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혈류 감지하는 세포 안테나, 섬모에 의한 혈관생성기전 규명
의학약학 한국연구재단 (2020-01-21)

세포 밖 상황을 감지하여 세포 안의 변화를 이끌어 내는 세포의 안테나, 원발성 섬모. 거의 모든 세포에 존재하지만, 대사질환이나 신경발생질환과의 연관성에 한정되어 연구가 이뤄지고 있었다.

그 가운데 최근 혈관신생 과정에서의 원발성 섬모의 역할에 대한 연구결과가 나왔다.
* 혈관신생(angiogenesis) : 기존 혈관으로부터 새로운 혈관이 생성되는 현상. 내피세포의 침투나 이동, 증식, 분화 등의 과정을 거쳐 산소와 영양분을 공급하기 위한 필수적인 과정

한국연구재단은 이지은 교수(성균관대학교) 연구팀이 혈관내피세포 밖으로 돌출된 원발성 섬모의 혈관신생 과정에서의 역할과 분자적 기전을 규명했다고 밝혔다.

종양의 증식과 전이시 혈관신생이 두드러지게 나타나는 만큼, 원발성 섬모를 표적으로 하는 항암제 개발 연구의 단초가 될 것으로 기대된다.

연구팀은 유전자가위로 섬모조절유전자, CEP41을 없앤 돌연변이 제브라피쉬에서 혈관 직경 감소와 이상혈관 생성 등을 관찰하고, 원발성 섬모와 혈관신생의 연결고리를 찾아냈다.
* 제브라피쉬(Zebrafish) : 잉어과의 얼룩무늬 열대어로 관찰이 쉽고 빠른 배아발달 및 거의 완벽한 게놈분석으로 바이오의료연구에 널리 사용되는 대표 동물모델

CEP41 단백질이 원발성 섬모를 구성하는 튜블린 단백질을 변형 (글루타밀화)시키면, 이것이 신호가 되어 섬모분해와 혈관생성인자 생성을 촉발, 결국 혈관신생으로 이어지는 일련의 과정을 밝혀낸 것이다.

CEP41은 대표적 원발성 섬모 질환군의 하나인 주버트 신드롬의 원인유전자로, 신경발생 과정에서의 역할만 알려져 있었다.

실제 CEP41 유전자가 결손된 돌연변이 제브라피쉬에 많은 산소와 영양분을 소비하는 종양세포주를 이식하더라도 소장 정맥 생성 등의 혈관신생이 잘 이뤄지지 않았다.

이같은 혈관신생 이상은 동물모델에서 뿐만 아니라 인간혈관 유래 세포에서도 관찰되었다. CEP41 유전자 발현이 줄어든 세포는 이동성과 침습능, 상처치유능, 혈관생성능도 절반 가까이 감소했다.

혈류이상이나 조직손상에 따른 심혈관계 질환이나 무분별한 세포증식에 따른 과다한 산소 소비로 저산소 상황에 놓이는 종양에서 이번에 규명된 혈관신생에 관여하는 분자들(CEP41, AURKA) 및 원발성 섬모를 표적으로 하는 치료제 개발 연구의 실마리가 될 것으로 기대된다.  

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 X-project, 중견 연구(보호육성), 기초연구실(BRL)사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 ‘엠보 리포츠(EMBO Reports)’에 2019년 12월 29일 게재되었다.

󰊱 주요내용 설명

< 논문명, 저자정보 >

논문명
CEP41-mediated ciliary tubulin glutamylation drives angiogenesis through AURKA-dependent deciliation
저  자

이지은 교수 (교신저자, 성균관대학교), 기수미 (공동 제1저자, 성균관대학교), 김지현 (공동 제1저자, 성균관대학교), 원소연 (공동 제1저자, 성균관대학교) 포함 총 11명

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성

 ○ 세포 외부로 돌출된 형태의 소기관인 원발성 섬모(primary cilia)는 세포 외부의 신호를 감지하고 내부로 전달하는 안테나 역할을 한다. 신체 내 거의 모든 세포에 존재하는 소기관임에도 그 역할 및 조절 기전은 여전히 신경발생 및 대사 질환 등에서만 한정적으로 연구되어 오고 있다.
  ※ 원발성 섬모(primary cilia) : 세포 표면에 돌출된 세포 소기관으로 튜블린 단백질로 된 다발 형태를 갖는다. 운동성 섬모와 달리 역학적 감지(mechanosensing), 세포외 신호 전달, 세포분열, 세포이동 등에 관여한다.
 ○ 심혈관계 질환 및 암은 국내 질병 사망원인으로서도 1-2위를 차지하고 있으며(2017년도 기준), 특히 심혈관계 질환은 전 세계적으로 사망원인 1위를 차지하고 있다. 치료를 위한 정확한 발생기전에 대한 연구가 지속적으로 이뤄지고 있음에도 유병률 및 사망률이 지속적으로 증가하고 있어 새로운 방향에서의 접근방법 모색이 필요한 실정이다.
 ○ 혈관내피세포에도 원발성 섬모는 존재하는데, 혈액의 흐름을 감지하여 신호를 전달하거나 혈관신생(angiogenesis) 과정에 관여하는 것으로 보고된 바 있지만 구체적 분자적 기작은 잘 알려지지 않았다.
 ○ 기존 혈관으로부터 새로운 혈관이 생성되는 혈관신생은 심혈관질환 치료 및 암 전이억제를 위해 그 기전에 대한 연구가 활발하다. 최근 환자 대상의 혈관신생 억제를 통한 치료제가 개발되었으나 한정된 종류의 암에서만 치료효과를 보일 뿐 일반적인 암 억제 효과는 미미하게 나타났다. 
 ○ 이에 혈관신생의 새로운 조절기작을 규명하고자, CEP41이라는 유전자의 기능을 혈관내피세포의 원발성 섬모 조절과 관련하여 밝히고, 그 구체적인 분자적 기전을 규명하고자 연구를 진행하게 되었다.

2. 연구내용
 ○ 본 연구의 주 내용은 CEP41 단백질이 원발성 섬모의 튜블린* 글루타밀화*를 촉진하여 AURKA* 단백질의 활성화를 유도하고 이에 따른 원발성 섬모의 분해가 혈관 신생을 조절함을 입증하고 그 분자적 기전을 규명함에 있다.
  ※ 튜블린(Tubulin) : 원발성 섬모를 이루는 단백질
  ※ 글루타밀화(Glutamylation) : 유전자 번역(Translation) 후 일어나는 변형의 한 종류
  ※ AURKA(Aurora kinase A) : 세포 주기와 원발성 섬모 분해 과정에서 활성을 나타내는 단백질로 인산화 과정을 통해 활성을 가진다. 
 ○ 인간 혈관 유래 내피세포에 CEP41 유전자의 발현을 감소시키는 siRNA(small interfering RNA)*를 주입한 후, 세포의 상처치유 분석(Wound healing assay)과 세포의 이동성(Transwell migration assay), 혈관 형성능 (Angiogenesis assay)을 분석한 결과 정상 세포 대비 50% 이상 감소함을 관찰함으로써, CEP41의 혈관 신생에 관여함을 알게 되었다.
  ※ siRNA (small interfering RNA) : 21~23개의 뉴클레오타이드로 구성된 RNA로 특정 유전자의 전령 유전자를 분해하여 특정 유전자 발현을 감소시킨다.
 ○ CAS9 유전자가위기술*을 이용해 CEP41가 결핍된 넉아웃(Knock-out) 제브라피쉬를 제작하여 혈관 직경의 감소, 이상 혈관의 생성, 정맥 형성에 필요한 모세 혈관들 사이의 비정상적인 네트워크 형성 등을 관찰하였다.
  ※ 제브라피쉬(Zebrafish) : 잉어과의 얼룩무늬 열대어로 관찰이 쉽고 빠른 배아발달 및 거의 완벽한 게놈분석으로 바이오의료연구에 널리 사용되는 대표 동물모델
  ※ CAS9 유전자 가위 기술 : CAS9은 동식물의 유전자 DNA 특정 부위를 자르는데 사용하는 인공 효소로 유전자 가위라고 말하며, 유전자 편집을 위해 사용된다. 이 중 CAS9은 3세대 유전가 가위로 대장균의 면역체계에서 기인한 것으로 1,2세대와 달리 단순한 단백질 구조로 보다 시간, 비용, 정확성에서 효율적이다
 ○ 면역 형광법을 통한 CEP41 결손 혈관 내피 세포의 원발성 섬모 관찰에서, 튜블린의 글루타밀화가 특이적으로 감소되어 있음을 확인하였고 이에 글루타밀화의 회복이 혈관 내피세포의 기능을 복구하여 정상적인 혈관 형성이 이뤄짐을 밝히게 되었다.
 ○ 혈액의 흐름에 반응하는 인체의 세포와 유사한 상황을 만들고자 인위적인 유속을 혈관 내피세포에 주어 실험을 진행하였으며, 정상적인 세포에서는 튜블린의 글루타밀화에 의한 원발성 섬모의 분해가 유도되고 혈관이 형성되는 반면, CEP41 유전자가 손실된 세포에서는 튜블린의 글루타밀화에 의한 섬모 분해가 일어나지 않고 혈관이 생성되지 않음을 관찰하였다.
 ○ 이에 원발성 섬모 분해와 혈관 형성의 조절 기작을 규명하기 위한 추가 실험을 통해 CEP41이 AURKA 단백질의 활성화를 조절하는데 필요하며, 활성화된 AURKA가 원발성 섬모를 분해시키면서 VEGF 등의 혈관 내피 성장인자들의 발현을 유도함을 밝히게 되었다.
 ○ 나아가 CEP41-AURKA-VEGF를 통한 분자적 기전이 저산소 조건에서의 혈관 혈성 과정에도 관여하는지 검증하고자, 저산소 상태의 혈관내피 세포를 통해 추가 실험을 진행하였고 최종적으로 저산소증에서 활성화되는 HIF1-alpha의 활성이 CEP41에 의해 조절됨을 규명하게 되었다.
 ○ 최종적으로 인간종양세포를 CEP41 결손 제브라피쉬에 이식, 종양 세포에 의한 저산소증 유도에 따른 혈관신생이 억제됨을 입증함으로써 CEP41 및 원발성 섬모 제어를 통한 암 치료 연구의 실마리를 제시하게 되었다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ CEP41의 원발성 섬모의 글루타밀화가 섬모 분해를 촉진하고 이후 CEP41-AURKA-VEGF 기전을 통해 혈관의 신생형성에 기여함을 밝혔다.  또한, 저산소증 상황에서는 CEP41이 HIF1 alpha의 활성을 조절함으로써   AURKA-VEGF 경로를 통한 혈관 신생에 관여함을 규명하였다. 원발성 섬모의 제어 기작 연구 및 후보물질의 발굴이 향후 심혈관계 및 암 질환 치료제 개발 연구의 발판이 될 것으로 기대된다.

섬모조절유전자 CEP41이 결손된 제브라피쉬에서 나타난 혈관 형성 이상
(그림1) 섬모조절유전자 CEP41이 결손된 제브라피쉬에서 나타난 혈관 형성 이상
(A) 유전자가위로 CEP41 유전자를 없앤 돌연변이 제브라피쉬에서 혈관 신생에 문제가 나타남을 확인하였음. 정상 제브라피쉬와 달리 돌연변이 제브라피쉬에서는 혈관(초록색 형광으로 표지)이 제대로 만들어지지 않음. 기존에 섬모조절유전자 CEP41은 주버트 신드롬의 원인유전자로 신경발생 과정에서의 역할만 알려져 있었음.
(B) 인간 종양세포주를 제브라피쉬에 이식, 혈관 생성을 유도하는 실험의 모식도.
(종양세포는 세포주기를 벗어나 비정상적으로 분열하는 만큼 정상세포보다 많은 산소를 소비하기에 주변부의 혈관신생이 활발한 것으로 알려져 있었음)
(C) 정상 제브라피쉬와 달리 CEP41 유전자가 결손된 돌연변이 제브라피쉬에서는 종양세포주 이식에도 불구하고 소장 정맥 생성 등 혈관 생성이 잘 이뤄지지 않음.
출처 : 성균관대학교 이지은 교수

CEP41에 의한 혈관내피세포 섬모 분해를 통한 혈관신생 조절 기전
(그림2) CEP41에 의한 혈관내피세포 섬모 분해를 통한 혈관신생 조절 기전
(왼 쪽) 저혈류 또는 보통의 환경에 노출된 혈관내피세포에서는 섬모를 이루는 튜블린 다발(회색 막대 모양)의 변형(글루타밀화)이 이뤄지지 않음.
(오른쪽) 반면 고혈류 또는 저산소 상황에 노출되면 CEP41(노란색)에 의한 섬모 튜블린 다발의 변형(글루타밀화)이 유도되는 데 이것이 신호가 되어 특정 신호전달체계(AURKA 신호전달체계)가 활성화, 섬모 분해에 따른 혈관내피 성장인자(VEGF)가 생성이 유도됨.
출처 : 성균관대학교 이지은 교수


연구 이야기

 <작성자 : 성균관대 이지은 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

신경발생질환의 원인 유전자로만 알려져 있던 원발성 섬모조절유전자(CEP41)가 결핍된 돌연변이 제브라피쉬에서 혈관 형성에 이상이 나타나는 것을 관찰하였다. 이에 원발성 섬모(primary cilia)에 의해 매개되는 혈관 신생과정을 조절하는 새로운 분자적 기전을 규명하여 심혈관 질환 및 암 치료제 개발을 위한 기초연구자료를 제공하고자 하였다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에는 혈관 내피세포에 존재하는 원발성 섬모의 역할을 혈류조절 측면에 중점을 두고 연구가 진행되어 왔다. 하지만 본 연구팀은 빠른 속도의 혈류나 저산소증 등의 상황에서 CEP41이라는 섬모조절유전자가 오히려 원발성 섬모의 분해를 촉진하여 AURKA-VEGF 분자적 기전을 활성화 하여 신생 혈관 형성에 관여한다는 것을 규명하였다. 기존에 잘 알려지지 않았던 심혈관계 질환 및 암 발생과정에서의 원발성 섬모의 제어 기전을 제시함으로써, 향후 새로운 패러다임의 치료제 개발 연구의 가능성을 제시했다는 데 의의가 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이 연구결과는 특정 유전자 표적 뿐 아니라, 세포 소기관 자체를 표적하여 혈관신생 조절 및 억제를 통한 약물개발 연구의 기초자료로 활용될 수 있다. 특히 본 연구를 통해 제작된 CEP41 결손 제브라피쉬 모델은 이들 질환의 치료 후보물질 스크리닝 및 약물 효능 테스트에 적용할 수 있을 것이다.

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본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다. [기사 오류 신고하기]
 
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