방간을 감소시킬 것으로 예상하고 MGAT1의 발현을 억제할 수 있는 아데노바이러스-shRNA 시스템을 셋업하였으며, 다음과 같이 3가지의 모델에서 이를 조사하였다.
(1) PPARγ의 과발현에 의한 지방간 모델, (2) 고지방 식이에 의해 발생한 지방간 모델, (3) 유전적으로 비만이 초래된 ob/ob mice의 지방간 모델에서 그 억제 효과를 관찰하였다.

 
그 결과, 3가지 모델에서 모두 MGAT1을 억제하였을 때 지방간이 드라마틱하게 감소하였다.
이는 MGAT1이 고지방 식이에 의한 지방간 발생을 억제할 수 있는 새로운 치료 타겟이 될 수 있음을 의미하는 매우 중요한 결과이다.
또한 혈당조절 역시 개선되었음을 포도당 부하 검사 결과로 확인할 수 있었고, 체중도 감소함을 보였다. (Fig. 6 설명 참조)

그림에서 A는 실험 모델을 설명한다.
12주 동안 고지방식이를 하여 비만/당뇨/지방간을 유발해 놓고, 여기에 MGAT1 억제바이러스를 주입한 후 1주일 후 쥐를 희생하여 실험하였다.
C에서 보듯이 간의 지방축적(하얀 방울로 보임)이 많이 감소하였다. F는 체중도 감소함을 보여주고 있고, G는 혈당조절도 개선됨을 보여주고 있다.
비슷한 실험 결과를 ob/ob 마우스에서도 얻을 수 있었다. 이는 모두 MGAT1 억제의 지방간 치료 효과를 보여주고 있다.

4) 결과의 요약과 지방간의 메커니즘의 설명

본 논문에서는 이 결과를 바탕으로 고지방식이에 따른 지방간의 메커니즘을 제시하였다. 즉, 정상적인 간에서는 SREBP와 ChREBP가 작용하고, 이들은 생리적 범위 내에서 지방 합성 및 지방 축적을 하게 된다.
특히 탄수화물을 지방산으로 변화시켜 간의 지방 축적을 담당하게 된다. 그러나 이들 전사인자들이 조절하는 지방 대사 경로는 적어도 고지방식이에 의한 지방간에서는 큰 역할을 하지 못하는 것으로 보인다.

고지방식이로 체내에 지방산이 증가한 상황에서는 (정상 간에서 없는) PPARγ의 발현이 증가하게 되며, 이로 인해 지방산 수송 및 중성지방 합성 경로가 증가하는 것으로 생각된다.
중성지방 합성은 정상적으로는 발현이 없는 MGAT1이 크게 증가하기 때문이라고 보이며, 따라서 이 효소가 치료를 위한 주 타겟이 될 수 있을 것으로 전망할 수 있다. (Fig. 7 설명 참조)

그림에서 중앙에 그려진 GPAT, AGPAT, DGAT은 간의 정상 기능을 위해 존재하는 "클래식 중성지방합성 경로"이다. (아직 더 증명을 해야 하지만) 이 클래식 경로는 지방간이 되었을 때도 기능이 크게 증가하는 것 같지는 않다.
고지방식이를 했을 때는 PPARγ가 증가하여 (그림에서 핵-nucleus- 내에서) 여러 유전자의 발현을 증가시키는데, 이 중에 MGAT1은 "대용적(alternative) 중성지방합성 경로"를 증가시키게 된다.
바로 이 대용적 경로가 증가하는 것이 고지방식이에 의한 지방축적 증가의 근본적인 원인이라 생각된다.
따라서 MGAT1을 억제하게 되면 이런 대용적 경로를 원천 차단하게 되어 중성지방 합성을 감소할 수 있게 되는 것으로 생각된다.

 

III. 결   론

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 서구화된 식생활과 유사한 고지방식이에서 초래되는 지방간에서는 기존에 알려진 지방산 합성과정보다는 지방산 수송이나 중성지방 합성 경로가 더 큰 기여를 하며, 이 경로는 PPARγ에 의해 촉진된다.
둘째, PPARγ는 정상적으로는 간에 발현이 미약하지만, 고지방식이에 의해 활성화되어 지방 축적과 관련된 여러 유전자의 발현을 유도한다.
셋째, PPARγ는 알려진 몇 가지 유전자와 함께 MGAT1의 발현을 증가시키며, MGAT1은 중성지방 합성을 크게 촉진시킨다. 넷째, MGAT1을 억제하였을 때 지방간 모델에서 중성지방의 축적이 크게 감소하는 치료 효과를 보였다.

따라서 결론적으로 본 연구에서 아직까지 알려지지 않았던 지방간 질병에서의 지방대사 경로를 제시하였고, 그 경로가 매우 훌륭한 치료 타겟이 될 수 있음을 증명한 것이 본 연구의 핵심이라 하겠다.



 용   어   설   명


비알콜성 지방간 질환(NAFLD)
간에 지방이 과도하게 축적되는 것을 지방간(fatty liver) 혹은 간 지방증(hepatic steatosis)이라고 한다.
지방간의 큰 원인 중의 하나는 알콜 섭취인데, 이 경우는 임상적, 병리학적으로 구분할 수 있어 이를 알콜성 지방간이라 하며, 나머지 경우를 비알콜성 지방간으로 정의하였다.
비알콜성 지방간의 가장 큰 원인은 대사증후군이다. 간지방증(hepatic steatosis)이 지속되면 지방간염(steatohepatitis)으로 발전되고, 더 진행되면 간경변증(liver cirrhosis, 흔히 간경화증이라고도 하나 잘못된 용어임)이 되기도 하여 이 세 가지를 묶어 비알콜성 지방간 질환 [non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD)]라고 부른다.

중성지방 (triacylglycerol 혹은 triglyceride)
생명체가 함유한 지방은 매우 다양한 종류가 있으나, 임상적으로 주로 관심의 초점이 되는 것은 "중성지방"과 "콜레스테롤"이다.
중성지방은 글리세롤(glycerol) 한 분자에 지방산(fatty acid) 3분자가 결합된 모양을 가지고 있어서 tri-(3개를 의미) acyl-(지방산결합을 의미) glycerol(글리세롤)이라 부른다.
중성지방은 우리 몸에서 에너지원으로서의 지방을 저장하는 기본 형태이다.
섭취한 지방은 주로 지방조직에 중성지방의 형태로 저장되며, 필요할 때에는 중성지방에 붙어있는 3개의 지방산을 분리하고, 지방산은 미토콘드리아에서 지방산 산화를 거쳐 에너지인 ATP를 만들게 된다.

전사인자(transcription factor)
우리 몸에서 기능하는 단백질들은 유전자 발현을 통해 만들어진다.
유전 정보의 흐름은 DNA(유전자)-mRNA-단백질로 연결된다는 것이 잘 알려진 사실이다.
각 유전자에는 유전자에서 mRNA(messenger RNA)를 만들 것인지를 실질적으로 조절하는 부위가 있는데, 이를 프로모터(promoter)라 한다.
이 프로모터에 결합해서 유전자 발현을 조절하는 것이 전사인자이다.
요약하면, 어떤 필요에 의해 (1) 전사인자가 유전자 프로모터에 결합하고 (2) mRNA을 많이 만들고 (3) 단백질이 많이 합성되어 (4) 세포의 기능이 변하게 되는 것이다.
하나의 전사인자 발현이 여러 단백질의 발현을 이끌어 세포의 기능 방향을 결정할 수 있기 때문에 최근 이삼십년 동안 전사인자의 발굴과 규명에 많은 연구가 집중되었다.

아데노바이러스 기법(adenovirus technique)
바이러스를 이용한 유전자 치료에는 여러 가지 바이러스를 이용할 수 있는데, 이 중에서 아데노바이러스는 세포 내 전달 효율이 높고 농축된 바이러스를 만들 수 있는 등 장점이 있어 실험적으로 많이 이용한다.
특히 마우스에서는 아데노바이러스가 대부분 간에 전달되기 때문에 간을 대상으로 하는 연구에 큰 장점이 있다.
아데노바이러스의 유전자를 연구에 필요한 유전자로 대체하여 바이러스를 만든 다음 마우스의 꼬리정맥으로 투여하게 되며, 삽입하는 유전자의 종류에 따라 어떤 유전자를 과발현할 수도 있고 유전자 발현을 억제할 수도 있다.

PNAS (Proceedings of the National Academy of Science of USA)
미국국립과학원회보. 미국의 국립과학원(National Academy of Science, NAS)에서는 각 분야 저명한 과학자들(물리, 화학, 지구과학, 생물학 등 모두 포함)을 NAS 멤버로 선정하고 있으며, 이들의 연구결과를 발표하는 회보(Proceedings)로 출발하였다. NAS 멤버가 아닌 경우에도 논문을 실을 수 있는데 이런 경우를 "direct submission"이라 하여 논문 심사가 까다롭고 게재승인 받기 매우 어려운 것으로 정평이 나 있다. (Impact factor : 9.681)

 

 

<김재우 교수>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실
 
2. 학력
 ○ 1992 : 연세대학교 의과대학 의학과 졸업
 ○ 1995 : 연세대학교 의과대학 의학과 석사
 ○ 1998 : 연세대학교 의과대학 의학과 박사
 
3. 경력사항
 ○ 1992-1993 : 연세의료원 세브란스병원 인턴
 ○ 1993-1998 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 조교/강사
 ○ 1998-2001 : 국군서울지구병원 군의관 대위 근무, 연구실장
 ○ 2001-2003 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 전임강사
 ○ 2003-2008 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 조교수
 ○ 2004-2006 : 미국 존스홉킨스 의과대학 연구원
 ○ 2008-현재 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 부교수
 ○ 2008-현재 : 연세대학교 대학원 WCU 의생명과학과 부교수 (겸임)

4. 주요연구업적

Lee YJ, Ko EH, Kim JE, Kim E, Lee H, Choi H, Yu JH, Kim HJ, Seong JK, Kim KS, Kim JW. Nuclear receptor PPARγ-regulated monoacylglycerol O-acyltransferase 1 (MGAT1) expression is responsible for the lipid accumulation in diet-induced hepatic steatosis. Proc Natl Acad Sci U S A Published online before print Aug 6, 2012, doi: 10.1073/pnas.1203218109

Lee H, Lee YJ, Choi H, Ko EH, Kim JW. Reactive oxygen species facilitate adipocyte differentiation by accelerating mitotic clonal expansion. J Biol Chem 284:10601-10609, 2009

Kim JW, Tang QQ, Li X, Lane MD. Effect of Phosphorylation and S-S Bond-induced Dimerization on DNA Binding and Transcriptional Activation by C/EBPβ. Proc Natl Acad Sci U S A 104: 1800-1804, 2007

Kim JW, Molina H, Pandey A, Lane MD. Upstream Stimulatory Factors Regulate the C/EBPα Gene During Differentiation of 3T3-L1 Preadipocytes. Biochem Biophys Res Commun 354: 517-521, 2007

Park SK, Oh SY, Lee MY, Yoon S, Kim KS, Kim JW. CCAAT/Enhancer Binding Protein and Nuclear Factor-Y Regulate Adiponectin Gene Expression in Adipose Tissue. Diabetes 53: 2757-2766, 2004

<이유정 박사>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실

2. 학력
 ○ 1999 : 인제대학교 미생물학과 졸업
 ○ 2011 : 연세대학교 의과대학 의과학과 박사
 
3. 경력사항
 ○ 2011-현재 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 박사후연구원

4. 주요연구업적

Lee YJ, Ko EH, Kim JE, Kim E, Lee H, Choi H, Yu JH, Kim HJ, Seong JK, Kim KS, Kim JW. Nuclear receptor PPARγ-regulated monoacylglycerol O-acyltransferase 1 (MGAT1) expression is responsible for the lipid accumulation in diet-induced hepatic steatosis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012
( in press)

Jung HS, Lee YJ, Kim YH, Paik S, Kim JW, Lee JW. Peroxisome Proliferator-Activated Receptor Gamma/Signal Transducers and Activators of Transcription 5A Pathway Plays a Key Factor in Adipogenesis of Human Bone Marrow-Derived Stromal Cells and 3T3-L1 Preadipocytes
Stem Cells and Development. February 10, 2012, 21(3): 465-475.

Lee H, Lee YJ, Choi H, Ko EH, Kim JW. Reactive Oxygen Species Facilitate Adipocyte Differentiation by Accelerating Mitotic Clonal Expansion. The Journal of biological chemistry. 2009 April 17; 284(16): 10601?10609

Koh YK, Lee MY, Kim JW, Kim M, Moon JS, Lee YJ, Ahn YH, Kim KS. Lipin1 is a key factor for the maturation and maintenance of adipocytes in the regulatory network with CCAAT/enhancer-binding protein alpha and peroxisome proliferator-activated receptor gamma 2. The Journal of biological chemistry. 2008 Dec 12;283(50):34896-906

 

 

posted by 글쓴이 과학이야기

지난해 말부터 소장 공백으로 어려움을 겪던 국가수리과학연구소가 새 수장을 영입했습니다.

기초과학연구원(IBS)는 최근 이사회를 열고 신임 국가수리과학연구소장에 김동수(52) KAIST 교수를 선임했습니다.

신임 김 소장은 서울대 수학과를 거쳐 미국 미네소타대에서 박사학위를 받은 뒤 KAIST 교수로 부임, 수리과학과 학과장과 자연과학대학장 등을 역임하며 과학적 소양과 행정 경험을 두루 갖췄다는 평가를 받고 있습니다.

이에 따라 수리연은 국가 수학연구 중심기관으로 역할을 수행할 수 있도록 역할과 기능을 개편하고 발전방향을 모색할 전망입니다.

한편 수리연은 지난해 10월 전임 소장의 중도 하차로 운영에 난항을 겪다가 지난달 기초과학지원연구원에서 IBS 부설기관으로 이관된 후 재기의 틀을 마련하고 있습니다.

posted by 글쓴이 과학이야기
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