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스핑고지질과 생리, 질병 상황에서의 이들의 대사
스핑고지질과 생리, 질병 상황에서의 이들의 대사 저자 이진호 (서울대학교 의과대학)
등록일 2019.05.28
자료번호 BRIC VIEW 2019-R12
조회 659  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
세포막을 구성하는 지질과 스핑고지질의 연구가 지난 몇 년 동안 심도 있게 진행되면서, 스핑고지질의 상호작용과 기능이 예상외로 방대하고 복합함을 알게 되었다. 현재는 스핑고지질이 거의 모든 주요 세포의 신호전달경로에 연관되어 있으며, 스핑고지질의 비정상 기능이 여러 질병과 연관되어 있음을 알고 있다. 스핑고지질에 대한 연구는, 분자적 기전과 연관된 효소의 기초적인 분야부터, 질병에 대한 바이오마커와 치료적 접근이라는 응용적 분야에서도 많은 연구가 필요한 상황이다.
키워드: 스핑고지질, 세라마이드
분야: Cell_Biology, Molecular_Biology

본 자료는 Sphingolipids and their metabolism in physiology and disease. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2018, 19(3):175-191의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 스핑고지질의 대사
  2.1 스핑고지질의 대사과정에서 새롭게 밝혀진 물질들
  2.2 스핑고지질의 종류와 그 각각의 대사과정
  2.3 스핑고지질의 대사에 관여하는 효소의 구조와 주요 운반체들
3. 메커니즘과 다운스트림 타깃
4. 세포 내 기능
  4.1 이스트 연구를 통한 규명
  4.2 세포의 부착과 이동
  4.3 세포막 도메인과 엑소좀, 엑도좀의 생성
  4.4 DNA 손상에 대한 반응 기전
  4.5 세포노화, 오토파지, 세포사멸에서의 스핑고지질의 역할
5. (병리)생리학에서의 스핑고지질의 역할
  5.1 면역과 염증반응에서의 기능
  5.2 암세포 생물학에 다양하게 관련된 스핑고지질
  5.3 대사적 기능과 당뇨, 심혈관계와의 연관성
  5.4 신경발달과 신경퇴행 질환에서의 스핑고지질
  5.5 피부 특이적 스핑고지질과 이들의 기능
  5.6 뼈와 연골발달에 관련된 스핑고지질의 대사
6. 결론, 그리고 전망


1. 서론

스핑고지질은 진핵세포의 지질의 주요 구성물 중 하나이다. 스핑고지질은 19세기 Thudicum이 뇌 조직에서 처음 발견하였으며, 많은 수수께끼를 가진 물질이라는 뜻으로 그리스 신화에서 여행자에게 수수께끼를 내는 존재인 스핑크스의 이름을 참조하여 스핑고신이라 명명하였다. 이후 20세기에 스핑고신의 화학적 구조가 규명되었고, 스핑고지질 생성이 안 되면 라이소좀이 잘 생기지 않는 질병이 생긴다는 것이 밝혀졌다.

1980년대에는 스핑고지질 중 세라마이드(ceramide)와 sphingosine 1 phosphate (S1P) 등의 기능이 밝혀졌으며, 스핑고지질이 protein kinase C (PKC)를 억제한다는 보고가 나오면서 스핑고지질의 기능이 단순 세포막 구조물 이상인 것으로 그 인식이 전환 되었다. 현재는 세라마이드, 스핑고신(sphingosine), S1P 등이 가장 큰 주목을 받고 있으며, ceramide-1-phosphate (C1P), glucosylceramide, lactosylceramide와 일부 gangliosides도 그 기능적 측면을 규명하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

이 리뷰에서는 그동안의 연구들을 통해 밝혀진 스핑고지질의 기본 배경과 대사과정을 다룬다. 또한 생리, 병리생리학적 측면에서 스핑고지질이 미치는 영향을 소개함으로써, 스핑고지질이 거의 모든 중요한 생물학적 과정에서 중요한 기능을 수행함을 제시하고자 한다.

2. 스핑고지질의 대사

현재의 기술발달로 각 효소들의 기능을 분석할 수 있게 되었고, 녹아웃 등 다양한 동물모델의 사용이 가능해지면서 생리 및 질병에서 스핑고지질이 미치는 영향이 많이 규명되고 있다. 포유류에서 활성 스핑고지질은 약 40여종의 다양한 효소가 그 대사과정에 연관되어 있다. 스핑고지질 대사의 시작은 아미노산 세린(seline)과 지질 중 하나인 팔미테이트(palmitate)가 만나면, 세린에 palmitoyl기가 붙음으로써 스핑고신의 신규 합성이 일어난다. 이후 여러 효소들이 신규 합성, 이화작용(catabolism), 재활용 등에 관여한다. 이 중 리아제가 활성화되면 스핑고이드 염기의 인산염과 반응하는데, 이것이 현재 알려진 스핑고이드 네트워크의 유일한 출구이다 (그림 1A).

 

스핑고지질대사의 개요(A)
스핑고지질대사의 개요(B)
그림 1. 스핑고지질대사의 개요.
Aa: ER에서 세린 팔미토일전환효소에 의해 발생하는 스핑고지질의 신규합성.
Ab-Ad: 세라마이드는 주로 골지에서 다양한 스핑고지질로 변환된다. 1-hydroxyl position에 변화가 생기면 ceramide-1-phosphate (C1P), 스핑고미엘린(sphingomyelin) 혹은 글리코세라마이드(glycoceramides)를 형성하며, 이들은 이후 다양한 글리코스핑고지질의 전구물질(precursor)이 된다.
Ae: 세라마이드가 아세틸화되면 1-O-acyl-ceramides를 형성한다.
Af: 스핑고지질의 이화작용 경로(catabolic pathway)에서, 스핑고미엘린, C1P, 글리코스핑고지질이 가수분해되면 세라마이드로 돌아간다. 이 가수분해는 라이소좀에서 일어난다. 이후 세라마이드에서 아실기가 이탈하면 스핑고신이 형성되고, 스핑고신은 인산화되면 sphingosine-1-phosphate (S1P)을 형성한다.
Ag: 스핑고지질의 제거는 S1P 분해효소(S1P lyase)로부터 시작되는데, 이 효소는 S1P를 잘라내어 지방 알데하이드(Fatty aldehydes)와 에탄올아민인산(Ethanolamine phosphate)로 변환시킨다. 지방 알데하이드는 이후 추가 대사과정을 거쳐 palmitoyl-CoA가 된다.
Ah: 스핑고지질은 그 지방 아실 체인이 매우 길거나(C22~26) 심하게 긴 경우(C26 이상)가 많기 때문에, 지방산을 연장시키는 분자는 스핑고지질 대사에 매우 중요하다.
B. 모든 스핑고지질의 선구물질로서, 세라마이드는 스핑고이드 염기(sphingoid base)와 amino-linked 지방산을 가진 분자들로 이루어져 있다. 이 기초적 구조에 각기 다른 효소들이 다른 부위에 반응하여 다른 스핑고지질을 형성하게 된다.
① 지방산 2-가수분해효소(Fatty acid 2-hydroxylase)는 fatty acyl group에 OH를 붙인다.
② Sphingolipidδ (4)-desaturase DES1 (DEGS1)는 스핑고이드 염기의 4-5위치에 이중결합을 형성한다.
③ 세라마이드 합성효소(Ceramide synthases)는 다양한 길이의 fatty acyl group을 추가한다.
④ SPT는 팔메이트 대신 스체아르산염(stearate) 혹은 미리스트산염(myristate)을 활용하여 기초구조의 길이를 다양화한다.
⑤ SPT는 알라닌과 글라이신 또한 사용할 수 있다.

 

2.1 스핑고지질의 대사과정에서 새롭게 밝혀진 물질들

지난 10여년 간 스핑고지질의 대사에 대한 이해가 넓어져, 세린과 팔미테이트 외 다른 기질(substrates)들도 스핑고지질 대사에 포함됨이 밝혀졌다. 그 시작은 인간의 유전성 감각 및 자율신경병증(hereditary sensory and autonomic neuropathy, HSAN) 연구였는데, 이 질병에서 중요한 것이 SPT의 주요 서브유닛인 SPTLC1과 SPTLC2의 유전자에 돌연변이라고 알려졌기 때문이다. 이 변형된 효소는 세린이 아닌 알라닌과 글라이신하고 반응하는데, 알라닌과 반응하면 디옥시스핑고이드, 글라이신과 반응하면 1-디옥시메틸 스핑고 염기라는 일반적으로 형성이 안 되는 대사체를 생성한다. 이 두 대사체는 1-하이드록실 그룹이 없는 구조로 만들어지는데, 여기서 더 이상 구조가 바뀌지 않아 스핑고지질의 대사순환이 멈추게 된다 (그림 1B). 이후 이 분자들은, 아주 적은 농도이긴 하지만, SPT에 의해 정상적으로 생성되는 것으로 밝혀졌다. 현재 이 분자들의 생리적 기능은 밝혀진 바 없지만, 유전성 감각 및 자율신경병증에서 신경세포에 해로운 물질인 것은 사실이다.

최근에는 SPT의 SPTLC3 서브유닛이 SPT효소로 하여금 효소의 지방산 기질로 팔미테이트보다 미리스트산염(myristate)에 더 특이적으로 반응하게 하며, SPT의 작은 서브유닛들은 스테아르산염(stearate)을 지방산 기질로써 사용하게끔 효소의 반응을 유도한다 (그림 1).

즉 SPT는 다양한 스핑고 염기를 생성할 수 있다. 분자 명명법에 따르면, SPT는 SAG/PMST로 명명하여 SPT가 미리스트산염, 스테아르산염뿐 아니라 알라닌과 글라이신도 사용할 수 있음을 표시해야 할 수도 있다.

이처럼 스핑고이드의 기초 구조가 다양한 것은 여러 종류의 세라마이드 합성 효소(ceramide synthases, CerSs)의 활성이 다양한 아실그룹을 추가하기 때문이다. Elongase들은 긴 지방산을 형성한다. 여러 elongase들이 활성화되면 구조적으로 굉장히 복잡한 세라마이드가 형성되는데, 여기에 추가적으로 수산화효소(hydroxylase) 와 불포화화효소(desaturase) 들이 스핑고이드 염기 혹은 지방 아실 그룹에 반응한다. 따라서 세라마이드는 한 종류의 분자가 아니라 각각이 다른 기능을 가진, 서로 연관되어 있지만 다른 분자들이 속해 있는 것이다.

세라마이드에 ω-아세틸화가 생기면, 3개의 체인을 가진 세라마이드와 글리코스핑고지질이 피부에 형성되는데, 이것이 상피세포의 투과성과 피부의 방어막 기능에 중요하다. 여기에 관련된 유전자로 PNPLA1이 있으며, 이 유전자는 포스포리파제(phospholipase) 와 아실전달효소(transacylase)의 기능을 가진 patatin-like phospholipase domain-containing 1의 유전자이다.

세라마이드의 1-OH 위치에도 아세틸기가 붙을 수 있는데, 최근 연구에 따르면 이 부위가 지방 입자(lipid droplets) 형성에 중요하며, 추가로 그전에 알려지지 않은 세라마이드 아실 전이 효소(transferase)인 diacylglycerol O-acyltransferase 1 (DGAT1) 과 DGAT2 의 활성 되어야 지방 입자가 형성되었다. DGAT 는 CerS와 long-chain-fatty-acid–CoA ligase 5 (ACSL5) 에 결합하여 복합체를 이루는데, 이 ACSL5는 DGAT 활성에 필요한 지방산 기질을 아세틸화해준다. 관련된 연구에 따르면, 지방 아실에 결합하는 단백질인 ACBP가 CerS2와 CerS3에 특이적으로 반응하며 세라마이드 합성을 촉진한다.

지방 알데하이드는 스핑고지질 대사 경로를 빠져나와 스핑고지질의 감소를 촉진한다는 점에서 그 중요성이 대두되고 있다. 알려진 지방 알데하이드 생성 효소로는, 탈수소효소(dehydrogenase)인 ALDH3A2, CoA synthases ACSL1–6, ACSBG1, 그리고 ACSVL1 (VLACS)가 있다. 이후 지방 알데하이드는 환원 효소인 TSC13 에 의해 대사됨으로써 스핑고지질이 제거된다 (그림 1).

이 밖에도 스핑고지질의 대사에 관여하는 효소 두 종류가 추가로 발견되었다. Sphingomyelin synthase-related (SMSr)는 스핑고미엘린 합성효소(SMS)와 상동(homologue)하지만 그 활성도는 훨씬 낮으며, 스핑고미엘린이 아닌 세라마이드 에탄올아민 인산(ceramide ethanolamine phosphate)을 형성한다. 발견된 또 다른 효소는 미토콘드리아에서 스핑고미엘린을 분해하는 효소(Mitochondrial sphingomyelinase)로, 현재까지 상세한 기능이 밝혀지지는 않았다.

2.2 스핑고지질의 종류와 그 각각의 대사과정

스핑고지질의 대사에는 매우 다양한 효소들이 관여한다. 적어도 5종의 세라마이드 분해효소와 5종의 스핑고미엘린 분해효소가 원형질막, ER, 골지, 핵, 라이소좀, 미토콘드리아, 혹은 세포 밖에 위치한다. 또한 6종의 CerS가 제각기 반응하는 지방산이 달라 다른 길이의 지방산 구조를 생성한다 (그림 1B). CerS는 주로 ER에 위치한다고 알려져 있으나, 핵막과 미토콘드리아에도 많이 존재한다.

세라마이드, 스핑고미엘린 등 일부 글리코스핑고지질은 소수성(hydrophobic)이기 때문에 특별한 이동 기전이 없다면 처음 형성된 곳에 위치하게 된다. 그 특별한 이동 기전을 담당하는 운반체들이 발견되었는데, 세라마이드는 CERT (ceramide transfer protein), S1P는 SPNS2 (protein spinster homologue 2), C1P는 CPTP (C1P transfer protein), 그리고 글루코실세라마이드는 FAPP2 (phosphatidylinositol-four-phosphate adaptor protein 2)가 담당하게 된다 (그림 2).

 

스핑고지질대사의 개요
그림 2. 스핑고지질대사의 개요.

 

세라마이드는 중성 지방으로서, 막 사이를 손쉽게 플리핑할 수 있는데, 이로 인해 다양한 기능을 하게 된다. 예를 들어, 골지에서 스핑고미엘린을 합성할 때, 합성을 담당하는 효소인 SMS가 골지의 루멘(lumen)을 향하게 되는데, 이때 세라마이드가 골지 막을 플리핑하여 SMS의 기질이 되어준다. 반면에, 세라마이드에서 글루코실세라마이드를 생성하는 과정은 골지의 사이토졸 쪽에서 발생한다. 이후 글루코실세라마이드가 골지의 루멘으로 플리핑되어야 글리고스핑고지질로 진행이 가능하다 (그림 2). 이 외에도 일부 스핑고미엘린이 원형질막의 사이토졸 측면에 위치하게 되면 neutral sphingomyelinase 2 (nSMase2)의 기질로 사용된다. 스핑고미엘린은 또한 분비형 소포체(secretory vesicles)에도 많이 함유되어 있다.

활성 S1P는 원형질막의 사이토졸 측면에 있다가 SPNS2에 의해 세포 밖 측면으로 플리핑이 일어나 (그림 2), S1P 수용체와 반응하게 된다. SPNS2가 없으면 S1P의 플리핑이 일어나지 않아 그 기능을 수행하지 못하게 된다.

2.3 스핑고지질의 대사에 관여하는 효소의 구조와 주요 운반체들

고해상도-결정체 구조 연구를 통해 분자의 구조 분석이 가능해지면서 스핑고지질의 대사에 관여하는 주요 효소들의 구조 분석도 가능해졌다. 이를 통해 SPT, 산성과 알칼라인 스핑고미엘린 분해효소(acid and alkaline sphingomyelinases), acid cerebrosidase, 스핑고신 키나아제 1 (sphingosine kinase 1, SK1), 중성 세라마이드 분해효소(neutral ceramidase, NCDase), nSMase, 지방산 α-가수분해효소(fatty acid α-hydroxylase), 아디포넥틴 수용체(adiponectin receptor), S1P 수용체 1 (S1P receptor 1, S1PR1), lipid-transfer proteins CERT (for ceramide), CPTP (for C1P), glycolipid transfer protein (GLTP; for lactosylceramide)의 구조 연구가 진행되었다. 덕분에 각 효소의 촉매 기전, 기질을 인식하고 거기에 결합하는 방법, 맞춤 치료약의 개발, 그리고 막 사이를 이동하는 스핑고지질의 종류 등을 분석할 수 있게 되었다.

3. 메커니즘과 다운스트림 타깃

스핑고지질의 활성에 대한 기전적 이해는 아직 많이 부족하다. 그나마 가장 많이 연구된 스핑고지질은 S1P이다. S1P는 5종류의 S1P 수용체와 결합하며, 이 수용체는 GPCR이다. S1P는 또한 세포 내로 들어가 histone deacetylases (HADC)과 결합하여 그 활성을 억제하여 히스톤에 아세틸기가 붙도록 돕는다.

세라마이드는 PP1과 PP2A의 단백질 인산효소(protein phosphatases)를 활성화한다고 알려져 있다. 세린/트레오닌 키나아제인 AKT, 단백질 키나아제 C, 그리고 ezrin 등의 인산효소가 세라마이드에 영향을 받는다. 최근에는 세라마이드가 활성화하는 인산효소들이 혈관내피성인자(vascular endothelial growth factor)로 인한 신호전달에서 팔미테이트(palmitate)의 영향력을 조정하는데, 그 기전은 내피세포의 산화질소 합성 효소(nitric oxide synthase)의 활성화를 저지함으로써 나타난다고 보고 있다. 또한 세라마이드는 PP2A를 억제하는 SET와 상호작용하여 PP2A를 조절하고, 이 기전은 조절 T 세포(regulatory T cells)의 면역 억제기능과 관련되어 있다. 이스트에서 PP2A에 상동하는 Sit4는 이스트에서 여러 종류의 세라마이드를 활성화하고, 세포주기 조절과 미토콘드리아 기능에 관련되어 있다. 또 다른 연구에 따르면, 라이소좀의 세라마이드가 세포사멸 과정에서 cathepsin B를 활성화하면 X-linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP)을 분해하여 세포사멸을 방지한다. 최근에는 세라마이드를 미토콘드리아로 우회시키는 것이 세포사멸을 유도한다는 보고도 존재한다. 세라마이드의 활성이 세포에서 어떤 변화를 일으키는가에 대해서는 아직도 밝혀야 할 부분이 많다.

스핑고신의 경우, protein kinase C의 억제를 포함한 많은 다운스트림 영향에도 불구하고 밝혀진 활성 기전이 거의 없다. C1P는 cytosolic phospholipase A2 (cPLA2)와 acid sphingomyelinase (aSMase)에 상호작용하며, 세포막에 C1P 수용체가 존재한다고 알려져 있으나 작용 기전에 대해서는 연구가 필요한 상황이다.

4. 세포 내 기능

스핑고지질의 세포 내 기능은 매우 방대하여 세포성장, 세포주기, 세포 사멸, 세포의 노화, 염증반응, 면역 반응, 세포의 부착과 이동, 혈관 형성, 영양분의 흡수와 대사, 스트레스에 대한 적응, 그리고 오토파지에 이르러 거의 모든 세포 생물학 분야에 관여한다 (표 1). 스핑고지질의 기능 연구는 RNA silencing 기술이나, 최근에는 CRISPR를 이용한 스핑고지질 효소 관련 유전자의 삭제, 그리고 그 기술로 만들어진 동물모델을 이용하여 규명되었다.

 

표 1. 주요 세포의 기능에 연관된 스핑고지질의 종류.
주요 세포의 기능에 연관된 스핑고지질의 종류

 

4.1 이스트 연구를 통한 규명

Saccharomyces cerevisiae라는 미생물에서 열 손상(heat stress)을 주자 세린 흡수가 증가하였는데, 여기에 스핑고지질이 다양하게 관여함이 드러났다. 주변에 온도가 상승하면 그에 대한 중요한 반응 기전으로 sphingoid bases, sphingoid base phosphates and ceramides가 생성되어 세포주기 및 유전자발현을 억제하고 영양분 투과 효소를 조절한다. 특정 세라마이드가 유전자 발현 조절에 관여하여, 철 운반, 산성 민감도, 그리고 RNA 대사에 관여하는 유전자를 조절하여, 세라마이드가 이스트에서 다양한 기능을 가짐이 밝혀졌다. 세포분열 억제제인 Swe1에 의한 세포주기 체크포인트 조절 역시 세라마이드가 관여하며, 특히 C18:1 세라마이드가 크게 관여한다. 이 외에도 세라마이드는 이스트에서 diauxic shift, 미토콘드리아의 기능, DNA 손상과 활성산소에 대한 반응에도 영향을 미친다.

4.2 세포의 부착과 이동

세포의 부착과 이동, 그리고 침입의 조절은 스핑고지질의 주요한 기능 중 하나이다. 최근 연구에 따르면, 상피세포 성장 인자에 의해 암세포의 혈관 침투가 일어나는 과정에서 ezrin-radixin-moesin의 인산화가 일어나는데, 이 효소들의 인산화에 SP1을 생성하는 효소인 SK1, SK2가 관여한다고 보고하였다. SPNS2가 암전이에 중요하다는 보고도 있다. 또한 S1pr2 녹아웃 마우스의 경우 Spns2 녹아웃과 마찬가지로 청력이 상실되어 또 다른 ERM 단백질인 radixin 결핍 마우스와 비슷하여, 이 세 단백질에 공통된 역할이 있음을 알 수 있다. 상호적으로, ezrin은 세라마이드에 의해 탈인산화되는데, 이는 단백질 탈인산화제인 PP1α가 세라마이드에 의해 활성화됨으로써 일어난다.

4.3 세포막 도메인과 엑소좀, 엑도좀의 생성

스핑고지질의 대사는 세포막 구성물질의 조직화, 역동성, 그리고 vascular transport에도 영향을 미친다. 상당히 많은 문헌들이 스핑고지질(특히 세라마이드)이 많은 plasma 세포막에서 특정화된 도메인이 존재한다고 보고하고 있다. 이 특정 도메인은 세포막에 존재하는 여러 수용체들의 기능을 조절하는데 중요한 작용을 할 것으로 보인다. 즉 세라마이드가 세포막 특정 도메인을 형성함으로써 세포 신호전달을 활성화 할 수도 있다.

실제로 한 연구에서는 nSMase를 발견하였는데, 이로 인해 생성되는 세라마이드가 엑소좀의 생성 및 분비에 매우 중요하다는 것을 보고하였다. 이후 연구들을 통해 nSMase을 억제하면 엑소좀으로 운반되는 마이크로RNA, 프리온 단백질, 그리고 신경세포 발달에 중요한 단백질들의 운반이 방해되어 신경 발달에 문제가 발생했다. 반면에 SMS2를 억제하자 신경세포에서 엑소좀의 분비가 과다 촉진되어 뇌의 미세아교세포(microgila)에서 치매에 원인물질인 아밀로이드-β의 제거에 기여하여, 알츠하이머 치료에 가능성이 제시되었다.

이 밖에도 SK1이 엔도좀 조절에 중요함이 밝혀졌는데, 이는 SK1 녹아웃에서 엔도좀에 의한 물질 재활용 기전이 억제되어, S1PR에 독립적으로 S1P가 엔도좀의 막 형성에 중요하다는 연구결과로부터 알려졌다. SMS2는 HIV와 세포막이 결합하는 데에도 관련되어 있어, 스핑고지질이 바이러스 감염과도 관련되어 있음을 알 수 있다.

4.4 DNA 손상에 대한 반응 기전

예전 연구들에서 많은 세포독성 물질과 DNA손상을 유발하는 물질들이 세라마이드를 증가시킨다는 내용을 보고하였다. 이중 SK1, 알칼라인 세라마이드 2 (alkaline ceramidase 2,ACER2), nSMase2, 그리고 CerS 등이 DNA 손상에 대한 반응에 관여한다. 마우스에서 Sk1 (Sphk1) 유전자를 녹아웃하자, p53 결핍으로 인한 흉선의 림프종이 생기지 않았다. 반면, ACER2의 mRNA는 p53에 의해 증가하며, 야생형 p53이 세라마이드에 의한 세포사멸을 시도할 때 이로부터 세포를 보호한다. 비슷하게, nSMase2는 DNA 손상 시 증가하여 세포주기 조절에 관여한다. nSMase2는 S. cerevisiae라는 이스트에서 Isc1이라는 단백질이 nSMase2와 상보적인 것으로 밝혀졌다. CerSs는 암세포에 화학치료 혹은 스트레스 물질을 주었을 때 세포사멸을 야기하는 물질로 밝혀졌다 (표 1).

4.5 세포노화, 오토파지, 세포사멸에서의 스핑고지질의 역할

이스트에서, lag1lac1은 그 수명 결정 유전자로 처음 발견된 유전자이다. 이 유전자들이 발현되어 나온 단백질들은 CerSs와 같은 기능을 한다. 포유류 세포 연구에서도 세라마이드가 세포 노화의 중요한 조절인자임이 밝혀졌다. 최근 연구에서 예쁜꼬마선충(C.elegans)에서 3개의 CerSs가 수명 조절에 관련되어 있음을 밝혔는데, 관여하는 효소에 따라 수명을 늘리기도, 줄이기도 한다. 이 연구는 다양한 CerSs에 의해 세라마이드의 구성이 달라짐과, 그에 따른 수명에 미치는 영향을 발표함으로써 스핑고지질의 대사 과정이 얼마나 복잡한지 밝혀냈다. 또한 식사 제한과 오토파지 활성 시 관여하는 CerSs가 달라짐을 규명하였다. 사람의 수명연장에 관여하는 유전자들의 1재체형(haplotype) 연구를 통해, 100세 이상 초고령 인구에서 CERS1 유전자 발현이 증가된 것을 확인하였다.

스핑고지질은 오토파지에서도 중요하다. 세라마이드는 영양분 이동, ER 스트레스, 미토파지 등을 조절하여 세포 생존 혹은 사멸에 관련된 오토파지를 조절한다. 세라마이드의 분자 내 포화 현상이 저해되면, 수소원자 두 개를 포함한(dihydro) 세라마이드가 축적되면서 오토파지가 조절되는데, 이런 형태의 오토파지는 특히 오토파지에 의한 암세포 사멸에서 중요하다.

세포사 과정에서도 스핑고지질은 큰 관여를 한다. 세라마이드는 세포사멸(apoptosis)의 중요한 인자로 밝혀졌으며, 그 기전이 깊게 연구되었다. CerSs, SMases, SK1, SK2 등 세라마이드 형성에 관여하는 효소들이 미토콘드리아, 플라스마 세포막, 라이소좀 등 세포 내 소기관에 분포되어 각 효소의 활성 정도에 따라 세포사멸 혹은 세포 괴사(necroptosis)로 이끈다.

5. (병리)생리학에서의 스핑고지질의 역할

스핑고지질이 병리생리학에 미치는 영향에 대한 연구는, 스핑고지질의 대사에 크게 관여하는 주요 효소들을 하나하나 녹아웃한 마우스연구를 통해 규명되었다. 현재 가장 연구가 많이 된 분야를 다루도록 한다.

5.1 면역과 염증반응에서의 기능

면역기능에 있어서 S1P는 매우 중요하다. 이는 스핑고이드의 아날로그인 FTY720를 다발성 경화증(multiple sclerosis) 치료에 처리하면서 밝혀졌다. 간략하게 설명하면, 조혈세포와 상피세포가 S1P를 플라스마로 분비하여 림프와 플라스마 간의 S1P 농도 차이가 생기게 되고, 이로 인해 T 세포가 S1P를 향해 이동한다는 것이다. S1P수용체1 (S1PR1)을 발현하는 림포사이트가 이 농도 차에 반응하여 림프구를 떠나 혈류로 들어오게 된다. 이 현상은 FTY720을 처리하면 억제되는데, FTY720은 SK2에 의해 FTY720 phosphate로 전환되고, FTY720 phosphate는 림포사이트의 S1PR1을 억제하여 T 세포가 혈류로 오지 못하고 흉선과 림프구에 그대로 있도록 하게 한다. 다른 연구에서 비슷한 결과가 보고되었는데, phospholipid phosphatase 3 (LPP3)가 림포사이트의 떠남을 촉진하는 기전이 S1P를 탈인산화시켜 가수분해함으로써 발생한다고 보고하였다. 즉, 타깃 조직에 S1P를 감소시켜, 상대적으로 혈중 S1P의 농도가 특정 조직보다 높도록 함으로써 T세포가 해당 조직으로 이동하지 못하도록 하는 것이다. 또한 S1P는 특정 패턴으로 뭉치면 고밀도 리포 단백질(HDL)과 결합하여 림프구 생성과 신경세포 내 염증을 일으키는데, 이는 혈중 S1P 농도를 증가시킴으로써, 그리고 S1P 수용체로 인한 신호전달 체계를 활성화 함으로써 일어난다.

스핑고지질은 또한 prostaglandins를 생성하는 cPLA2–cyclooxygenase 2 (COX2) 신호전달과도 연결되어 있다. 아직 그 기전은 밝혀지지 않았지만, SK1과 S1P는 COX2의 발현을 조절한다. 게다가, C1P와 그것을 형성하는 효소인 세라마이드 키나제 사이토카인에 직접 반응하여 cPLA2를 활성화시킨다. 이는 C1P와 S1P가 염증반응에 중요함을 의미한다. 하지만, 대식세포에서 SK1을 없애자 염증반응이 증가하지 않았고 오히려 오토파지에 의한 세포사가 증가하였다.

진행 중인 연구에 의하면 aSMase 또한 염증반응을 지속시킨다고 보고하였는데, 이는 aSMase가 tumour necrosis factor (TNF)와 Interleukin 1 (IL 1)에 반응하여 염증유발 사이토카인 IL-6와 CC-chemokine ligand 5 (CCL5)를 생성함으로써 발생한다고 보고한다. 임상적으로, aSMase는 TNF로부터 분비되기 때문에 혈중 aSMase의 농도는 전신 염증 환자에게서 사망률을 나타내는 척도로써 사용되고 있다.

5.2 암세포 생물학에 다양하게 관련된 스핑고지질

S1P는 암 염증, 혈관생성, 화학치료 저항, 암세포 침투 등 암세포의 생존 및 전이에 관련된 반면, 세라마이드의 경우 암세포사멸, 성장억제, 화학치료에 대한 민감도 증가와 암세포의 노화 등 암 억제에 관련되어 있다.

SK1은 대장암, 특히 대장염에 의한 대장암(colitis-associated cancer, CAC)과 연관이 있다. 관련 연구들에 따르면 SK1은 COX의 조절과 염증 반응에 연류되어 있다. 실제 대장암 환자의 89%에서 SK1이 증가하였고, 이로 인해 COX2 또한 증가하였다. 아시아인을 대상으로 시행된 대장암 연구에서도 높은 SK1 발현량은 사망률 증가와 직결되었다. 마우스 연구에서 Sk1을 녹아웃하자 대장염을 유발하는 화학물을 처리해도 대장염이 발생하지 않았고, CAC모델에서도 대장암 발생률이 현저하게 감소하였다. In vivo 기전 연구를 통해서 SK1이 COX2 발현에 필요하다는 것이 밝혀졌고, 추가로 signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3)의 발현에도 SK1이 필요함이 밝혀졌는데, STAT3는 플라스마 세포막 수용체로부터 시작되는 초기 염증 반응에 중요한 인자이다. 또한 장에서 암이 발생하는 마우스 모델에서 SK1을 억제하자 장에서 아데노마의 증식이 감소하였다. SK1 증가와 더불어, S1P lyase는 대장암 조직에서 그 발현량이 감소하여, S1P 신호전달이 대장암에서 증가함을 알 수 있다. SK2를 녹아웃하자 그로 인해 SK1이 증가하여, 마우스에서 대장암 발생이 증가하기도 하였다. 위 내용들에 의거하여 SK1 억제제는 이종이식모델과 마우스 CAC 모델에서 대장암 발생을 억제하는 현상을 보였다. 이를 토대로 S1P 신호전달 과정이 대장에서 암 발생에 기여를 하며, 이는 prostaglandin과 그 외 염증유발물질 합성으로 인한 것으로 보인다.

S1P와는 반대로, 세라마이드는 사람에서 대장암 발생을 낮추는 것으로 보고되어, 두 지질 mediator 간에 상반된 기능을 보인다 (그림 1A). 일례로, NCDase 유전자를 지우면 세라마이드 생성이 증가하는데, 결과적으로 발암물질을 처리해도 대장암이 잘 발생하지 않았다. 하지만 NCDase의 경우 CAC에서 SK1의 역할과는 다른 기전임을 염두해 두어야 한다.

SK1-S1P 경로는 대장암뿐 아니라 뇌, 머리, 목, 신장, 그리고 백혈병과도 연관되어 있다. 특히 SK1-S1P 경로는 암 촉진뿐만 아니라 정상세포에서도 세포사멸로부터 세포를 보호하는 기능이 있다. 한 예로, S1P는 혈관생성에 중요하며, SK1은 암세포에서 산소공급이 감소할 때 발현되어, 혈관생성을 유도한다.

산 세라미다제(Acid ceramidase, ACDase)는 암활성에 관련이 있다고 알려져 주목을 받고 있는 효소이다. 이 효소는 머리, 목, 피부, 전립선 암 등에서 그 발현이 증가하였으며, 암의 진행에 관련이 있다. ACDase는 세라마이드의 생성을 감소시키고, 배양한 암세포에 ACDase 억제제를 주면 화학치료와 방사선치료에 대한 민감도가 증가하였다. 새롭게 개발된 ACDase 억제제 혹은 ACDase를 억제할 가능성이 있는 물질들이 화학치료와 시너지효과를 통해 피부암 세포사멸에 효과를 입증하기도 하였다. 높은 ACDase는 피부암세포의 공격성과 관련이 있으며, 세라마이드를 생성하는 aSMase 암 진행과 반대의 발현 양상을 가진다. 즉, 암이 진행될수록 세라마이드의 농도는 낮아짐을 알 수 있다. 하지만 유방암(luminal type A breast cancer)에서는 예외적으로 암 위험이 낮을수록 ACDase 농도가 높았으며, 높은 ACDase 농도가 암 억제에 더 좋은 진전을 보였다. 즉 ACDase는 머리, 목, 피부, 전립선 암에서는 악성을 만들지만 유방암에서는 암의 공격성을 낮추는 물질이다.

한편 스핑고지질의 농도와 활성도를 암의 마커로써 규명하려는 연구들도 있다. 최근 췌장암의 대사체연구에 의하면 췌장암세포에서 스핑고미엘린의 농도가 증가하였다. 또 다른 연구에서는 전이성 암세포에 방사선 치료 후 효과 여부를 플라즈마 세라마이드 농도의 변화로 알 수 있다고 보고하였다. 대장암 환자에서, CerS6의 증가는 생존율 증가를 예상할 수 있는 지표로 활용되고 있다.

5.3 대사적 기능과 당뇨, 심혈관계와의 연관성

세라마이드는 현재 대사 및 대사 관련 질병과 가장 관련이 깊은 스핑고지질로 알려져 있으며, 세라마이드의 농도 변화는 지방간, 비만, 인슐린 저항성 등에서 나타난다. 세포 연구와 실험동물 연구를 통해 세라마이드가 증가하면 AKT가 억제되고 이로 인해 인슐린 활성이 감소한다. 이 억제성 신호전달 경로는 특히 팔미트산(palmitic acid)의 증가로 인해 발생하는데, 이 팔미트산은 세라마이드의 전구물질(precursor)이다. Toll-like receptors, TNF, 인터루킨 등 염증을 일으키는 물질에 의해 세라마이드 합성이 증가하는 것도 인슐린 저항에 영향을 미친다. 세라마이드 합성을 담당하는 SPT와 디하이드로세라마이드 불포화 효소의 억제제를 처리하거나, 혹은 이 효소가 결핍된 마우스에서 인슐린 신호전달이 증가했고, 당뇨에서 지질 대사가 향상되었으며, 비만에 관련된 대사 변화의 완화와 심장기능 저하 폭 또한 감소하였다. 게다가 CerS6 결핍 마우스에서 고지방 사료를 주었을 때 체중 증가 수치가 대조군에 비해 감소하였고, ACDase를 과발현하는 마우스에서는 간 지방증이 감소하였다. 세라마이드와 비슷하게, 스핑고미엘린과 글루코실세라마이드 또한 인슐린 활성을 억제한다. 실제로 Sgm2 녹아웃 마우스는 스핑고미엘린 수치가 감소하는데, 이 마우스에서 인슐린 민감도 증가와 고지방식에 의한 체중 증가 폭이 감소하였다. 주목할 점은 이런 현상이 세라마이드가 증가함에도 불구하고 생긴다는 것인데, 세라마이드가 인슐린 신호전달억제를 매개하지 않거나, 혹은 Sgm2 녹아웃 마우스에서 증가한 세라마이드는 다른 경로에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

S1P 또한 대사에 관여한다. 마우스에서 S1P를 분해하는 효소인 S1P 인산가수분해효소(S1P phosphatase 2, Sgpp2)의 유전자를 지우면 췌장의 β-세포에서 ER 스트레스가 증가하고 고지방 식사로 인한 체중 증가 폭이 증가하였다. 이와 반대로 SK1의 유전자를 지우면 식사로 인한 지방간 발생이 감소하였다.

스핑고지질 중 특히 세라마이드와 스핑고신은 죽상동맥경화증(atherosclerosis)와 허혈성 부상(ischaemic injury) 등 혈관계 질환에 관련되어 있다. aSMase 활성과 세라마이드 농도의 증가는 atherogenesis와 연관되어 있는데, 이는 분비된 aSMase가 리포단백질과 결합한 스핑고미엘린에 작용하여 세라마이드로 전환시키기 때문이다. 실제로 마우스에서 aSMase를 감소시키면 망막허혈증으로부터 보호되는 결과가 보고되었다. Mtriocin으로 스핑고지질의 데노보 합성을 억제하자 심근 재관류 부상(myocardial reperfusion injury) 증상이 완화되었다.

혈중 스핑고지질(주로 세라마이드) 수치를 대사 질환에 연관시키려는 임상적 시도들이 많이 일어나고 있다. C24, C26, 그리고 deoxy-C24 세라마이드의 플라스마 농도는 당뇨병성 신경 장애와 관련되어 있다. 건강한 사람에게서 혈중 C18:0과 C18:1 세라마이드의 농도가 증가한다면 심혈관계질환을 주의해야 한다. 관상동맥 조영술(coronary angiography) 이후 혈중 C18:1 세라마이드 농도가 증가한다면 이는 다량의 세포 괴사가 일어날 조짐이다. C24:1 세라마이드와 스핑고미엘린의 증가는 심혈관계 질환에 의한 사망률 증가와 밀접한 관계가 있다. 관상 동맥 질환(coronary artery disease) 환자는 언어적 기억력(verbal memory)이 감소하며, 운동으로 인해 언어적 기억력이 회복되는데, C22:0과 C24:0 세라마이드 수치가 높은 환자의 경우 그렇지 않은 환자보다 운동에 의한 언어적 기억력 회복력이 더뎠다. 세라마이드 수치의 증가가 심혈관계 질환의 바이오마커로 적용될 수 있는 반면, S1P 수치의 증가는 심혈관계 질환이 완화됨을 보여주고, 디옥실스핑고지질의 증가는 당뇨가 진행 중임을 나타내는 척도로 여겨지고 있다.

5.4 신경발달과 신경퇴행 질환에서의 스핑고지질

스핑고지질의 대사에 관여하는 효소들이 유전적 결핍에 의해 생성이 안 된다면 정상적인 뇌 발달이 이루어지지 못한다. 이는 환자의 질병 원인을 추적하여 동일한 유전자를 녹아웃한 마우스를 통해 입증되었다. 이 연구를 통해 밝혀진 뇌 발달에 중요한 스핑고지질 효소에는 지방산-2-가수분해효소(fatty acid 2 hydroxylase, FA2H), ACER3, SPTSSB (a small subunit of SPT), CerS1, 그리고 CerS2가 포함되었다. 이 연구를 통해 스핑고지질의 대사체들이 정상적인 뇌의 발달에 매우 중요함이 입증되었다.

신경계통의 기능 저하의 경우, 어떤 종류의 스핑고지질이 관여하는지 아직 밝혀진 바는 없다. 하지만 Cers1 녹아웃을 이용한 최근 연구에 의하면 신경세포에서 C18:1 세라마이드 외 다른 스핑고지질의 생성이 증가하면 세포 내에 스핑고이드 염기(sphingoid bases)가 쌓이게 되고 이것이 신경 퇴행의 원인이 된다고 보고하였다. 이 증상은 CerS2를 과발현시키면 완화되었고, 이를 통해 스핑고이드 염기가 신경질환을 일으킬 수 있다는 사실을 알게 되었다.

nSMase2의 결핍은 마우스에서 알츠하이머 질병과 연관되어 있으며, NCDase의 유전자인 Asah2를 지우면, 트라우마성 뇌 손상을 완화시켜 주었다.

5.5 피부 특이적 스핑고지질과 이들의 기능

피부에 존재하는 스핑고지질의 경우 이례적으로 굉장히 긴 지방 아실 체인(ultra-long fatty acyl chain)을 가졌으며, 지방 아실 그룹이 N-linked 지방산의 ω-가장자리에 연결되어 있다는 점(이로 인해 two-chain 분자가 아닌 three-chain 분자로 구성된다)으로 인해 앞서 설명한 스핑고지질과 차이점을 보인다. 이런 스핑고지질의 대사에 관여하는 효소를 억제하면 특정 형태의 피부가 형성이 안되고, 심각한 탈모 증상을 보였다. CerS3, ELOVL4 (elongation of very-long-chain fatty acid protein 4), CYP4F22 (ω-가수분해효소), 글루코실세라마이드 합성효소(UGCG), PNPLA1 등의 결핍은 피부 상피 조직의 구조/기능적 문제를 야기한다. ELOVL3, ELOVL4, CerS4, ACER1의 결핍은 탈모에 연관되어 있다. 피부의 주 기능 중 하나가 방어막 형성이기 때문에, 피부에 존재하는 세라마이드의 구조가 이례적으로 긴-체인 구조인 것은 피부 방어막 형성을 위한 것으로 보인다.

5.6 뼈와 연골발달에 관련된 스핑고지질의 대사

nSMase2는 뼈와 연골의 발달에 중요한 스핑고지질로 알려져 있다. 마우스에서 nSMase를 녹아웃하자 전체적으로 더딘 성장을 보였다. 또한 불완전 골형성(osteogenesis imperfecta)의 마우스 모델인 fro/fro 마우스에서 sSMase의 유전자인 Smpd3가 비활성화되어 있었다. 이후 연구에서 연골세포(chondrocyte)와 골아세포(osteoblast)에서 Smpd3를 지우자 불완전 골형성 증상이 나타났으나, 연골세포에서만 Smpd3 유전자를 지우자 불완전 골형성 증상이 완화되었다. 이 연구에서는 연골세포와 골아세포 모두에서 정상발달을 위해 nSMase2의 발현이 필요하다고 보고하였다. 또 다른 연구에 의하면, nSMase는 뼈 형성 단백질2(bone morphogenetic protein 2, BMP2)와 all-trans retinoic acid (ATRA)의 다운스트림 타깃인 것으로 보고하였는데, 이 ATRA는 뼈와 연골 형성에 매우 중요한 조절 인자이다.

6. 결론, 그리고 전망

포유류의 세포에서 스핑고지질이 세포 내, 그리고 개체 내에 미치는 영향은 방대하다. 특히, 모든 조직과 장기에서 상호작용이 일어나는 개체 수준으로 스핑고지질의 영향에 대한 연구를 확대하게 되면 그 네트워크가 매우 복잡해진다. 기술의 발전으로 분자 구조의 분석이 가능해지고, 신호전달 경로가 밝혀지면서 스핑고지질의 네트워크와 다면적인 영향력에 대한 상당 부분이 밝혀졌다. 하지만 아직도 갈 길이 멀다. 특히 스핑고지질 대사에 관여하는 효소들을 조절하는 분자적/생물화학적 기전과, 각 효소의 발현량의 변화 측면으로 더 많은 연구가 필요하다. 또한 아직도 많은 세라마이드와 스핑고이드 염기들이 그 기전이 밝혀지지 않았다. 각각의 스핑고지질이 생리/병리적 상황에서 나타나는 변화를 이해할 수 있다면 스핑고지질이 생물학에서 시행하는 기능을 더 명확하게 정의할 수 있을 것이다.

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이진호(2019). 스핑고지질과 생리, 질병 상황에서의 이들의 대사. BRIC View 2019-R12. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3233 (May 28, 2019)
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