비만 유발하는 유전자 비밀 풀다

만병의 근원으로 알려진 비만은 과다한 지방세포의 분화와 에너지의 과잉공급으로 유발되는 하나의 질병으로, 고혈압이나 고지혈증, 동맥경화, 심장질환과 같은 성인병으로 발전될 수 있기 때문에 지방세포 분화에 대한 과학자들의 관심이 매우 높습니다.

지방세포 분화는 지방세포 분화에 필요한 유전자가 적당한 시기에 정확한 양을 발현함으로써 일어나는 일련의 정교한 과정입니다.

이 때 유전물질의 발현은 중심원리에 의해 이루어지는데 이는 유전물질인 DNA가 mRNA라는 전달물질로 전사된 뒤, 이 mRNA는 다시 단백질로 번역됨으로써 유전자가 발현되는 원리입니다.

■ 고려대 김윤기 교수팀은 지방세포 분화 과정을 조절하는 원리를 밝히고, 지방세포 분화를 막아 궁극적으로 비만을 억제할 수 있음을 규명했습니다.

이전까지 연구에서는 지방세포 분화에 관한 연구가 DNA 수준에서 전사단계 조절에만 집중되어 왔습니다.

하지만 연구팀은 지방세포 분화 조절이 mRNA 단계에서도 조절된다는 것을 밝혀냈습니다.

이로써 지방세포 분화에 대한 새로운 메커니즘 발견으로 비만 질환 연구에 새로운 정보들을 제공할 수 있게 되었습니다.

세포에는 mRNA양을 조절하는 중요한 작용기전인 SMD(Staufen1-mediated mRNA decay)가 있습니다.

SMD는 단백질(Staufen1)이 특정 mRNA에 붙어 이를 빠르게 제거하여 mRNA의 양을 조절하는 원리로, 김 교수가 지난 2005년에 처음으로 밝혀낸 작용기전입니다.('Cell'지, 제1저자).

그러나 SMD가 구체적으로 어떻게 작용하고 어떤 생물학적 의미를 갖는지 알려진 바가 없었습니다. 

연구팀은 SMD가 지방세포 분화 과정에서 중요한 역할을 하는 유전자인 'KLF2'의 mRNA의 안정성에 관여함으로써, 지방세포 분화 과정을 조절한다는 것을 최초로 밝혔냈습니다.

SMD에서 중요한 역할을 하는 단백질(Staufen1, PNRC2)을 없애면, 지방세포 분화를 막는 단백질(KLF2)이 늘어나, 지방세포 분화가 억제됨도 관찰했습니다.

이번 연구은 고려대 김윤기 교수와 조하나 박사과정생(제1저자)이 주도하고, 강원대 최선심 교수팀이 참여했습니다.

연구결과는 세계 최고 권위의 생명과학전문지 '셀(Cell)'의 자매지인 '분자세포(Molecular Cell)'지에 온라인 속보(4월 12일자)로 게재되었습니다.
(논문명 : Staufen1-mediated mRNA decay functions in adipogenesis)

전구지방세포는 KLF2 mRNA에 의해 지방세포로의 분화가 억제되어 있다. 분화과정동안 Stau1 단백질이 KLF2 mRNA에 결합하고, SMD를 통해 KLF2 mRNA를 제거한다. 그 결과 지방세포로의 분화를 촉진시킨다.

 

<연 구 개 요> 세포는 DNA로 구성된 유전물질을 가지고 있다. 이러한 유전물질은 전사작용을 통해 mRNA를 만들고, 다시 mRNA는 번역기전을 통해 단백질을 만든다. 이러한 일련의 과정을 통해 세포는 필요한 단백질을 만들게 된다. 따라서 세포가 적절한 시점에 정확한 양의 유전물질을 만드는 것은 세포 활동에서 매우 중요한 일이다.   지방세포 분화에 관한 지금까지의 연구들은 DNA 수준에서 전사단계가 어떻게 조절되는가에 초점을 맞추어 진행되었다. 그러나 본 연구에서는 지방세포 분화 조절이 DNA 수준에서만 이루어지는 것이 아니라, 전사 후 mRNA 단계에서도 조절될 수 있음을 규명하였다. 구체적으로 세포내에는 mRNA의 안정성을 조절하는 중요한 기전인 SMD (Staufen1-mediated mRNA decay)가 있다. SMD는 Staufen1 (Stau1)이라는 단백질이 특정 mRNA에 붙어서 mRNA를 빨리 제거하는 기전으로서 2005년 Cell지에 작용 기전이 발표된 바 있다. 그러나 SMD의 구체적인 작용 기전 및 생물학적 의미에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다.  본 연구에서는 SMD라는 기작이 mRNA를 어떻게 제거하는지에 관한 작용기전을 규명하였다. 특히 본 연구진이 2009년 Molecular Cell지에 발표한 바 있는 PNRC2라는 단백질이 SMD가 일어나는데 필요하다는 사실을 밝혀냈다. 또한 본 연구에서는 SMD가 지방세포 분화과정을 조절한다는 중요한 사실을 알아냈다. SMD에서 중요한 역할을 하는 PNRC2와 Stau1을 제거하면 지방세포 분화를 억제하는 요소인 KLF2가 증가하고, 그 결과 지방세포 분화가 억제되는 것을 관찰하였다. 특히 KLF2 mRNA는 Stau1에 결합함으로써 SMD의 표적 mRNA임을 새롭게 알게 되었다. 이를 통해 연구팀은 SMD를 통해 KLF2라는 지방세포 분화 억제단백질의 발현을 mRNA 수준에서 조절함으로써 지방세포 분화가 조절된다는 것을 증명하였다.

 용  어  설  명

지방세포 분화 (Adipogenesis) :
전구지방세포(비만세포로서의 형질을 나타내는 미분화의 세포)가 지방세포로 변하는 세포분화 과정을 일컫는다.
지방세포는 저장 기능과 내분비세포로서의 역할을 하는 등 매우 중요한 역할을 한다.
체내 에너지 항상성 유지를 위한 다양한 기능을 수행하는 지방세포는 오랫동안 단순한 에너지 저장 조직으로만 여겨져 왔다.
최근 들어 에너지 균형과 비만을 포함한 대사성 질환에 관심이 많아지면서 지방세포와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다.
WHO는 비만이 과다한 지방세포의 분화와 불균형적인 에너지의 과잉공급에 의해 유발되는 하나의 질병이라고 발표하였으며 고혈압, 고지질증, 동맥경화, 심장질환 및 인슐린 비의존성 제2형 당뇨병과 같은 성인병으로 발전 가능성이 있기 때문에 지방세포 분화에 대한 지속적인 관심이 필요하다.
 
SMD (Staufen1-mediated mRNA decay) :
특정 mRNA가 Staufen1 (Stau1) 단백질과 결합할 경우, Stau1 단백질이 mRNA 제거 단백질들을 끌어와서 결합 mRNA를 빠르게 제거하게 된다.
SMD를 일으키기 위해서는 Stau1, Upf1, PNRC2 단백질 등이 필요한 것으로 알려졌다.

mRNA(messenger RNA) :
핵 안에 있는 DNA의 유전정보를 세포질 안의 리보솜에 전달하는 RNA.

전사(transcription) :
DNA를 원본으로 mRNA를 만드는 과정

번역(translation) :
mRNA의 유전정보를 토대로 단백질 생합성을 하는 과정 

<김윤기 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 고려대학교 생명과학부  ○ 전 화 : 02-3290-3410/3919  ○ e-mail : yk-kim@korea.ac.kr 2. 학력 1991~1996   포항공대 생명과학과 (학사) 1996~1998   포항공대 생명과학과 (석사) 1998~2002   포항공대 생명과학과 (박사)   3. 경력사항 2002~2005    미국 로체스터 대학, 박사후 연구원 2005~현재   고려대학교 생명과학대학 생명과학부 조교수/부교수 4. 연구지원 정보 기여도 (%) 지원기관 사업명 과제번호 연구지원 기간 총연구비 (천원) 35 교육과학기술부/한국연구재단 기초연구사업-중견연구자지원사업-핵심 2009-0078061 2009.09.01~2012.02.29 280,000 35 교육과학기술부/한국연구재단 기초연구사업-중견연구자지원사업-핵심(공동) 2009-0084897 2009.09.01~2012.08.31 120,000 30 보건복지부 신종인플루엔자범부처사업 A103001 2011. 07. 01∼ 2012. 10. 31 200,000

<조하나 박사과정생> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 고려대학교 분자세포생물학과   2. 학력   2002 - 2006    서울여자대학교 생명공학과 학사   2006 - 현재    고려대학교 분자세포생물학과 RNA 유전체학 Lab                  석 박사 통합과정   3. 경력사항   2005. 06 - 2005. 12  한국과학기술연구원(KIST) 연수생    4. 수상실적   2009. 09. 17  고려대학교 생명과학대학 최우수 연구자상   2010. 04. 02  고려대학교 생명과학대학 최우수 연구자상   2011. 07. 04  한국RNA학회 감사장