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자가포식을 이용한 당뇨병 치료제 개발에 새길 열어...삼성서울병원 이명식 교수 연구팀
Bio통신원(미래창조과학부)
국내 연구진이 당뇨병 환자의 90% 이상에서 관찰되는 아밀로이드* 축적에 의한 2형 당뇨병**의 발병을 억제하는 자가포식***의 기능을 규명했다. 나아가 자가포식이 결핍된 췌장소도 세포에서는 아밀로이드가 축적, 당뇨병을 유발한 반면, 자가포식이 증진된 췌장소도세포에서는 아밀로이드의 축적이 억제되고, 혈당이 개선됨을 밝혀, 향후 2형 당뇨병 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다.
* 아밀로이드 : 세포 조직 내에 축적되는 불용성 단백질 덩어리로, 뇌 조직 내에 아밀로이드가 축적되어 발병하는 알츠하이머병이 대표적 아밀로이드성 질환임
** 2형 당뇨병 : 보통 성인에서 보는 당뇨병으로 소아나 청소년에서 주로 발생하는 자가면역성 1형 당뇨병과는 달리, 기본적으로 대사질환이며 경구 당뇨병약으로 치료한다. 2형 당뇨병 환자의 90% 이상에서 췌장 소도에 아밀로이드가 축적되어 있다.
*** 자가포식 : 세포 내 손상된 분자나 세포소기관 등을 제거하는 정화작용으로 노화, 퇴행성 신경질환, 대사질환, 감염/면역질환 등과의 관련성이 보고되고 있음
삼성서울병원 이명식 교수 연구팀(제1저자 성균관대 삼성융합의과학원 석박사 통합과정 김진영 연구원)이 삼성의료원과 울산의대 강상욱 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구실(Global Research Lab)사업 등의 지원을 받았고, 연구결과는 기초․임상의학 분야 국제학술지 임상연구저널(Journal of Clinical Investigation) 온라인판 7월 18일자에 게재되었다. (논문명 : Amyloidogenic peptide oligomer accumulation in autophagy-deficient β cells induces diabetes)
일반적으로 90% 이상 당뇨병 환자의 췌장세포에서는 알츠하이머 환자의 뇌 조직에서 보이는 것과 흡사한 아밀로이드가 축적되어 있으며, 이는 당뇨병의 발병에 직접적인 영향이 있을 것으로 생각되어 왔다. 그러나 비정상적인 아밀로이드의 축적 과정이나 이를 제거하는 방법은 알려지지 않고 있었다.
연구팀은 변성된 단백질을 제거하는 자가포식이 아밀로이드의 축적을 억제하여 당뇨병을 치료할 수 있을 가능성에 착안하였고, 사람과 같은 형태의 아밀로이드를 생산할 수 있는 유전자를 발현하는 유전자 조작 생쥐에서 자가포식이 일어나지 못하도록 함으로써, 당뇨병이 발생하는 것을 발견하였다. 즉, 축적된 아밀로이드를 자가포식으로 제거하지 못하면 인슐린을 분비하는 췌장세포가 손상되고 결국 인슐린 분비가 줄어 당뇨병을 유발할 수 있다는 것이다.
실제 자가포식이 일어나지 않는 생쥐는 정상생쥐에 비해 혈중 인슐린 농도가 낮게 나타났다. 아밀로이드와 hIAPP* 중합체가 자가포식으로 제거되지 못해 세포에 손상을 주는 것이다.
* hIAPP (human Islet amyloid polypeptide) : 인간 췌장소도에서 분비하는 아밀로이드 중합체로 인슐린과 함께 분비되는 아미노산 37개의 펩타이드 호르몬이다. 생쥐의 IAPP와 달리 hIAPP중합체 및 아밀로이드를 형성한다.
반면 이 생쥐에 자가포식을 증진시킬 수 있는 물질(trehalose)을 투여하자 아밀로이드 축적이 줄어들면서 당뇨 증상이 호전되는 것으로 나타났다. 이 교수는 "자가포식 조절제가 당뇨병 치료제로의 개발될 수 있는 가능성을 보여주는 것으로 아밀로이드 축적이 관찰되는 알츠하이머 등 퇴행성 신경질환에도 같은 원리가 적용될 수 있을 것”이라고 내다봤다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
자가포식은 기능이 상실된 미토콘드리아 등 세포 소기관과 변성 단백질들을 분해하여 세포 내 항상성 유지와 세포 생리 기능을 유지하는 과정이다. 자가포식이 정상적으로 조절되지 않으면 퇴행성 신경질환 및 암, 대사질환 등과 같은 여러 질병이 발병한다는 연구가 나오고 있다.
당뇨병의 발생과 관련된 자가포식 연구는 주로 유전자 조작 생쥐모델을 쓰고 있으나 실제 사람의 당뇨병의 경우는 생쥐와 달리 췌장소도에 알츠하이머병과 유사한 아밀로이드가 축적되어 세포손상을 일으킨다는 점에서 크게 차이가 있어 마우스 모델 연구의 한계로 인식되고 있다.
본 연구는 사람의 당뇨병에서 관찰되는 아밀로이드의 축적에 의한 당뇨병에서 자가포식의 역할을 규명하기 위해 시작되었다.
2. 연구방법
먼저 사람의 당뇨병과 유사한 아밀로이드를 축적하는 유전자 변형 생쥐(hIAPP 생쥐)를 사용하여 유전자 조작으로 췌장소도에 자가포식이 결핍되게 하였다. 그리고 이 생쥐의 혈당과 인슐린 분비 등을 측정하여 당뇨병 증상이 나타나는 지 알아보았다. 또 이 생쥐에서의 췌장소도세포의 기능과 사멸여부와 함께 hIAPP 중합체와 아밀로이드가 축적되는지를 관찰하였다. 이와 함께 자가포식 증진 효과가 있는 trehalose 를 투여하여 hIAPP 마우스에서 아밀로이드 축적이 감소하는지 그리고 당뇨병이 호전되는지 조사하였다.
3. 연구결과
hIAPP 는 생체내에서 아밀로이드를 만드는 유전자인데 실제로 아밀로이드 자체 보다는 아밀로이드 형성의 중간 과정에서 생기는 hIAPP 중합체 (oligomer) 가 더 세포 독성이 심한 것으로 추정된다. 아밀로이드를 형성할 수 있는 hIAPP를 유전자 조작으로 마우스에 발현하는 경우에도 자가포식이 정상적인 경우는 hIAPP 중합체 또는 아밀로이드가 축적되지 않았다. 이번의 연구에서는 자가포식이 결핍된 경우 아밀로이드 축적과 hIAPP 중합체의 축적이 일어나는 것을 thioflavin-S staining 과 hIAPP 중합체에 대한 특이 항체를 이용한 면역조직학적 방법으로 발견하였다.
아밀로이드 및 hIAPP 중합체 축적으로 췌장소도세포 사멸이 오며 이로 인해 사람에서 발생하는 형태의 당뇨병이 발병됨을 알아냈다. 나아가 자가포식 증진제 투여로 아밀로이드 축적을 줄이고 당뇨병을 호전시킬 수 있는 것으로 나타났다.
또한 이번에 연구에서 세포 독성이 강한 hIAPP 중합체의 형성 과정의 중요한 부분을 발견하였다. 즉 발병 초기의 단계에서 특히 자가포식이 저하된 경우 hIAPP의 전구물질인 pro-hIAPP의 이합체(dimer) 및 삼합체(trimer)가 형성되는 것을 증명하였으며 이는 hIAPP 가 축적되어 중합체 및 아밀로이드를 형성하는 과정의 최초의 단계 즉 사람의 당뇨병 발병 과정에서 아밀로이드 형성의 ‘the initial event'를 발견한 것으로 생각된다.
4. 기대효과
그간 생쥐모델을 이용한 당뇨병 연구와 달리 실제 사람의 당뇨병과 유사한 아밀로이드가 축적되는 당뇨병의 발생에서 자가포식이 중요한 역할을 하며 비만, 고령, 유전적 소인으로 자가포식이 결핍되는 것이 사람에서 당뇨병이 발생하는 원인이 될 수 있음을 보인다.
또한 자가포식 증진을 통하여 당뇨병 치료 실마리를 제시해 새로운 개념의 치료 의약품 개발의 방향을 제시하였다. 한편 본 연구는 당뇨병 이외에도 아밀로이드가 축적되는 알츠하이머병, 퇴행성 신경 질환, 노화 등의 연구 및 치료제 개발에도 영향을 줄 것을 기대된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1) 그간의 연구와 달리 사람의 당뇨병과 유사한 아밀로이드 축적 생쥐모델을 이용, 자가포식과 당뇨병의 관계 연구함
2) 자가포식을 증진시켜 사람에서와 유사한 당뇨병을 치료의 실마리를 찾음
어디에 쓸 수 있나
자가포식 증진을 통한 제2형 당뇨병 치료제 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대됨
실용화까지 필요한 시간은
5 ~ 10년의 시간이 걸릴 것으로 생각됨
실용화를 위한 과제는
임상적으로 적용할 수 있는 안전하고 부작용 없는 자가포식 증진제/조절제 개발이 관건임
연구를 시작한 계기는
세포사멸과 관련된 자가포식이 세포 기능 유지에 극히 중요함을 깨닫고, 자가포식의 이상은 여러 질환을 일으킬 것 같다는 자각을 하게 되었고 2003년에 이르러 본 연구에 착수하게 됨
에피소드가 있다면
본 연구에서 hIAPP 중합체 형성과정을 밝혔는데 이 과정에서 미국 연구자들의 항체 제공 그리고 울산대 강상욱 교수의 hIAPP 유전자 변형이 큰 기여를 하여 이에 감사드림
꼭 이루고 싶은 목표는
한국의 의학 연구가 미국, 일본과 비슷한 수준에 이를 수 있기를 소망함
신진연구자를 위한 한마디
우리나라는 일본에 비해 연구능력을 갖춘 의사 연구자 저변이 1/100로 생각됨. 젊은 의사들이 의대 대학원 등에서 일정기간 본격적인 연구훈련(training) 을 거쳐 국제적 연구능력을 갖추고 외국 의학연구자와 경쟁할 수 있게 되기를 바람
그림 1. 자가포식 결핍 생쥐모델에서의 당뇨증상과 hIAPP oligomer 및 amyloid 축적
(왼쪽) 자가포식 결핍 생쥐의 혈당
췌장소도세포에서 자가포식이 결핍된 hIAPP 발현 생쥐모델(검정색 원 그래프, hIAPP+Atg7Δβcell)에서만 혈당이 상승하는 것으로 나타났다.
(가운데) hIAPP oligomer 축적
특이항체(I11)를 이용한 면역형광염색 결과 자가포식이 결핍된 hIAPP 발현 생쥐모델(오른쪽 아래 패널, hIAPP+Atg7Δβcell)에서만 hIAPP oligomer 축적(연두색)이 관찰되었다.
(오른쪽) 아밀로이드 축적
화합물(thioflavin-S)을 이용한 화학형광염색 결과 자가포식이 결핍된 hIAPP 발현 생쥐모델(오른쪽 아래 패널, hIAPP+Atg7Δβcell)에서만 아밀로이드 축적(연두색)이 관찰되었다.
그림 2. hIAPP 이합체와 삼합체 형성
(왼쪽) INS-1(Rat insulinoma cell line) 세포에 hIAPP와 mIAPP를 발현하는 DNA벡터를 주입하고 24시간 뒤, 자가포식 저해제 3-MA(3-methyladenin)를 처리하여 24시간 추가배양한 후 세포를 파쇄하여 들어있는 단백질을 분석한 결과, hIAPP 벡터를 주입한 세포에서만 이합체 (Dimer)와 삼합체 (Trimmer)가 관찰되었고(왼쪽, 맨 위 3-4번 레인), 자가포식 저해제(3-MA)를 처리한 세포에서 자가포식에 의한 hIAPP 제거가 저해되어 hAIPP 양이 증가하는 것이 관찰되었다(왼쪽, 맨 위 1-4번 레인). 삼합체의 경우, 수용성 분획(S)에서는 관찰되지 않지 않았고, 막 풍부 불용성 분획(P)에서만 관찰되었다(왼쪽, 맨 위 4번 레인).
(오른쪽) hIAPP 이합체와 삼합체 형성 모델 제안
hIAPP 이합체(Dimer)는 수용성 분획보다 막이 풍부한 분획(membrane-rich fraction)에서 형성될 가능성이 높으며 이합체 중 일부는 수용성 분획(soluble fraction) 으로 이동하고, 다른 나머지는 막 풍부 분획에서 삼합체(Trimmer)를 형성한다. 이합체와 삼합체는 자가포식(autophagy)에 의해 제거된다.
그림 3. 생쥐에서의 자가포식 증진에 의한 당뇨 개선 효과
(왼쪽) 자가포식 증진하는 Trehalose에 의한 혈당개선 효과
매주 혈당을 측정한 결과, 비만을 유발하는 고지방사료(HFD; High fat diet)를 먹은 hIAPP 발현 생쥐(hIAPP+)에 자가포식을 증진시키는 것으로 알려진 trehalose를 주3회 주사한 생쥐(검정색 원 그래프, hIAPP+/HFD + Trehalose)에서 대조군에 비해 혈당이 개선되는 것이 관찰되었다.
(가운데) hIAPP oligomer 축적
Aβ 및 hIAPP oligomer 특이 항체(A11)를 이용한 면역형광염색법을 실시한 결과 동일한 타입의 생쥐(오른쪽 아래 패널, hIAPP+/HFD + Trehalose)에서 hIAPP oligomer(연두색)가 감소한 것이 관찰되었다.
(오른쪽) 아밀로이드 축적
FSB를 이용한 화학형광염색시 동일한 타입의 생쥐(오른쪽 아래 패널, hIAPP+/HFD + Trehalose)에서 아밀로이드(파란색) 축적이 감소한 것이 관찰되었다.
그림 4. 췌장소도 아밀로이드 축적에 의한 당뇨병에서 자가포식의 역할 규명 모식도
자가포식을 증진시키면(위) 아밀로이드가 제거되고 자가포식이 저하되면(아래) 아밀로이드가 축적되면서 췌장소도세포 사멸과 당뇨병이 유발되는 원리를 이용해 당뇨병 치료의 실마리를 찾을 수 있을 것으로 기대된다.
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