장내 유익균이 노화나 수명에도 영향을 줄 수 있다는 동물모델을 이용한 연구결과가 소개됐다. 

한국연구재단은 조병관 교수(KAIST), 이철호, 김병찬 박사(한국생명공학연구원) 공동연구팀이 노령 쥐에 장내 유익균을 경구 투여, 건강 수명 연장 가능성을 확인했다고 밝혔다.

소화기 건강은 물론 암, 우울증, 비만, 치매, 파킨슨병, 당뇨뿐만 아니라 전신염증, 노화 같은 다양한 질병과 마이크로바이옴과의  상관관계에 대한 연구가 활발하다.
 ※ 마이크로바이옴(Microbiome) : 장 속에 공존하는 수십억 마리의 미생물 군단으로, 체내에서 영양분 흡수, 면역체계 조절, 뇌 발달조절 등 중요한 역할을 함
건강 수명은 보통 유전적 요인과 환경적 요인의 상호작용으로 결정되는데, 노화가 진행되면서 장(腸)벽 기능 저하와 투과성 증가는 노화의 원인 중 하나인 만성염증의 원인이 될 수 있다.

노화가 진행됨에 따라 장내 미생물 구성 역시 끊임없이 변화되며, 이러한 변화는 건강과 수명에 큰 영향을 미친다.

때문에 외과적 방법으로 젊은 쥐와 노령 쥐의 혈액을 공유하는파라바이오시스(Parabiosis) 모델이나 조로증 마우스 모델에 젊은 쥐의 장내 미생물을 전달하여 수명을 증대시키는 연구 등도 이 때문이다.

하지만 현재까지 다양한 회춘방법에 따른 노화과정과 장내 미생물군 유전체의 변화는 아직 비교된 바 없으며, 유익한 장내 미생물을 이용하여 노령 쥐의 건강 수명을 연장한 연구는 없었다.

이에 연구팀은 노화 및 회춘 생쥐모델을 구축하고, 장내 미생물 메타게놈 분석을 진행하여 아카먼시아 미생물 및 부티레이트(Butyrate) 생합성 경로 관련 유전자들이 회춘에 중요한 역할을 하고 있음을 규명하였다.
 ※ 메타게놈 분석 : 특정 환경 시료에 존재하는 모든 유전체의 집합을 동시에 분석. 시료 내 존재하는 전체 미생물 군집을 파악할 수 있을 뿐만 아니라 군집 내 어떤 대사회로가 있는지 밝힐 수 있다.

나아가 아카먼시아 미생물을 노령 쥐에 경구 투여하여 마이크로바이옴 패턴을 변경, 노령 쥐의 장 건강, 근육 기능, 인지능력 그리고 면역체계의 노화 관련 표현형을 개선하여, 결과적으로 노령 쥐의 건강 수명을 연장했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오의료기술 개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 마이크로바이옴(Microbiome) 2021년 12월 15일 온라인판에 게재되었다.
 

주요내용 설명

 <작성 : 카이스트 조병관 교수>

논문명
Ageing and rejuvenation models reveal changes in key microbial communities associated with healthy ageing
저널명
Microbiome
키워드
Ageing(노화), Rejuvenation(역노화), Microbiome(마이크로바이옴), Akkermansia muciniphila(아카먼시아 뮤시니필라), Metagenomics(메타게노믹스)
DOI
https://doi.org/10.1186/s40168-021-01189-5
저  자
신종오(제1저자, KAIST), 노정란(제1저자, 한국생명공학연구원), 최동희(KAIST), 이남일(KAIST), 송요셉(KAIST), 조수형(KAIST), 강은정(한국생명공학연구원), 고민정(한국생명공학연구원), 하석균(한국생명공학연구원), 장동호(한국생명공학연구원), 김재훈(한국생명공학연구원), 김용훈(한국생명공학연구원), 김경심(한국생명공학연구원), 정혜영(한국생명공학연구원), 김명희(한국생명공학연구원), 성봉현(한국생명공학연구원), 이승구(한국생명공학연구원), 이대희(한국생명공학연구원), 김병찬(교신저자, 한국생명공학연구원), 이철호(교신저자, 한국생명공학연구원), 조병관(교신저자, KAIST)

1. 연구의 필요성

○ 건강 수명은 일반적으로 유전적 요인과 환경적 요인의 상호작용으로 결정된다. 특히, 노화가 진행되면서 장 내 장벽 기능이 저하되고, 이는 장 투과성의 증가로 인해 전신 염증이 유발될 수 있다. 이러한 만성 염증은 세포 노화, DNA 손상 및 장 내 미생물 불균형과 같은 결과를 가져오며, 노화의 원인 중 하나로 지목되고 있다.
○ 노화가 진행됨에 따라 장내 미생물 구성이 변화되며, 이러한 변화는 숙주의 건강과 수명에 큰 영향이 미치는 것으로 알려져 있다. 예를 들어 노화 마우스 모델의 장내 미생물 군집을 무균 마우스 모델에 분변 미생물군 이식을 통해 전달할 경우, 만성 염증이 매우 증가한다.
○ 최근 다수의 연구에서는 100세 이상 장수하는 사람 내 장내 미생물에는 아커먼시아(Akkermansia), 비피도박테리움(Bifidobacterium), 크리스텐세넬 라시아 (Christensenellaaceae)와 같은 유익한 장내 미생물이 높은 비율로 존재하고 있음이 보고되었다.
○ 그뿐만 아니라, 건강 수명을 증대시키기 위해, 현재까지 다양한 방식의 회춘 모델이 시도됐다. 젊은 쥐와 노령 쥐를 외과 수술로 몸을 붙인 후 몇 개월간 혈액을 공동으로 사용하게 하는 파라바이오시스 모델은 노화된 마우스의 근육을 재생시키고 인지능력을 회복시킨 바 있다.
○ 또한 최근 조로증 마우스 모델에 젊은 쥐의 장내 미생물을 분변 미생물군 이식을 통해 전달했을 때, 조로증의 수명을 증대시킨 연구 결과가 보고된 바 있다.
○ 하지만 현재까지 다양한 회춘 방법에 따른 노화 과정과 장내 미생물군 유전체의 변화는 아직 비교된 바 없으며, 유익한 장내 미생물을 이용하여 노령 쥐의 건강 수명을 연장한 연구 결과도 보고된 적이 없다.
○ 본 연구진은 노화 마우스 모델과 3가지의 회춘 마우스 모델을 구축하고, 노화와 회춘 과정에서의 표현형과 장내 미생물 군집의 변화를 메타게놈 분석을 통해 확인하였다[그림 1].
    ※ 메타게놈 분석 : 특정 환경 시료에 존재하는 모든 유전체의 집합을 동시에 분석하는 방법. 미생물을 분리, 배양하지 않고 바로 시료로부터 모든 미생물의 DNA를 동시에 추출하고 차세대 시퀀싱 기법을 통해 모든 염기서열을 확인하여 전체 유전자를 분석하는 방법을 의미한다. 이러한 분석법은 시료 내 존재하는 전체 미생물 군집을 파악할 수 있을 뿐만 아니라 군집 내 어떤 대사회로가 있는지 밝힐 수 있다.
    ※ 노화 마우스 모델: 1주령, 4주령, 20주령, 50주령, 그리고 100주령까지 쥐가 노화되는 과정을 나타내는 마우스 모델
    ※ 3가지 회춘 마우스 모델: 1) 젊은 쥐(20주령)와 노령 쥐(100주령) 합사를 통한 분변 미생물군 이식, 2) 젊은 쥐과 노령 쥐 간의 외과적으로 혈액을 연결하는 파라바이오시스 모델, 3) 젊은 쥐의 혈액으로부터 혈청을 추출하여 노령 쥐에 전달하는 혈청 주입 모델

2. 연구내용

○ (노화와 관련된 장내 미생물 구성 메타 게놈 기능 변화 규명) 본 연구진은 여러 연령대의 노화 모델을 만들고, 장내 마이크로바이옴의 구성과 메타게놈의 기능을 분석하였다[그림 1]. 마이크로바이옴 분석 결과, 20주령의 젊은 쥐에는 유익균으로 알려진 아카먼시아를 포함한 5종의 미생물이 유의하게 높은 비율로 존재함을 확인할 수 있었으며, 100주령의 노령 쥐에서는 유해균으로 알려진 파라프레보텔라(Paraprevotella)를 비롯한 13종의 미생물이 높은 비율로 존재함을 확인하였다.
○ 또한 회춘 모델 분석 결과, 3가지 회춘 모델 모두에서 노령 쥐에서 유의하게 많이 발견되었던 유해 미생물은 감소함을 확인하였다. 이와 달리, 합사 및 혈청 주입 모델에서는 아카먼시아 미생물이 유의하게 증가한 것을 확인할 수 있었다.
○ 메타게놈 분석을 통한 장 내 미생물의 대사경로 변화 분석 시, 회춘 모델의 노령 쥐는 기존의 젊은 쥐와 비슷한 미생물 대사경로로 변화되는 것을 규명하였다. 이때 대표적으로 차이 나는 대사회로 및 단백질로는 γ-아미노부티르산(GABA), 부티레이트(butyrate) 생산경로, 그리고 아카먼시아 미생물 유래 AMUC_1100 단백질이다.
     * γ-아미노부티르산는 염증을 조절할 수 있고, 부티레이트는 글루카곤 유사 펩티드 1(GLP-1) 및 펩티드 YY(PYY)의 방출을 자극하여 인슐린 분비 유도하며, AMUC_1100 단백질은 장 배상세포(goblet cell) 밀도를 높이고 TLR2(Toll-like receptor 2)를 자극하여 장 장벽 기능을 향상시킬 수 있다.
○ (아카먼시아 미생물 구강 섭취를 통한 건강 수명 증대) 아카먼시아 미생물 구강 섭취를 통해 건강 수명이 증대될 수 있는지 확인하였다[그림2]. 노령 쥐의 아카먼시아 구강 섭취는 장 내 아카먼시아 미생물의 양을 20배 이상 증대시킬 수 있었다. 또한, 노화 유래 장 기능 저하 및 염증 기능 완화뿐만 아니라 전반적인 노쇠 지수, 인지능력 및 골격근을 향상시킬 수 있음을 입증하였다[그림2 가-사].
○ 아카먼시아 투여는 체내 윈트 신호전달계(Wnt Signaling) 유전자의 발현 회복을 유도할 수 있음을 규명하였다. 노화가 진행될수록 림프계(lymphoid)에 속하는 T-세포과 B-세포의 양이 줄어들게 되면서 골수계(myeloid)에 속하는 호중구는 증가하게 되는데, 아카먼시아의 구강투여를 통한 윈트 신호전달계의 발현 회복은, 마우스의 골수 영역에서 ICAM-1 발현을 제어함으로써 혈액과 면역체계에 중요한 역할을 하는 조혈 시스템의 노화를 복원할 수 있음을 입증하였다[그림2 아-차].

3. 기대효과

○ 본 연구팀은 노화 및 회춘 마우스 모델 내 장내 미생물 메타게놈 데이터 분석을 통해 아카먼시아 미생물 및 부티레이트 생합성 경로 관련 유전자들이 회춘에 중요한 역할을 하고 있음을 규명하였다.
○ 본 연구에서 입증한 아마컨시아 미생물과 같은 유익균의 경구 투여는 노화 쥐의 장 완전성, 근육 기능, 면역체계의 노화 관련 표현형을 개선하여 건강 수명의 증대 가능성을 제시하였다.
 

(그림1) 노화 마우스 모델 및 회춘 마우스 모델 메타게놈 분석
노화 마우스 모델은 1, 4, 20, 50, 100주령의 그룹으로 이루어져 있음. 회춘 마우스 모델은 20주령의 젊은 마우스와 100주령의 노령 마우스를 바탕으로 1) 합사 모델, 2) 파라바이오시스 모델, 그리고 3) 혈청 주입 모델 총 3가지로 구성하였음. 각 마우스 모델로부터 장내 미생물의 메타게놈 분석 결과, 회춘 마우스 모델 내에서 아카먼시아 미생물 등의 젊은 쥐 특이적 미생물이 증가하고, 노령 쥐 특이적인 장내 미생물이 감소하였으며, 특이적인 미생물 대사회로(펙틴분해, 뷰티레이트, GABA 합성회로)의 증가를 확인함
그림설명 및 그림제공 : KAIST 조병관 교수,  생명연 이철호 박사
 

(그림2) 아카먼시아 구강투여를 통한 노령 쥐의 건강수명 증대
아카먼시아 구강투여 노령 그룹과 비 투여 노령 그룹 간의 (가) 노쇠 지수(Frailty index) 및 (나) 물체 분별 척도(discrimination index)를 비교, (다) 아카먼시아 구강투여 노령 그룹과 비 투여 노령 그룹 간의 가자미근(soleus), 전방 경골(tibialis anterior) 및 비복근 골격근(gastrocnemius skeletal muscles)의 무게 비교, (라) 아카먼시아 구강투여 노령 그룹과 비 투여 노령 그룹 간의 그립 강도 비교, (마) 라미닌(laminin)으로 염색된 전방 경골 근육(tibialis anterior)의 대표적인 이미지(왼쪽 패널) 및 평균 전방 경골 근육(tibialis anterior) 섬유 크기(오른쪽 패널), (바) 단면 전방 경골근육(tibialis anterior) 섬유 크기 분포 비교, (사) 근육 분화의 표지 인자들(MyHC, Igf-1 및 Pax7) mRNA 발현의 qRT-PCR 분석, (아) 아카먼시아 미생물 구강투여 노령 그룹과 비 투여 노령 그룹 간의 윈트 신호전달계 유전자 발현 비교, (자) 아카먼시아 미생물 구강투여 노령 그룹과 비 투여 노령 그룹 간의 혈액 내 호중구, T 세포 및 B 세포의 빈도, (차) 아카먼시아 미생물 구강투여 노령 그룹과 비 투여 노령 그룹 간의 골수 영역에 존재하는 조혈모세포는 분화를 조절하는 ICAM-1 유전자 발현 수준 비교
그림설명 및 그림제공 : KAIST 조병관 교수, 생명연 이철호 박사

연구 이야기

<작성 : KAIST 조병관, 생명연 이철호>

일반적으로 나이가 들어감에 따라 사람들이 공통으로 가지고 있는 마이크로바이옴은 줄어들고, 개인 특이적인 마이크로바이옴이 형성되게 됩니다. 특히 100세 이상 장수하는 사람들의 장 내에는 아카먼시아 미생물을 비롯한 여러 유익균이 장내 미생물이 특징적으로 많이 존재함이 보고되고 있습니다. 이러한 점은 장내 미생물의 구성성분이 사람의 수명과 관련 있음을 시사합니다.

특히 나이가 들어가면서, 장내 장점막 투과성(Intestinal permeability)이 약해지게 되는데, 이는 장내 장벽의 기능(intestinal barrier function)을 무너뜨리게 됩니다. 이에 따라 장내 미생물과 이들이 만드는 물질에 의해 전신 염증(systemic inflammation)이 발생하게 되고, 이들은 노화와 관련 질병을 가속화 하게 됩니다. 결과적으로 노화와(예를 들어, 파킨슨병과 같은) 노화 관련 질병들은 장내 장벽의 기능 및 장내 미생물의 구성과 많은 관련성 있습니다.

본 연구진은 우선 노화와 장내 미생물 간의 관계를 확인해보기 위해, 각 나이에 따른 마우스 모델을 제작하고 이들의 마이크로바이옴 차이를 비교분석 하였습니다. 이와 동시에, 합사 모델, 파라바이오시스 모델, 그리고 혈청 주입 모델 등 여러 회춘모델을 구축하고, 마이크로바이옴 분석을 통하여 회춘 시 특징적으로 변화되는 마이크로바이옴 내 미생물은 무엇인지를 밝히고자 하였습니다.

결과적으로 노화 및 3가지 회춘 마우스 모델을 구축하고 장내 미생물의 메타 게놈 분석을 통해 아카먼시아를 비롯한 노화와 관련된 주요한 마이크로바이옴과 펙틴 분해 및 뷰티레이트, GABA 합성회로가 중요하게 작용함을 확인하였다. 더 나아가, 본 연구진은 노령 마우스에 아카먼시아 구강투여를 통해, 노령 쥐의 장내 건강, 인지능력, 근골격, 면역 노화를 복원함으로써, 더욱 건강한 노화가 가능함을 증명할 수 있었습니다.

향후, 노화와 관련된 다양한 질병 치료가 가능한 마이크로비옴 기반 치료미생물 개발을 위해 합성생물학 기술을 도입하고 관련 상업화를 계획하고 있습니다. 감사합니다.