KAIST는 생명화학공학과 김유식 교수와 임성갑 교수, 분당서울대병원 류마티스내과 이윤종 교수 그리고 미국 플로리다주립대 차승희 교수 공동 연구팀이 희귀난치성 자가면역질환인 쉐그렌 증후군(Sjögren’s Syndrome)을 유발하는 주요 인자를 찾아냈다고 31일 밝혔다.

원인불명의 만성 전신 염증 질환인 쉐그렌 증후군은 눈물샘 및 침샘 등 외분비샘을 주로 침범하는 자가면역질환이다. 안구 및 구강건조증 등 외분비샘 기능 저하가 가장 흔한 증상이지만, 외분비샘 외 장기 침범이 다양하고 악성 림프종 합병증에 대한 위험이 특징적으로 수반되고 있다. 주로 중년 여성에게 나타나며 환자 중 약 3분의 1은 림프종, 관절염, 간 손상, 기관지염 등의 다양한 전신증상을 겪으며, 악성 림프종 및 폐 섬유화 합병증으로 조기 사망할 수 있는 무서운 질환이다.

연구팀은 쉐그렌 증후군에서 비정상적인 면역 활성을 유발해 외분비샘 조직 손상을 일으키는 물질로 미토콘드리아 이중나선 RNA(mitochondrial double-stranded RNA, 이하 mt-dsRNA)를 제시했다. 

이번 연구는 mt-dsRNA라는 쉐그렌 증후군 증상 조절 인자를 최초로 확립해 비침습성 조기 진단법 및 치료제 개발을 위한 이론적 기반을 제공할 것으로 기대된다.

KAIST 생명화학공학과 윤지민 박사과정생과 이민석 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 `몰레큘러 테라피 뉴클레익 에시드(Molecular Therapy – Nucleic Acids)'에 지난 9월 27일 게재됐다. (논문명 : Mitochondrial double-stranded RNAs as a pivotal mediator in the pathogenesis of Sjögren’s syndrome)

쉐그렌 증후군은 질병의 심각성에도 불구하고 지금까지 질환의 병태생리를 대변하는 유전자 마커 없이 환자의 증상을 기반으로 진단이 이뤄지고 있으며 치료제 또한 존재하지 않는 희귀성 난치질환이다. 또한, 쉐그렌 증후군 진단은 이미 외분비샘 조직 손상이 상당히 진행된 후에 가능하고 진단법 역시 증상을 기반으로 해 낮은 질병 특이도를 갖고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 연구팀은 질병의 발병 및 진행 메커니즘을 분석해 쉐그렌 증후군의 조기 진단과 치료 효과를 기대할 수 있는 신규 면역 제어 표적 물질을 확립하고자 했다.

쉐그렌 증후군 환자에게서는 특히 이중나선 RNA(dsRNA)를 인지하는 선천성 면역 반응 단백질의 과활성화 그리고 이에 의한 항바이러스성 인터페론 반응이 관찰됐다. 하지만 지금까지 dsRNA가 실제 질환에 관여하는지는 보고된 바 없으며 dsRNA를 표적으로 하는 진단법 및 치료 방향을 탐색한 연구 또한 존재하지 않는다. 

세포 내 자연적으로 존재하는 RNA도 dsRNA를 형성해 선천성 면역반응을 조절할 수 있다. 세포 내재 dsRNA를 생성하는 대표적인 세포 내 소기관은 미토콘드리아이며 mt-dsRNA 또한 선천성 면역반응 단백질에 의해 인지되어 인터페론 반응을 유도할 수 있다. 연구팀은 쉐그렌 증후군 환자에서 관찰된 과도한 면역 활성의 특징과 미토콘드리아 기능 이상 등을 고려해 mt-dsRNA가 질환 발병에서 중요한 기능을 할 것이라는 가설을 세우고 연구를 수행했다.

연구팀은 쉐그렌 증후군 환자의 누액과 타액을 분석한 결과 환자 특이적으로 mt-dsRNA의 과발현 현상을 확인했다. 이는 환자의 일차 세포 및 쉐그렌 증후군 모델 생쥐의 손상된 침샘에서도 확인됐다. 연구팀은 이에 mt-dsRNA의 기능을 분석하기 위해 세포 실험을 진행했다. 특히, 타액선 세포주의 3차원 스페로이드 배양 시스템을 구축해 보다 정확한 질병 환경을 모사했다. 그 결과 mt-dsRNA의 발현이 면역 활성이 유발되는 스트레스 상황에서 증가하며 이는 면역 활성의 촉진제 역할을 한다는 것을 연구팀은 규명했다. 특히, mt-dsRNA의 발현을 억제했을 때 면역 활성이 감소하며 질환의 특징이 일부 복원되는 것을 확인했다. 

나아가 연구팀은 쉐그렌 증후군 환자의 증상 완화에 활용되는 필로카핀의 치료 메커니즘에서 mt-dsRNA의 기능을 분석했다. 연구팀은 M3R 수용체 작용제인 아세틸콜린이 mt-dsRNA 조절을 통해 면역 활성을 억제하며 쉐그렌 증후군 환자에서 추출된 자가항체가 아세틸콜린을 억제해 과도한 면역 활성을 유발한다는 것을 확인했다. 필로카핀이 아세틸콜린을 모방하는 M3R 작용제임을 고려했을 때, 연구팀은 약물의 효과를 대변할 수 있는 마커로서 mt-dsRNA의 기능성을 검증했다.

KAIST 생명화학공학과 김유식 교수는 "이번 연구를 통해 난치병으로 인식되고 있는 쉐그렌 증후군에서 mt-dsRNA라는 새로운 병인을 제시했다ˮ면서 "특히, mt-dsRNA 발현량 조절을 통한 면역 과활성화의 완화 효과를 고려했을 때 쉐그렌 증후군 외 기타 자가면역질환에서도 mt-dsRNA라는 새로운 생태 병리학적 마커를 활용해 진단 및 치료 전략을 마련할 수 있을 것ˮ이라고 말했다.

이번 연구는 KAIST-SNUBH End Run 협업 과제, 보건복지부 공익적 의료기술연구사업 및 산업통상자원부 기술혁신프로그램사업의 지원을 받아 수행됐다.
 

□ 연구개요

1. 연구 배경
쉐그렌 증후군은 눈물샘 및 침샘 등 외분비샘을 주로 침범하는 난치성 자가면역질환이다. 특히 이중나선 RNA (double-stranded RNA, dsRNA)를 인지하는 선천성 면역 단백질의 과활성화와 이에 의한 인터페론 반응 그리고 미토콘드리아 기능 이상이 보고되었다. 본 연구진은 선행 연구를 통해 미토콘드리아에서 dsRNA (mt-dsRNA)가 생성되고 이는 선천성 면역반응 단백질에 의해 외부물질로 인식되어 비정상적인 면역반응을 유발한다는 것을 밝혔다. 본 연구에서는 선행 연구 결과와 쉐그렌 증후군 환자의 특징을 고려하여 mt-dsRNA가 세포의 면역 과활성화에 관여할 것이라는 가설을 세웠고 이를 바탕으로 쉐그렌 증후군의 조기진단 및 치료 전략을 제시하기 위한 연구를 수행했다.

2. 연구 내용
미토콘드리아의 heavy와 light-strand RNA가 서로 결합하여 생성된 mt-dsRNA가 쉐그렌 증후군 발병에 미치는 영향을 규명하기 위해 분당서울대학교병원 류마티스내과 이윤종 교수 연구팀과 공동 연구를 수행했다. mt-dsRNA의 발현량이 쉐그렌 증후군 환자의 누액과 타액에서 특이적으로 증가되어있다는 점을 확인하였고 이를 바탕으로 질병 환경을 모사하여 mt-dsRNA의 기능을 분석하기 위해 in vitro 세포 실험을 진행했다. 카이스트 생명화학공학과 임성갑 교수와의 협업을 통해 타액선 세포주의 3차원 스페로이드 배양 시스템을 구축하였고 스트레스 상황에서 mt-dsRNA 발현량이 증가하며 이들이 세포질에 노출되어 면역반응을 유발하는 것을 확인했다. 또한, 쉐그렌 증후군 환자에서 보고된 밀착 연접 단백질 및 물-채널 단백질 발현량 감소를 확인하였다. 

추가적인 mt-dsRNA의 기능연구를 위해 미토콘드리아의 전사를 억제하여 mt-dsRNA 발현을 감소시키고 세포내 면역반응에 미치는 영향을 분석하였다. mt-dsRNA의 감소는 쉐그렌 증후군 모사 환경에서 선천성 면역반응 단백질의 활성화 및 인터페론 반응 증가 현상을 억제하고, 밀착 연접 및 물-채널 단백질 발현량을 복원한다는 점을 확인하였다.

연구진은 더 나아가 M3R 수용체 작용제인 아세틸콜린이 mt-dsRNA 조절을 통해 면역활성을 억제하며 실제 쉐그렌 증후군 환자에서 추출된 자가항테가 아세틸콜린을 억제하여 과도한 면역활성을 유발한다는 점을 규명했다. 현재 증상 완화에 활용되는 필로카핀이 아세틸콜린을 모방하는 M3R 작용제임을 감안했을 때 약물의 효과를 대변할 수 있는 마커로서 mt-dsRNA의 가능성 또한 확인할 수 있다.

3. 기대 효과
해당 연구 결과를 바탕으로 쉐그렌 증후군에서 세포 내재 mt-dsRNA의 역할을 규명하고 그 발현량을 조절함으로써 자가면역질환의 조기 진단 및 새로운 치료 표적 물질을 제시하였다. 본 연구를 활용하여 쉐그렌 증후군뿐만 아니라 대사 및 신경질환과 같은 난치성 질환에서 비정상적 면역 활성을 이해하고 mt-dsRNA를 활용하여 이들의 조기진단 및 완치의 시대를 열 수 있을 것으로 기대된다.

그림 1. 쉐그렌 증후군의 발병 메커니즘 모식도: dsRNA 스트레스에 의한 쉐그렌 증후군 모사 환경 구축과 이에 따른 mt-dsRNA 전사체 발현량 증가 및 노출. 타액선 세포주 및 환자 검체를 활용하여 mt-dsRNA 발현량 조절을 통한 쉐그렌 증후군 증상 완화 효과 확인.