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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)

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posted by 글쓴이 과학이야기

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MRI는 높은 해상도의 실시간 체내 영상을 얻을 수 있는 비침습적 방법으로 임상에서 사용되는 여러 진단 방법중 가장 각광 받는 장치입니다.

MRI 조영제는 영상을 더욱 명확하게 하여 정확한 진단이 가능하게 하고, 관찰하기 힘든 분자 수준의 생명 현상까지 영상화 할 수 있게 합니다.
 
현재 생체 적합성이 높은 산화철 나노입자가 조영제로 사용되고 있지만, 더욱 향상된 조영 효과를 얻기 위해서는 자기적 성질이 기존보다 월등히 우수한 나노입자가 필요합니다.

실제 자연계에서 지구 자기장을 따라 이동하는 자성 박테리아 내부에는 산화철이 가장 강한 자기적 성질을 갖는 40~120nm 사이의 나노입자(마그네토좀, magnetosome)가 발견되고 있지만, 실제 응용이 가능하도록 인공적으로 합성하지는 못하고 있습니다.

그런데 현재보다 훨씬 선명한 조영제를 국내 연구진이 개발, 차세대 MRI 조영제 시장을 주도할 수 있는 길이 열렸습니다.

교육과학기술부와 한국연구재단의 창의적 연구진흥사업을 수행중인 서울대 중견석좌교수인 현택환 교수 연구진과 보건복지부 혁신형 세포치료사업의 지원을 받은 서울대학교병원의 문우경 교수, 박경수 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 강자성 산화철 나노입자를 이용한 단일 세포 수준의 정밀 영상화와 이식된 췌도 세포의 장기간 영상화에 성공했습니다.

문우경 교수

현택환 교수



 현 교수팀은 강자성 산화철 나노입자(FION, ferrimagnetic iron oxide nanoparticle)를 합성 조영제로 활용하여 MRI 영상에서 단일 세포까지 영상화 하고, 이식된 췌도의 기능을 실시간으로 알 수 있다는 사실을 쥐와 돼지 동물실험을 통해 입증했습니다.


산화철이 나타낼 수 있는 최대의 자기적 성질을 갖고 있는 FION은 기존의 상용화된 조영제에 비해 3배 이상의 조영효과를 갖고 있습니다.
 
뿐만 아니라 최근 발표된 다른 T2 조영제에 비해 나노입자 한 개 당 조영효과가 훨씬 우수하고, 체내에 독성을 갖는 망간이나 코발트 이온 등을 포함하지 않아 실제 임상에서 적용 가능성도 매우 높습니다.

FION은 줄기세포, 췌도 등 다양한 세포를 표지 할 수 있을 뿐만 아니라 단일 세포 수준까지 정밀하게 정확히 영상화 할 수 있습니다.

이에 따라 암세포 전이 등 체내에서 일어나는 복잡한 생명현상을 규명하는 중요한 도구가 될 것으로 기대되며, 최근 활발하게 연구되는 줄기세포 등 세포 치료의 실제 임상 적용에도 크게 기여할 수 있을 것으로 전망됩니다.

또 임상에 가까운 연구로, 현재 1형 당뇨의 치료법으로 활용되는 이식된 췌도의 기능을 실시간으로 MRI 영상으로 판독 할 수 있고, 임상과 같은 조건에서 돼지에게 이식된 췌도를 관찰할 수 있습니다.

이번 연구결과는 나노분야의 권위있는 저널인『미국립과학원 회보 (PNAS)』지(誌) 논문으로 2011년 1월 31일 웹에 게재됐습니다.

FION의 합성 및 단일세포/췌도의 MR 영상화


  용   설 

MRI
: 자석으로 구성된 장치에서 인체에 고주파를 쏘아 인체에서 신호가 발산되면 이를 되받아서 디지털 정보로 변환하여 영상화하는 것을 말한다. MRI는 인체에 해가 없으면서, CT나 PET에 비해 선명한 체내 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다. 뿐만아니라 환자 자세의 변화없이 다양한 방향의 영상을 얻을 수 있다.

조영제
: 방사선 촬영시 조직을 더 명확하게 나오도록 신호를 변환시켜주는 물질

췌도
:  이자에 존재하는 기관으로 알파세포, 베타세포, 감마세포등으로 구성되어 있다. 췌도를 이루는 세포의 대다수를 이루는 베타세포에서는 인슐린을 분비하며 당뇨등의 질환과 매우 밀접한 관련이 있다.

비침습
: 수술이나 시술등의 방법 없이 내부를 관찰하는 기술

T1 조영제
: MRI조영제의 일종으로 주변 부위를 밝게 만들어 주며, 주로 상자성체인 가돌리니늄 개열의 화합물로 이루어져 있다.

T2 조영제
:  MRI조영제의 일종으로 주변부위를 어둡게 만들어주며, 자성 나노입자인 산화철 등으로 이루어져 있다.

세포 표지
: 이식된 세포를 MRI와 같은 장비를 통해 관찰할 수 있도록 조영제를 세포에 주입하는 기술

1형당뇨
: 소아당뇨라고도 불리며, 인슐린을 분비하는 췌도의 파괴로 인해 발생한다. 1형당뇨는 인슐린 분비 능력을 거의 상실하였기 때문에, 주사 등의 방법으로 외부에서 적절한 양의 인슐린을 주기적으로 투여해야 한다.

미국립과학원 회보 (PNAS) 
: 미국의 국립과학원에서 1914년부터 발행하며 자연과학부터 사회과학까지 망라하는 종합 학술저널임. 2009년 Imfact Factor 9.432인 저널로 종합 학술저널 중 가장 권위있는 학술 저널 중 하나로 인정받고 있다.


                                                <연 구 요 약>

1. 배 경

자기공명영상(MRI)는 수술 없이 해부학적 정보를 실시간으로 얻을 수 있는 방법으로 인체 내부를 영상화할 수 있는 방법 중 하나이다. 임상에서 사용되는 다른 방법인 PET에 비해 선명한 영상을 얻을 수 있으며, CT에 비해서는 감도가 훨씬 우수하다.
MRI에서 보다 더 명확한 영상을 얻기 위해서는 조영제(contrast agent)가 필수적이다. 조영제는 조직 간의 대비를 더욱 명확하게 하여 정확한 판독이 이루어지도록 돕고 있으며, 최근에는 분자 생물학적인 지식을 바탕으로 분자 수준의 생명현상을 영상화 하려는 연구들도 꾸준히 이루어지고 있다.

현재 사용되는 MRI조영제는 상자성(paramagnetic) 화합물과 자성 나노입자로 구분할 수 있다. 가돌리늄 이온(Gd3+)이나 망간 이온(Mn2+)으로 대표되는 상자성 화합물 조영제는 T1조영제라 부르며, MRI영상에서 해당 부위가 밝아지는 효과가 있다. 현재 사용되는 MRI 조영제의 대부분은 가돌리늄 이온을 기반으로 하는 T1조영제로 혈뇌장벽의 손상, 혈관계의 분포 및 이상여부 등을 진단하는 데 사용되고 있다. 하지만 T1 조영제는 감도가 비교적 떨어지기 때문에 분자 및 세포 수준의 보다 더 정밀한 진단에는 적합하지 않으며 가돌리늄 이온의 독성에 의한 신원성전신섬유증(NSF) 등의 부작용이 있다. 이러한 부작용 때문에 T1 조영제는 체내에서 빠른 시간 안에 배출 되어야 하며, 이는 장기간에 걸친 지속적인 체내의 변화를 관찰하는 데에는 적합하지 않다.

자성 나노입자는 현재 산화철로 이루어진 초상자성 나노입자가 T2 조영제로 각광받고 있다. T2 조영제는 MRI 장비 내에서 자장교란을 통해 MRI 영상에서 해당 부위를 어둡게 만든다. 산화철은 생체 적합성이 높은 물질로 주성분인 철은 주입 후 분해되어 체내에서 철을 필요로 하는 헤모글로빈 등에 활용된다.
현재 사용되는 T2 조영제가 T1 조영제에 비해 감도가 우수하기는 하지만, 생체내의 미묘한 생명현상을 영상화 하는 데에는 아직도 한계가 있다. 최근들어 활발히 연구되는 이식된 줄기세포의 추적 및 분화, 암세포의 전이 과정 및 면역세포의 이동과 같은 세포 수준의 현상을 정확히 판독하기 위해서는 매우 적은 수 혹은 단일 세포를 MR 영상에서 볼 수 있어야한다. 하지만 현재 사용되는 조영제로는 수 천개 이상의 세포를 영상화 할 수 있다. 특히 일반적으로 사용되는 연구용 MRI 기기의 경우 임상용 MRI보다 자기장이 훨씬 강하고, 관찰하는 영역이 좁기 때문에 임상용 영상보다 신호가 강하며 영상의 해상도도 훨씬 높다. 이런 현실을 감안하면 임상에서 세포 수준의 영상을 얻기 위해서는 기존의 조영제와는 비교할 수 없을 만큼 강한 조영효과를 갖는 나노입자가 필요하다고 할 수 있다.

T2조영제의 조영효과는 조영제의 자기적 성질에 의존하기 때문에, 최근 발달한 나노입자의 제조 기술을 이용하면 조영효과를 더욱 더 향상 시킬 수 있다. 비록 몇몇 연구진에 의해서 기존의 조영제에 비해 효과가 뛰어난 나노입자가 발표되었지만, 체내에서 독성을 나타낼 수 있는 망간 및 코발트 이온을 포함하고 있는 한계가 있다.

생체 적합성이 높은 자성 물질인 산화철은 30~120nm 사이에서 자기적 성질이 가장 강한 것으로 밝혀졌다. 흥미롭게도 자연계에서는 해당 사이즈의 나노입자가 매우 오래전부터 존재해왔다. 예를 들어 자성박테리아의 경우 박테리아 내부에 마그네토좀(magnetosome)이라 불리는 30~100nm 사이의 산화철 나노입자가 존재하며, 자성박테리아는 이 산화철 나노입자를 이용하여 나침반처럼 지구의 자기장에 반응할 수 있다.

현재 기술로 자성박테리아 내부의 산화철나노입자를 분리해 낼 수는 있지만, 나노입자의 저비용 대량생산을 위해서는 인위적인 합성이 필요하다. 하지만 강자성체 산화철 나노입자는 나노입자간의 강한 인력이 작용하기 때문에 합성 과정을 조절하기가 매우 힘들어서 현재까지 균일한 크기의 강자성체 산화철나노입자의 합성은 극도로 어려운 것으로 생각되었다.


2. 연구결과

 본 연구에서는 자성박테리아의 마그네토좀과 크기와 모양이 매우 유사한 강자성나노입자(FION, Ferrimagnetic iron oxide nanoparticle)을 화학적 방법으로 합성하였다. FION은 기존에 사용되던 T2 조영제에 비해 자기적 성질은 2배 정도 우수하였으며, MR 조영효과는 상용화된 조영제에 비해 2~3배 정도 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 특히 FION은 최근 개발된 다른 자성 나노입자에 비하면 나노입자 한 개 당 조영효과는 월등히 우수하기 때문에 해당 부위에 극소수의 나노입자만 존재해도 MR 영상을 얻을 수 있을 것으로 생각된다. 인체에 무해한 철을 주성분으로 하고 있어 임상에서의 적용 가능성도 매우 높다고 할 수 있다. 실제 본 연구를 수행하면서 여러 종류의 세포나 동물에서 이상 현상이 관측되지 않았으며, FION으로 표지된 췌도를 이식받은 쥐의 경우 최대 150일 이상 생존하였다.

FION은 줄기세포, 췌도, 암세포 등 다양한 종류의 세포를 매우 쉽게 표지할 수 있었으며, 세포의 기능에도 거의 영향을 주지 않았다. 그리고 9.4T MRI를 이용하여 FION으로 표지된 세포를 영상화 했을 때, 단일 세포까지 영상으로 얻을 수 있었으며 얻어진 영상은 형광현미경으로 얻은 영상과 정확히 일치하였다. 이러한 단일 세포 영상을 생체 MR영상으로도 얻을 수 있는지 알아보기 위하여 FION으로 표지된 세포를 쥐에 이식한 후 쥐의 뇌를 MRI를 이용하여 관찰하였다. 그 결과 쥐 뇌로 이동한 많은 수의 암세포를 단일 세포 수준으로 관찰할 수 있었다. 이 결과는 혈관 내로 주입된 암세포가 뇌로 이동한 것을 영상화 한 것으로, 추후 암 전이에 관한 연구 등에 중요한 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

실제 임상으로의 적용을 위하여, FION을 이용하여 이식된 췌도를 MRI로 영상화 하였다. 췌도는 췌장에 있는 기관으로 혈당량을 낮추는 인슐린을 분비한다. 따라서 당뇨병과 매우 밀접한 관련을 갖고 있다. 1형 당뇨의 경우 자가면역반응에 의해 체내에 있는 면역세포가 췌도를 파괴하기 때문에 발생하게 된다. 췌도 이식은 1형 당뇨의 치료방법 중 하나로, 이식된 췌도가 혈당량에 따라 인슐린 분비량을 조절하기 때문에 저혈당 등의 부작용없이 일정한 혈당 수치를 조절할 수 있는 장점이 있다. 하지만 이식에 쓰일 수 있는 췌도의 숫자가 절대적으로 부족하며, 이식후 면역 거부반응으로 이식된 췌도가 파괴되기 때문에 췌도의 기능을 실시간으로 모니터링 하는 것이 매우 시급히 요구된다. 물론 현재 사용되는 혈당량 측적으로도 췌도의 기능을 어느 정도 파악할 수 있지만 일반적으로는 대부분의 췌도가 파괴된 후에야 혈당량에 이상이 나타나는 한계가 있다. 따라서 1) MRI영상을 통해 이식된 췌도를 실시간으로 모니터링 할 수 있어야 하며 2) 표지된 췌도는 정상 췌도와 기능적으로 차이가 없어야 하며 3) 임상용 MRI장비에서 사람의 복부라는 큰 영역을 영상화 했을 때에도 췌도가 MR영상에 선명하게 나타나야한다.

FION을 이용한 췌도 표지는 매우 효율적이고 빠르게 일어났다. 본 연구 결과에서는 단 2시간 동안 표지했을 경우에도 췌도를 MR 영상에서 관찰할 수 있었다. 실제로 췌도를 이식하기 위해 공여자로부터 분리하게 되면 췌도 내부의 혈관이 많이 손상되기 때문에, 신속한 췌도 이식은 매우 중요하다. 따라서 FION은 표지 시간을 단축시켜, 다른 조영제를 사용했을 때에 비해 췌도 이식 성공률이 높을 것으로 기대할 수 있다.

FION으로 표지된 췌도는 정상 췌도와 기능상으로 거의 차이가 없었다. 본 연구에서 당뇨가 유발된 쥐에 FION으로 표지된 쥐를 이식했을 때, 혈당 수치가 정상으로 회복되었으며 이식 후 최대 150일 이상 정상 혈당을 유지하였다. 또한 동종 이식된 췌도의 경우 MRI영상으로 150일까지 확인할 수 있었다. 반면에 이종 이식된 췌도는 면역 거부 반응으로 빠르게 파괴되기 때문에 이식후 하루만 지나도 관찰되는 췌도의 개수가 현저히 감소하였으며, 15일 후에는 췌도를 거의 관찰할 수 없었다. 기존 연구에서 쥐에서 혈당량을 측정하여 췌도의 이상유무를 판단할 때는 췌도의 이종이식후 일주일간은 혈당량이 정상으로 유지되는 등, 실제 췌도의 상태보다 늦게 췌도 면역거부를 짐작할 수 있었다. 반면 본 연구에서는 췌도의 파괴를 거의 실시간으로 알 수 있기 때문에, 실제 임상에서 면역 거부에 의한 이상에 보다 빠르게 대응할 수 있을것이다.

마지막으로 임상에서의 적용 가능성을 알기 위해, 사람과 크기가 거의 유사한 돼지를 이용하여 췌도를 이식 관찰하였다. 사람은 쥐와 달리 MRI로 매우 넓은 영역의 영상을 얻어야 하는데, 이 경우, 영역이 좁을 때에 비해 MRI 신호가 약해지며 전체적인 해상도 역시 감소한다. 쥐 MR영상의 해상도가 100μm 정도 되는 반면, 사람 복부 MR영상은 해상도가 1mm이다. (췌도의 크기는 대략 100~200μm). 이 실험에서는 개복(開腹)수술 없이 임상과 같은 방법으로 영상의학 전문의가 주사 바늘로 간문맥에 접근하여 간 문맥의 흐름에 의해 췌도를 이식하였다. 이식 후 얻어진 MR 영상에서는 간에서 췌도가 어두운 점으로 명확하게 관찰되었다. 특히 이 실험에서 사용된 돼지 췌도의 경우 인간의 췌도보다 구조가 훨씬 약해서 쉽게 파괴되는데도 영상으로 얻었기 때문에, 임상에서의 성공 가능성이 매우 높다고 할 수 있다.


3. 결론

본 연구에서는 자성박테리아의 마그네토좀과 크기와 모양이 매우 유사한 산화철 나노입자를 합성할 수 있었다. 합성된 나노입자 FION은 기존의 조영제에 비해 조영효과가 월등히 우수하였으며, 생체적합성이 높은 물질로 이루어져 있어 임상에서도 적용가능성이 매우 높을 것으로 예상된다. 본 연구에서는 FION을 이용하여 단일 세포 및 단일 췌도를 MRI영상에서 관찰할 수 있었다.
따라서 FION을 이용하면 기존에 연구에 어려움이 있던 암세포의 전이, 면역세포의 이동, 동맥경화, 줄기세포의 이동 및 분화등을 MRI를 이용하여 실시간으로 관찰하여 세포 수준의 다양한 생명현상의 연구에 크게 도움이 되며 나아가 암의 조기 진단 및 예후예측 등 임상에서도 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한 췌도 이식등 최근 각광 받고 있는 세포 치료의 발전에도 큰 도움을 줄 것이다.
또한 FION의 합성은 기존의 현택환 교수 주도로 이루어진 균일한 나노입자의 합성 방법과 유사하며 대량생산이 가능하기 때문에 산화철 기반으로하는 추후 조영제 시장을 주도할 수 있을 것으로 기대된다.





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