핵막 파열 원인 밝혀 질병 예방 및 치료법 개발 단초 마련 

국내연구진이 캐리옵토시스(Karyoptosis)라 명명된 새로운 조절세포사*의 분자 기전을 밝혀 암을 비롯한 인체 질병 예방 및 새로운 치료법과 치료제 개발의 단초를 제공했다.
 * 조절세포사: 세포 내 단백질에 의해 조절이 이루어지는 세포사멸의 방법으로 학문적으로 ‘우연세포사’의 반대 개념

한국연구재단(이사장 이광복)은 가톨릭대학교 조용연 교수 연구팀이 크랩3(CREB3) 단백질에 의해 유발되는 새로운 세포사멸법인 ‘캐리옵토시스’의 분자 기전을 규명했다고 밝혔다. 

세포핵을 둘러싼 핵막은 핵 내·외 물질과 신호의 교환, 염색체의 주성분인 크로마틴 리모델링과 유전자 발현을 조절하는 역할을 한다. 하지만 유전자 손상, 미접힘 단백질 스트레스* 및 세포 이동 과정에서 핵막이 온전성을 상실하면 세포의 사멸**을 유도한다.
* 미접힘 단백질 스트레스: 발현된 단백질이 본연의 형태 및 기능 유지를 위해 접힘 구조가 형성되어야 하나, 세포 내 스트레스 유발 자극으로 인해 접힘 구조가 제대로 형성되지 못하여 발생하는 스트레스
** 세포사멸: 세포의 죽음

2018년 영국에서 처음 보고된 캐리옵토시스는 핵막이 터지면서 핵 내 유전체 노출과 DNA 손상 신호전달 활성화로 세포가 사멸하는 특징을 가진 것으로 알려졌지만, 아직까지 핵막의 온전성 상실 원인과 이로 인한 세포사멸 과정 및 분자 기전은 규명되지 않았다. 

연구팀은 핵막이 터지면서 핵 내 유전체가 유출되고 DNA가 손상되어 세포가 사멸하는 캐리옵토시스 과정을 세계 최초로 실측영상으로 촬영하고 분자기전을 규명했다. 

분석결과 제2형 막내재 단백질인 CREB3가 크로마틴을 핵막에 속박하는 역할을 하였다. 또한 외부 자극 등 비정상적인 방법으로 CREB3에서 분절이 일어나면 핵내 지놈의 팽창력과 핵막 터짐을 막으려는 속박력 사이의 균형이 깨져 핵막이 폭발하듯 터지면서 세포사멸이 일어나는 것을 확인했다. 

연구팀은 캐리옵토시스가 기존 세포사멸법으로 알려진 아팝토시스, 오토퍼지 등과 바이오마커에서 중첩되지 않아 서로 독립적인 세포사멸임을 밝혔다. 

또한 실험을 통한 예측결과, 캐리옵토시스의 세포사멸 영향력*은 약 16-40%로 오토퍼지 등 기존 조절세포사와 유사하거나 탁월했다.  
* 영향력: 전체 세포군에서 캐리옵토시스에 의해 사멸이 되는 세포군의 비

조용연 교수는 “이번 연구는 생명 조절의 근원인 핵막의 온전성 유지 기전을 규명한 데 의의가 있다”라며, “CREB3 단백질을 통한 핵막 온전성 유지 분자 기전이 다양한 인체 질병에 대한 치료법 및 치료제 개발의 원천기술로 활용될 수 있길 기대한다”라고 밝혔다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자 지원사업을 통해 수행되었으며, 한국 생화학분자생물학회지 ‘실험분자의학(Experimental & Molecular Medicine, EMM)’ 온라인에 3월 13일 게재됐다.

주요내용 설명

< 작성 : 가톨릭대학교 조용연 교수 >

논문명 Dysregulated CREB3 cleavage at the nuclear membrane induces karyoptosis-mediated cell death

저널명 실험분자의학(Experimental & Molecular Medicine)

키워드 CREB3, nuclear membrane(핵막), nuclear rupture(핵파열), karyoptosis(캐리옵토시스), regulated cell death(조절세포사)

DOI https://doi.org/10.1038/s12276-024-01195-1

저  자 조용연 교수(교신저자/가톨릭대학교), 이가은 박사(제1저자/가톨릭대학교) 

1. 연구의 필요성

 ○ 핵막은 핵내·외 물질 및 신호교환, 고정된 크로마틴의 리모델링과 유전자 발현을 조절하는 최전선의 기구로 세포의 생존, 분화, 사멸을 조절하는 세포 내 장치이며, 과도한 스트레스, 유전자 손상, 미접힘 단백질 스트레스(unfolded protein stress) 및 세포 이동 과정에서 그 온전성을 상실하면 사멸을 유도한다.

 ○ 캐리옵토시스(karyoptosis)는 2018년 영국 황실대학의 Manolis Fanto 교수에 의해 처음으로 개념이 제안되었으나, 퇴행성뇌질환 환자에서 만성적 오토퍼지의 억제로 인해 핵막의 비정상적 형태 변화와 파열이 관찰되는 등 형태적 특징만이 알려져 있다. 

 ○ 핵막의 파열은 물리적 강한 충격 및 자극, 항암제 처리, 암세포의 전이 및 이동, 정상세포의 이동 및 분화과정에서 일어날 수 있는 현상으로 조절되지 않으면 질병 세포로 변화하거나 비특이적 세포사멸을 유도해 생명에 치명적 손상을 일으킨다.

 ○ 캐리옵토시스 세포사멸은 핵막이 터지면서 핵 내 유전체의 노출과 DNA 손상 신호전달 활성화로 세포가 사멸하는 특징을 가진 것으로 파악되나, 캐리옵토시스 유발 자극, 원인, 기전에 대하여 알려지지 않았다.

 ○ 캐리옵토시스에 대한 분자기전을 규명하여 핵막의 온전성을 조절하는 것은 생명과학 및 의학 분야에서 풀지 못한 난제 중 하나로, 기전의 이해는 질병 치료의 새로운 방법과 각종 질병을 치료할 수 있는 치료제 개발에 응용될 핵심 연구 영역이다. 

2. 연구내용 

 ○ 본 연구진은 세계에서 최초로 캐리옵토시스 유발 단백질을 동정하고, 캐리옵토시스 유발 자극 및 분자기전을 밝혔다.

 ○ 캐리옵토시스 유발 내적인자로 제2형 막내재 단백질인 CREB3가 동정 되었으며, 이전에 알려진 기전과 달리 합성된 후 핵 내막에 직접 국재화되고, 핵 내막에 크로마틴을 속박(tethering)하는 기능을 하는 것으로 밝혀졌다.

 ○ 핵 내막은 좁은 공간에 지놈을 빡빡하게 수납하여 항상 밖으로 터지려는 팽창력을 받게 된다. 이 팽창력에 반하여 라민 단백질로 구성된 핵 내막 라미나와 내막에 크로마틴을 속박하여 안으로 쪼이는 압력을 유발하여 균형을 맞춤으로써 핵 모양을 유지하게 된다.

 ○ 핵 내막에 크로마틴을 속박하는 단백질이 제2형 막내재 단백질인 CREB3이며, 핵막에서 특정 단백질 분해효소에 의해 비정상 조절적 방식으로 분절되면 팽창력과 속박력 사이의 균형이 깨져 핵막이 폭발하듯이 터지면 지놈의 유출과 함께 죽게 된다. 본 연구진은 이를 캐리옵토시스(karyoptosis)라고 명명하였다.

 ○ 캐리옵토시스는 기존 핵심 세포사멸법으로 알려진 아팝토시스, 오토퍼지, 네크롭토시스 및 파이롭토시스와 바이오마커에서 중첩되지 않아 서로 독립적인 세포사멸임이 밝혀졌으며, 캐리옵토시스 사멸 과정을 세계에서 최초로 관찰하고 라이브 영상으로 촬영하는 데 성공하였다. 

 ○ 캐리옵토시스에 의한 세포 사멸 영향력은 약 16-40% 정도로 예측되며, 이 영향력은 지금까지 가장 많이 연구되고 있는 다른 세포사멸(아팝토시스, 오토퍼지, 네크롭토시스)와 비교하여 동등 또는 그 이상의 영향력을 갖고 있는 것으로 판단된다.

 ○ 핵막의 온전성 조절은 생명의 유지 및 운명을 조절하는 핵심 연구 영역으로 각종 질병 치료의 새로운 방법과 치료제 개발의 영역으로 활용이 가능한 핵심 분자 기전이며 생명현상 이해와 함께 원천기술로 확장성이 매우 크다.

 ※ CREB3: 유전자 전사조절인자로 막관통 영역을 포함하는 제2형 막내재 단백질임

 ※ 핵 내막: 핵막은 외막과 내막으로 구성되며, 내막의 안쪽은 라민 단백질로 구성된 라미나와 크로마틴이 속박되어 크로마틴 리모델링과 유전자 발현 조절이 일어나는 장소임

3. 연구성과/기대효과

 ○ 생명 조절의 근원인 핵막의 온전성이 유지되는 기전을 규명하는 것은 사람에서 발생하는 많은 질병의 원인과 해결 방법을 제시할 것으로 생각된다. 더욱이 질병의 많은 부분이 비정상적 유전자의 발현 및 비특이적 활성 조절, 그리고 단백질의 안정성 조절의 실패에서 기인하고, 이것이 핵의 손상을 유발하는 것으로 알려져 있다. 하지만 지금까지 연구들은 핵막의 온전성 조절에 대한 해답을 찾지 못하였지만, 본 연구를 통해 세계 최초로 핵막의 온전성 조절 핵심 인자가 밝혀졌으므로, 많은 인체 질병에 이 기전의 활용이 가능하다.

○ 캐리옵토시스의 원인으로 CREB3라는 전사조절인자가 동정되었고, 현재까지 알려지지 않은 새로운 성숙 과정을 거쳐 핵막에서 크로마틴을 속박하는 데 핵심적인 역할을 하는 것이 밝혀졌다. 이 속박에서 외부 자극 등의 비정상적 방법으로 CREB3 단백질에서 분절이 일어나면 핵막이 폭발하듯이 터지면서 세포가 사멸하는 현상을 발견하였다. 이 기전은 질병 세포를 특이적으로 사멸시키는 방법으로 활용되어 질병 치료의 방안으로 제시될 수 있다. 또한 정상세포가 외부 충격/자극 등에 의해 핵막이 손상되는 것을 막아 질병이 발생하는 것을 예방할 방안으로 활용될 수 있다.

 ○ 특히 암 치료제의 경우 핵의 손상과 지놈 손상을 유발하여 핵막의 변형을 일으켜 부작용이 나오게 된다. 본 연구에서 발견한 캐리옵토시스 유발 인자인 CREB3를 활용하고, 치료제를 병용 처리하면 더 적은 농도에서 암세포의 사멸을 유도할 수 있고, 정상세포에서의 손상을 최소화할 방안으로 새로운 치료법 및 치료제 개발에 활용될 수 있다. 더욱이 세계 최초로 발견하고, 그 기전이 대한민국 연구팀 주도로 진행된 연구 성과가 관련 의과학 발전에 크게 이바지할 기회다.

(그림1) 캐리옵토시스가 유발되는 실측 영상 프레임
CREB3-CF 과발현으로 핵막의 폭발적 파열(프레임 4)을 관찰할 수 있으며, 그 결과로 핵 속의 내용물이 터져 나와 붕괴되면서 세포사멸이 이루어지는(프레임 5) 과정을 확인할 수 있음. 프레임 4의 화살표는 폭발적으로 터지면서 파열되는 핵막을 지시하며, 프레임 5의 화살표는 캐리옵토시스가 일어난 후 핵 내용물이 터져 나와 있는 모습을 보여주고 있다.
그림설명 및 그림제공 : 가톨릭대학교 조용연 교수 

(그림2) CREB3-FL 과발현 세포에 자외선 B 자극하였을 때 높은 민감도로 캐리옵토시스가 일어나는 현미경 사진 
사람 피부 악성흑색종 세포에 CREB3-FL를 안정 과발현하고, 이 세포에 외부 자극으로 자외선 B를 처리하면 세포가 더욱 민감하게 캐리옵토시스가 유도됨. 사진은 위 실험과정에서 핵막의 파열이 일어나 지놈이 유출되는 과정에서 CREB3 단백질과 핵막 라민 단백질의 분포 및 국재를 형광현미경으로 관찰한 사진. 녹색: CREB3 단백질; 빨간색: 라민 단백질; 파란색: 지놈.
그림설명 및 그림제공: 가톨릭대학교 조용연 교수

연구 이야기

<작성 : 가톨릭대학교 조용연 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

가톨릭대학교 약학대학 약품생화학연구실은 암의 발생과 항암 과정에서 일어나는 신호전달 네트워크와 단백질간 상호작용에 관한 연구를 진행하여 왔다. 본 연구실은 특별히 단백질 안정성 조절과 세포의 암화 및 항암제 내성 간의 상관관계를 파악하는 최신의 연구를 수행하고 있다. 이 과정에서 암과 관련된 유전자 전사인자들의 안정성 조절 기전을 규명하는 과정에서 CREB3 단백질에 관심을 갖게 되었고, CREB3-FL로부터 파생되는 자연적 생산물인 CREB3-CF의 기능을 관찰하던 중 이전에 관찰하지 못했던 현상, 즉 “캐리옵토시스”를 발견하였다. CREB3-CF 과발현만으로 핵 모양의 현격한 변화와 핵의 파열을 관찰하였고, 기존 학설과 달리 CREB3 단백질이 핵 내막에 국재화 됨을 관찰하고 여러 분자생물학, 세포생물학 및 생화학적 방법으로 검증하였다. 이것이 “캐리옵토시스” 발견의 배경이다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

캐리옵토시스(karyoptosis)라는 용어는 2018년 영국 황실대학의 Manolis Fanto 교수에 의해 처음으로 언급되었다. Manolis Fanto 교수는 퇴행성 뇌질환 환자에서 만성적으로 오토퍼지가 억제되면서 핵막의 이상과 지놈의 유출을 발견하고 이를 “캐리옵토시스”라고 명명하였다. 하지만 캐리옵토시스의 원인 유전자 및 단백질이 무엇인지, 어떤 분자 기전으로 핵막이 파열되는지 알아내지 못했다. M. Fanto 교수와 별개의 연구를 진행하던 본 연구진은 CREB3-CF 과발현이 핵막의 파열과 지놈의 유출을 유발하며, 세포가 사멸됨을 관찰하였다. 연구 과정에서 기존 학설인 “세포질세망에 국재하던 CREB3-FL가 골지체로 운송되고, 골지체에서 S1P/S2P 단백질분해효소에 의해 분절되어 생산된 CREB3-CF가 핵으로 이동 전사인자로 작용한다”와 다르게, 실제로는 CREB3-FL는 핵 내막에 존재하고, 크로마틴을 핵 내막에 속박하며, 이 결과로 핵 안에 빡빡하게 수납된 지놈의 팽창력에 반항하는 핵막의 속박력을 제공함을 관찰하였다. 하지만 DNA의 손상을 유도하는 외부 자극 등 핵막에 국재하던 CREB3-FL가 비특이적으로 분절되면, 핵막에 속박된 크로마틴이 핵막으로부터 분리되면서 핵막이 폭발하듯이 터지면서 핵 지놈의 유출과 함께 사멸이 이루어지는 실측영상을 촬영하는 데 성공하였다.

처음에는 이러한 캐리옵토시스 현상이 CREB3-CF 의존적인지 확인하는 연구가 진행되었는데, 실험방법이 알려지지 않아 많은 어려움이 있었다. 또한 CREB3-FL의 핵막 국재여부를 판정하는 실험을 고안하고, 이를 증명하는 과정이 매우 고난스러웠다. 더욱이 일반적 방법으로 단백질을 추출하고, 이를 이용한 검증 웨스턴 블롯에서 연구 결과가 일정하게 재현되지 않았으나, 이는 CREB3-FL 및 CREB3-CF를 포함하는 모든 단백질이 지놈 DNA와 매우 강한 결합을 하고 있어, 단백질 추출과정에서 버려진 침전물에 전부 포함되어 있음을 발견하고, 새로운 방법으로 단백질 유출과정을 진행하였으며, 매우 안정적인 연구 결과의 재현이 이루어졌다.

캐리옵토시스의 세포사멸 영향력을 유추하는 과정은 매우 힘들었다. 현재도 아직 캐리옵토시스 마커가 개발되지 않았고, 기존의 세포사멸법과 확실히 구별되는 생화학적 지표들이 있었지만 국제적 과학계에서 공인되지 않았다. 여러 실험들을 반복하고, 분자생물학적 결과와 생화학적 지표들을 짜맞추어 결론적으로 약 16%-40%의 영향력이 있는 것으로 파악하였다. 실제 이 정도의 세포사멸 영향력이면 현재 전 세계에서 핵심적으로 세포사멸 연구를 진행하고 있는 아팝토시스, 오토퍼지, 네크롭토시스와 견줘도 전혀 손색이 없는 세포사멸 영향력으로 판단된다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구를 수행하고, 연구 결과를 검증하고, 연구 논문을 작성하면서 제일 어려웠던 점은 너무나 새로워 알려지지 않은 연구 결과를 다른 연구자들에게 설명하고 이해시키는 것이다. 그래도 위안이 된 것은 연구 결과를 정리하면서 영국 황실대학 Manolis Fanto 교수에게 결과에 대한 리뷰를 요청하였는데, 우리 연구 결과가 M. Fanto 교수가 찾아 헤매던 연구 결과임을 인정하는 이메일을 받았고, 이후 함께 연구를 진행하였다. 하지만 아직도 전 세계적으로 캐리옵토시스 연구의 실체를 인지하고 수행하고 있는 연구 그룹은 오직 두 연구 그룹이다. 다행스러운 것은 최근 “캐리옵토시스”라는 용어를 사용하고, 이런 세포사멸이 있다는 것이 종종 발표되는 논문의 토의 영역에서 언급되고 있다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

본 연구진은 캐리옵토시스가 어떻게 유전자 및 단백질에 의해 유발되는지, 그리고 그 분자 기전은 무엇인지 밝혔다. 이 연구 결과는 세계 첫 번째로 그 실체를 밝힌 논문이다. 더욱이 핵막의 온전성 유지는 세포의 항상성 유지와 관련이 있고, 핵막의 변형으로 달라진 유전자 발현이 사람에서 암을 포함하여 각종 질병의 원인임을 생명과학자 및 의과학자들은 잘 인지하고 있다. 따라서 핵막의 온전성을 조절하는 분자 기전이 본 연구진에 의해 알려졌기에 그 확장성과 활용성은 매우 크며, 생명과학 전체에 파급될 파급력도 크다고 할 수 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

질병의 발생과정에서 핵 모양의 변화는 흔히 관찰된다. 지금까지는 그 이유를 알지 못했고, 그 중요성에 대한 인식도 부족하였다. 본 연구를 통해 확보된 연구결과는 세포의 운명을 결정짓는 중요한 연구 결과이다. 캐리옵토시스의 분자 기전이 발견되고, 그 퍼즐이 풀린 이상 본 연구를 기반으로 질병 과정에서 핵 모양의 변화를 최소화하여 질병을 예방하고, 질병 세포에서는 캐리옵토시스를 유발하여 질병 세포를 제거하는 것이 가능하다. 특히 암세포에서 관찰된 연구 결과를 기반으로 새로운 암 치료법 및 치료제 개발의 원천기술이 될 것이다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

캐리옵토시스의 연구는 이제 시작이다. 전 세계적으로 본 연구진이 제일 앞서 있고, 발표된 본 연구 결과를 바탕으로 많은 연구가 급격히 진보할 것이다. 현재 우리가 가진 과학기술력을 증진시키고, 발전시키기 위해 관심을 가진 연구자들을 많아져야 하고, 인프라 구축과 연구환경 구축을 위해 적극적인 활동을 수행할 작정이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

캐리옵토시스의 존재를 처음으로 관찰하고 영국 Manolis Fanto 교수에게 연구결과를 보내면서 많은 고민을 했다. 불필요하게 연구 결과 및 아이디어를 노출하는 것이 아닌가 하는 두려움이 컸다. 하지만 예상과 달리 지금은 너무나 가까운 협력연구 관계를 구축하였고, 분기별로 Zoom을 통해 국제연구진도 보고 미팅을 수행하는 등 함께 국제 환경을 만들어가고 있다. 

캐리옵토시스에 대한 연구 영역은 대부분이 아직 수행되지 않은 미지의 세계이다. 관련된 연구가 진행되면서 후성유전학과 연계된 연구도 함께 이루어질 것이다. 그 이유로 핵막은 헤테로크로마틴과 유크로마틴의 형태변화가 이루어지는 공간이고, 이 과정은 크로마틴 리모델링을 수반하기 때문이다. 

끝으로 본 연구가 진행되기 위하여 연구를 지원해 준 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자 지원 사업팀을 포함하여 지원부서에 진심으로 감사드린다.