장내 미생물이 인간 면역체계와 신경 발달 등에 영향을 끼친다는 사실이 밝혀지면서 세계적으로 장내 미생물을 기반으로 한 연구가 다양하게 진행되고 있는 가운데, 국내 연구진이 장내 미생물이 장 건강을 유지시키는 핵심 요인을 밝힌 연구 결과를 발표하였다.

한국생명공학연구원(원장 김장성)은 실험동물자원센터 이철호, 김용훈 박사 연구팀이 한국표준과학연구원(원장 이호성) 강덕진 박사 연구팀과 함께 장내 미생물에서 유래한 신규 단백질이 장 항상성을 유지하게 하는 원리를 밝혀내는 데 성공하였다고 밝혔다.

이번 연구는 장 노화 및 장 손상 억제를 위한 장내 미생물 유래 신규 치료제 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 장(腸)은 섭취한 음식물을 소화하고 영양소를 흡수해 우리 몸이 제 기능을 유지하게 하는 필수적인 장기이다.

장이 건강한 상태를 유지하기 위해서는 수명을 다한 장 상피세포는 떨어져 나가고, 장 줄기세포에서 새로운 장 상피세포가 재생하는 순환이 지속해서 이루어져야 한다.  노화 등으로 장 줄기세포의 재생 능력이 저하되면 장 상피세포의 불균형으로 이어져 소화 불량, 체중감소 등의 증상이 나타난다. 

한편, 최근 인체에 서식하는 미생물이 인간의 건강 유지와 질환에 직‧간접적으로 관여하는 것으로 알려지면서 세간의 관심이 높아지고 있다. 그중에서도 장내 미생물은 단백질, 대사물질, 세포 외 소포체와 같은 생리활성물질 분비를 통해 인간의 대사와 면역 기능 조절에 관여하는 것으로 알려져 있다.

장 미생물 중 하나인 아커만시아 뮤시니필라(Akkermansia muciniphila, 이하 아커만시아)는 장 점막층에 서식하는 균주로, 장 건강 유지 기능과 함께 대사질환을 포함한 당뇨, 염증성 질환 및 암 개선에 도움을 주는 것으로 보고되기도 하였다. 연구팀은 아커만시아가 분비하는 Amuc_1409 단백질이 장 줄기세포의 재생 능력을 조절해 장이 항상성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀내었다.

연구팀은 아커만시아가 다양한 조건에서 분비하는 단백질을 분석해 아커만시아의 장 건강 유지 기능에 관련성이 높은 단백질로 Amuc_1409를 주목하였다. Amuc_1409는 인간과 마우스 장 오가노이드 모델에서 장 줄기세포 증식과 장 상피세포로의 성장을 활성화하고 방사선에 노출되거나 항암제로 인해 손상된 장의 재생을 촉진하였다. 또한, 노화하여 장 줄기세포의 재생 능력이 저하된 마우스 모델과 고령 마우스를 통해 제작된 장 오가노이드에 Amuc_1409를 투여하자 장 줄기세포의 수와 재생 능력이 회복되기도 하였다.

연구팀은 이러한 Amuc_1409에 의한 장 건강 개선 효과는 Amuc_1409가 세포와 세포를 이어주는 분자인 E-cadherin(epithelial-cadherin, 상피 카데린 단백질)과 결합해 상호작용하며 장 줄기세포의 재생 신호전달 체계를 활성화하기 때문이라는 기전도 규명하였다. 연구책임자인 이철호 박사는 “이번 연구는 출연연 간 협력 연구를 통해 장 미생물 아커만시아 뮤시니필라가 분비하는 미지의 단백질이었던 Amuc_1409의 장 항상성 유지능력과 그 기전을 규명한 것”이라며, “향후 노화 또는 손상에 의한 다양한 장 질환에서 장 건강 개선을 위한 새로운 치료제 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 4월 6일 저명한 국제학술지인 Nature Communications (IF 16.6) 온라인판에 게재되었으며, (논문명 : The secreted protein Amuc_1409 from Akkermansia muciniphila improves gut health through intestinal stem cell regulation / 교신저자 : 생명연 이철호‧김용훈 박사, 표준연 강덕진 박사 / 제1저자 : 생명연 강은정 박사과정생‧김재훈 박사, 표준연 김영은 박사) 과기정통부 바이오의료기술개발사업(2019M3A9F3065867)과 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.

연  구  결  과  개  요

□ 연구배경
○ 장(腸)은 음식물을 소화시키고 영양소를 흡수하는 근본적인 역할을 통해 우리 몸의 기능을 유지시키는 필수적인 장기이며, 장 상피는 성인이나 성체 포유동물 기준으로 약 3~5일의 재생 주기를 갖는 가장 빠르게 자가 재생되는 조직 중 하나이며, 이러한 장 상피의 재생은 장의 항상성 유지에 필수적이고 장의 크립트(crypt)에 위치하고 있는 장 줄기세포에 의해 조절된다.
○ 장 줄기세포는 암환자 치료를 위한 방사선과 화학요법에 의한 스트레스에 취약하여 장 상피세포로의 재생 능력을 잃어버리게 되어 항암 치료의 대표적인 부작용인 소화 불량, 설사 그리고 체중감소 등의 심각한 위장관 증후군이 유발되는 것으로 알려져 있고, 또한 노화에 따른 장 줄기세포의 기능 저하 시에도 장 상피세포로의 재생에 불균형이 발생하여 노인성 소화 불량 등의 증상이 나타나게 된다.
○ 한편, 장내 미생물은 인간의 건강을 유지하는 데 중요한 역할을 한다고 알려져 있으며, 표면 단백질, 분비 단백질, 대사물질 그리고 세포 외 소포(extracellular vesicle) 등의 미생물 유래 생리 활성 물질을 통해 인체와 장 미생물 간의 소통이 이루어진다고 보고되었고, 특히 세포 외 분비 단백질은 장 점막층을 통과하여 직접 숙주 세포와 상호 작용하여 숙주 신호를 조절하고 정상적인 생리 상태를 유지하는 데 관여할 수 있다.
○ 장내 미생물 중 가장 풍부한 종류의 하나이며 유망한 차세대 프로바이오틱스로 알려진 아커만시아 뮤시니필라(Akkermansia muciniphila, 이하 아커만시아)는 장 점막층에 생존하면서 장 건강 유지 및 염증 억제, 비만, 당뇨 및 관련 합병증을 개선하는 데 효과가 있다고 알려져 있다.
○ 최근 아커만시아의 다양한 이로운 효과들이 아커만시아 유래 다양한 생리 활성 물질에 의해 매개된다고 보고되고 있으나 아직까지는 연구 정보가 제한적이며 초기 단계에 머물러 있으며, 특히 아커만시아가 장 건강 개선 효과를 나타내는데 기여하는 생리 활성 물질에 대한 정보는 전혀 없어 해당 분야에 관한 연구 필요성이 매우 높은 상황이다.

□ 연구내용
○ 본 연구팀은 아커만시아의 장 건강 조절 효과가 장 재생의 중심적 역할을 담당하는 장 줄기세포와 관련이 있을 것으로 예상하였고, 구조적으로 장 크립트에 존재하는 장 줄기세포에 영향을 미치기 위해서는 아커만시아가 신호전달을 매개할 수 있는 특정한 생리 활성 물질을 분비할 것이라는 가설을 수립하였다.
○ 이러한 가설을 바탕으로 배양조건에서 아커만시아가 배지로 분비하는 물질들에 대하여 nLC-MS/MS(nanoflow liquid chromatography-tandom mass spectrometry)로 단백질 분석한 결과 서로 다른 배양조건에서 공통으로 확인되는 가장 신뢰할 수 있는 단백질로 Amuc_1409를 발견하게 되었고, 이처럼 아커만시아에서 분비된 Amuc_1409가 장 건강에 대한 조절 효과를 매개할 수 있는지에 대한 검증을 진행하였다.
○ 먼저, 인간과 마우스 유래 장 오가노이드를 이용한 실험에서 Amuc_1409는 장 줄기세포 증식과 장 상피세포로의 발생 및 분화를 증가시켰으며, 방사선에 노출시키거나 항암제를 투여하여 장 손상이 유도된 마우스에 Amuc_1409를 먹인 결과 손상된 장의 재생이 촉진됨을 확인하였다.
○ 또한, 젊은 마우스에 비해 장 줄기세포의 재생 능력이 떨어져 있는 노령 마우스에 Amuc_1409를 먹이고 장을 관찰한 결과 장 줄기세포의 원활한 증식과 기능이 회복되는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 효과는 노령 마우스에서 유래된 장 오가노이드에 Amuc_1409를 처리했을 때에도 동일하게 장 줄기세포의 수와 증식능이 늘어나는 것을 검증할 수 있었다.
○ Amuc_1409의 장 줄기세포 활성을 증진 시키는 효과에 대한 기전을 규명하기 위하여 세포 및 장 줄기세포 특이적으로 E-cadherin을 결핍시킨 마우스의 장 오가노이드 실험을 수행한 결과, Amuc_1409가 세포 표면의 부착 분자인 E-cadherin(epithelial cadherin)과 직접 결합하여 Wnt/β-catenin 신호전달 체계를 활성화시키는 것을 확인하였다.
○ 이와 같은 연구 결과들을 기반으로 장내 미생물 아커만시아의 분비 단백질인 Amuc_1409가 E-cadherin을 매개하여 장 줄기세포의 증식 및 재생능을 높임으로써 장의 항상성 및 건강 유지에 관여한다는 것을 밝혀내었다.

□ 연구성과의 의미
○ 장 건강을 조절할 수 있는 장내 미생물 유래 신규 단백질의 기능 규명
- 인체 장 점막층에 생존하며 점액을 먹이로 하는 미생물인 아커만시아가 Amuc_1409를 분비하여 장 줄기세포의 기능을 조절함으로써 장 상피세포 분화를 촉진한다는 사실은, 장내 미생물이 인체와 어떻게 상호 공생관계를 이루면서 살아가는지를 명확하게 보여주는 연구성과로 그 의미가 있다.
- 최근까지 미생물에 의한 질환 개선과 관련된 연구는 대부분이 균주 수준에서의 관련성에 대한 연구가 주로 이루어져 왔기 때문에, 신약 개발에 필수적인 “mode-of-action” 규명의 한계가 있었다. 따라서 본 연구를 통하여 장내 미생물 아커만시아 유래 Amuc_1409 단백질을 발견하고 장 줄기세포의 재생 능력조절 기전을 규명한 성과는 미생물을 활용한 신약 개발의 현실화를 앞당기는 초석이 될 수 있을 것으로 기대된다.
○ 장내 미생물 유래 단백질을 활용한 장의 항암 부작용 개선 및 항노화 해법 제시
- 대표적인 항암치료 부작용인 위장관 증후군과 노화에 의한 장 기능 저하 개선을 위한 많은 연구가 수행됐으나, 실제 임상에서는 환자에 대한 대증요법을 통한 증상 개선 수준의 치료만이 이루어지고 있다. 따라서, 본 연구성과는 향후 항암치료 부작용이나 노화에 의한 다양한 장 질환에서 장 건강을 근본적으로 개선시킬 수 있는 새로운 치료제 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

연  구  결  과  문  답

이번 성과 뭐가 다른가

1. 장 건강을 조절할 수 있는 장내 미생물 아커만시아 뮤시니필라 유래 단백질 발굴 및 기전 규명
2. 장내 미생물 유래 단백질을 활용한 장의 항암치료 부작용 개선 및 항노화 해법 제시

어디에 쓸 수 있나

장의 항상성 유지를 위해 필수적인 장 줄기세포의 재생능을 조절할 수 있는 Amuc_1409는 향후 항암 치료 부작용이나 노화에 의한 다양한 장 질환에서 장 건강을 근본적으로 개선할 수 있는 새로운 치료제 개발로 이어질 수 있음.

실용화까지 필요한 시간은

Amuc_1409 단백질은 심도있는 전임상 연구와 임상학적 연구를 통해 치료 효능과 독성 평가 검증이 필요하며, 이러한 검증들이 이루어지는 속도에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것으로 판단됨.

실용화를 위한 과제는

실용화를 위해서는 임상 등급의 Amuc_1409 단백질을 안정적으로 생산하기 위한 생산 기술 개발과 추가적인 효능 및 독성 검증이 필요함.

연구를 시작한 계기는

본 연구팀은 2021년 “Mirobiome” 저널에 인체의 장 점막층에 공생관계로 살아가는 아커만시아 뮤시니필라가 노화 마우스의 장 건강을 조절할 수 있다는 사실을 발견하여 보고하였고, 해당 연구의 연장선으로 이러한 효과를 나타내는 아커만시아 뮤시니필라 유래 특정 생리 활성 물질을 규명하고 mode-of-action을 검증하기 위하여 지속적으로 연구를 수행하게 되었음.

에피소드가 있다면

연구의 초기 단계에서 아커만시아 뮤니시니필라가 장 건강을 조절하기 위해서는 장 점막이라는 장벽을 통과해 숙주세포에 도달하여 효능을 매개할 수 있는 분비되는 단백질이 존재할 것이라는 가설을 수립하고, 배양액의 단백체 분석을 수행한 결과 Amuc_1409를 특정할 수 있었음. 하지만 그동안 기능이 전혀 알려지지 않았던 미지의 단백질인 Amuc_1409가 장 보호 효능을 가지고 있을지는 미지수 였으나, 다행히 Amuc_1409의 장 재생 촉진 및 항상성 유지 기능을 발견한 것은 많은 운이 따라준 결과라고 생각됨.

꼭 이루고 싶은 목표는

Amuc_1409의 장 건강 조절에 대한 역할 외에 기존 연구에서 아커만시아 뮤시니필라의 효능이 확인되었던 대사질환, 당뇨, 염증성 질환 및 암 등 다른 질환에의 적용점에 대해 확인하고, 기초 연구에서 나아가 실용화를 위한 보다 폭넓고 깊이 있는 연구를 통해 미생물 유래 생리 활성 물질을 활용한 질환 치료제 개발에 기여하고 싶음.

신진연구자를 위한 한마디

과학기술은 과거에 비해 엄청나게 빠르게 발전되고 많은 정보들이홍수처럼 쏟아지고 있어 개인 차원의 연구만으로 양질의 연구성과를 창출하는 것이 점점 어려워지고 있음. 본 연구는 초기 단계부터 한국표준과학연구원과 긴밀한 협업으로 진행되었으며, 이 외에도 다양한 분야의 많은 전문가들의 도움으로 좋은 결과를 얻을 수 있었음. 따라서 본인의 연구에 집중하면서 주변의 좋은 동료들과 열린 마음으로 의견을 나누고 협업하는 자세를 갖추는 것이 연구자로서 중요한 덕목이라고 생각됨.

그림 1. 아커만시아 배양액의 정량 단백체 분석을 통한 아커만시아 분비 단백질 Amuc_1409의 확인 [사진=한국생명공학연구원]
아커만시아 배양액의 단백체 정량분석을 통해 아커만시아 분비 단백질들을 확보하였으며, 장 건강 조절 매개체로써 가장 신뢰도 높은 단백질로 Amuc_1409를 제시함  

그림2. Amuc_1409의 인간과 마우스 유래 장 오가노이드 분화 조절 효과 [사진=한국생명공학연구원]
Amuc_1409가 인간과 마우스 유래 장 오가노이드의 장 줄기세포 증식과 장 상피세포로의 발생 및 분화를 증가시키는 것을 확인함

그림3. 항암 치료로 장이 손상된 마우스 모델에서 Amuc_1409의 효과 [사진=한국생명공학연구원]
방사선에 노출되거나(A-D) 항암제로(E-H) 장 손상을 유도한 마우스에 Amuc_1409를 먹인 결과 손상된 장의 재생이 촉진됨을 확인함

그림 4. Amuc_1409의 노화에 의해 저하된 장 줄기세포 기능 조절 효과 [사진=한국생명공학연구원]
젊은 마우스에 비해 장 줄기세포의 재생 능력이 떨어져 있는 노화 마우스에 Amuc_1409를 먹인(A-E) 실험 및 노화 마우스에서 유래된 장 오가노이드에 Amuc_1409를 처리한(F-G) 실험을 수행한 결과, 감소한 장 줄기세포의 수와 증식능이 늘어나는 것을 검증함

그림 5. Amuc_1409의 E-cadherin 의존적 효과 확인 [사진=한국생명공학연구원]
(A-D) Amuc_1409가 E-cadherin과 결합하여 Wnt/β-catenin 신호전달 체계를 활성화시키는 것을 확인함
(E-G) 장 줄기세포 특이적으로 E-cadherin을 결핍시킨 마우스 장 오가노이드에서 Amuc_1409의 처리하여 해당 효과가 E-cadherin 의존적이라는 것을 검증함

그림 6. Amuc_1409의 장 줄기세포 재생 촉진 효과 및 E-cadherin 매개 기전 모식도 [사진=한국생명공학연구원]