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세포 환경 실시간 탐지 물질로 미토콘드리아 산화 손상 과정 밝혔다!
생명과학 UNIST (2021-01-21)

UNIST 권태혁 교수, 서정곤 교수

<UNIST 권태혁 교수, 서정곤 교수>


국내 연구진이 세포 내 미세 환경 변화를 실시간으로 탐지하는 물질을 이용해 미토콘드리아의 산화 손상 경로를 밝혔다. 이번 연구는 암세포의 산화 손상을 인위적으로 유도하는 광역동(PDT) 치료, 방사선 치료 등 암 치료 기술 발전에 큰 도움이 될 전망이다.

UNIST 권태혁·서정곤 교수팀은 미토콘드리아를 산화 손상시킴과 동시에 주변 환경 변화 감지가 가능한 다기능성 유기금속 분자를 개발했다. 이 유기금속 분자는 외부 빛을 흡수해 활성산소를 만들고, 미토콘드리아 주변의 점도, 극성과 같은 정보가 담긴 새로운 빛을 내도록 설계됐다. 연구진은 개발된 기술을 단백질 분석 기법과 결합해 미토콘드리아 산화가 세포사멸로 이어지는 경로를 제시했다.

미토콘드리아는 세포가 필요한 에너지를 만드는 세포내 핵심 기관이다. 활성산소에 의한 미토콘드리아가 산화되는 현상은 각종 암 치료 의료산업에 응용될 뿐 아니라 신경 퇴행 질환 및 심장질환과도 연관성이 높은 것으로 알려져 활발히 연구되고 있다. 하지만 미토콘드리아 산화가 미토콘드리아 기능 저하를 유발하거나 더 나아가 세포를 죽게 만드는 구체적 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다.

 연구진은 미토콘드리아의 특정 단백질 변성이 미토콘드리아 막 점도를 더 끈끈하게 만들고 탈분극(depolarization) 현상을 유도해 세포사멸이 일어난다는 메커니즘을 제시했다. 점도 증가와 탈분극 현상이 물질 이동 장애를 유발해 미토콘드리아를 부풀어 오르게 하고 정상적 기능수행을 방해하는 것이다.
 
개발된 물질을 암세포에 주입하면 세포의 미토콘드리아 막에만 선택적으로 붙는다. 여기에 맑은 날 약 1초 정도 노출되는 햇빛 수준의 아주 적은 빛 에너지(0.1 J/cm2)만 쪼여주면 암세포 사멸이 발생할 정도의 충분한 활성산소가 나온다.  또 이 물질의 곁가지(기능기) 간 에너지 교환 현상을 분석해 미토콘드리아 주위의 극성, 점도 등을 알 수 있다. 에너지 교환 현상이 빛 형태로 나타나기 때문이다.

공동 1저자인 이채헌 UNIST 화학과 석·박사통합과정 연구원은 “개발된 금속유기복합체가 내는 빛(발광)의 수명과 파장을 분석해 막 점성과 극성에 대한 정보를 얻은 덕분에 미토콘드리아 산화 손상 과정을 정확하게 이해 할 수 있었다”고 설명했다. 

공동 1저자인 남정승 UNIST 화학과 석·박사통합과정 연구원은  “프로테오믹스(proteomics) 기반 단백질 분석으로 미토콘드리아 산화에 의한 세포사멸 메커니즘을 뒷받침했다”며 “이번 연구는 화학-생물학 간 융합 연구의 성과”라고 전했다.

한편, 연구진은 형태변화 감지를 통해 미토콘드리아가 산화되면 미토콘드리아가 갈라지거나(fission) 서로 합쳐지는 현상(fusion) 빈번해 진다는 사실도 알아냈다. 

권 교수는 “개발된 물질은 암세포를 효과적으로 죽이는 동시에 미토콘드리아가 산화돼 세포 사멸이 일어나는 정확한 과정의 이해 할 수 있게 한다”며 “광역동 치료를 비롯한 세포 산화 기반 항암 치료 기술 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 4일 자로 온라인 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF), 한국에너지기술평가원(KETEP), 아산사회복지재단 의생명과학 장학사업, 글로벌박사양성사업(GPF), 울산과학기술원(UNIST)의 지원으로 이뤄졌다.

(논문명: Analysing the mechanism of mitochondrial oxidation-induced cell death using a multifunctional iridium(III) photosensitiser)

 

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경
미토콘드리아1)는 세포 내부에서 에너지를 생산하는 발전소와 같은 역할을 하는 소기관이다. 세포 내부에서 발생하는 활성산소종2)은 이 미토콘드리아를 쉽게 산화할 수 있는데, 이는 미토콘드리아의 기능 장애와 세포사멸(mitochondria oxidation-induced cell death)을 유발한다. 미토콘드리아의 산화는 신경퇴행성 및 심혈관·대사 질환과 깊게 연관되어 있을 뿐 아니라, 인위적 활성산소종 생성으로 세포사멸을 유도하여 각종 암을 치료하는 의료산업에도 응용될 수 있어 학계에서 활발히 연구되고 있다. 하지만, 미토콘드리아 산화가 기능 저하와 세포사멸로 이어지는 메커니즘은 정확히 밝혀지지 않았다. 이를 알아내기 위해서는 미토콘드리아를 산화하는 동시에 산화에 따른 미토콘드리아의 반응을 관찰할 수 있는 도구가 필요했기 때문이다.
이에 본 연구에서는 미토콘드리아에서 빛을 받아 활성산소종을 강하게 생성하면서 동시에 미토콘드리아 주변 미세환경 변화를 감지할 수 있는 이리듐 금속(Iridium) 광감각제3)를 개발하여 이러한 필요를 충족시키고자 했다. 이 이리듐 광감각제는 미토콘드리아의 막에 위치하면서 강한 산화 스트레스를 가하고 세포사멸을 유발하면서 미토콘드리아 막의 형태, 점도 및 극성 변화를 모니터링하는 분자 도구로 작동한다. 연구진은 개발한 이리듐 광감각제를 이용하여 미토콘드리아 산화에 대한 세포의 반응을 관찰하고 동시에 미토콘드리아 막의 활성산소종이 산화한 단백질을 분석하여 미토콘드리아 산화가 기능 저하 및 세포사멸로 이어지는 메커니즘을 제시했다.

2. 연구내용
이리듐 복합체는 높은 항간교차(intersystem crossing)4) 효율을 보이므로 들뜬 상태의 분자는 쉽게 활성산소종을 생성할 수 있다. 본 연구에서는 이 이리듐 복합체에 에너지 공여자(energy donor)를 도입해서 에너지 전이(energy transfer)5)를 통해 빛에너지를 이리듐 복합체로 전달하도록 하는 이리듐 광감각제를 디자인했다. 그 결과, 이리듐 광감각제의 활성산소종 생성이 크게 증폭되었으며, 분자 주변의 극성과 점성에 따라 각각 발광 파장과 발광 수명이 달라져서 미토콘드리아 막의 극성과 점성을 모니터링 할 수 있었다.
개발된 이리듐 광감각제는 세포막을 투과하여 세포 내 미토콘드리아의 막에 선택적으로 위치했다. 이리듐 광감각제를 투여한 세포에 빛을 조사했을 때, 굉장히 적은 빛에너지(0.08 J/cm2)에도 세포 내 활성산소종이 크게 증가하면서 세포사멸(apoptosis)이 유도되는 것을 확인했다. 이에 연구진은, 미토콘드리아 막에 활성산소종이 다량 생성됐을 때 형태, 점도 및 극성 측면에서 미토콘드리아 막의 변화를 관찰했다. 그 결과, 미토콘드리아의 산화 스트레스가 막의 점도 상승, 탈분극(depolarization), 기질 부풀어 오름(matrix swelling), 미토콘드리아가 분리(fission)되거나 다른 미토콘드리아와 합쳐지는(fusion) 현상이 일어나는 것을 실시간으로 관찰했다.
더 나아가, 연구진은 활성산소종이 어떻게 위와 같은 미토콘드리아의 반응을 유도하는지 알아내기 위해 세포 내 단백질이 활성산소종에 의해 어떻게 화학적으로 변성되는지 확인했다. 세포 내 단백질은 산화 스트레스 하에서 주변 단백질과 가교결합(Crosslinking)이 일어나며, 단백질 표면의 메티오닌(Methionine)의 작용기가 설폭사이드(sulfoxide) 형태로 산화되는 것을 확인했다. 세포 내 모든 단백질 중 메티오닌이 산화된 단백질을 분류하여 분석한 결과 미토콘드리아 막의 ‘OXPHOS complex’, ‘channel’, ‘translocase’ 및 ‘protease’ 단백질들이 주로 산화되었다. 이를 바탕으로 연구진은 미토콘드리아가 활성산소에 의해 산화 스트레스를 받을 때, 세포 사멸로 이어지는 메커니즘을 제시했다.

3. 기대효과
본 연구결과의 핵심은 (1) 미토콘드리아를 산화함과 동시에 미토콘드리아 주변 미세 환경 변화를 실시간으로 관찰할 수 있는 단일 분자를 개발했으며, (2) 산화 단백질 분석과 미세 환경 변화 관찰을 통해 미토콘드리아 산화-유발 세포사멸의 메커니즘을 제시한 데에 있다. 이를 바탕으로 신경 퇴행성 및 심장 질환의 발병 메커니즘을 밝히거나 암세포 사멸을 유도하는 전략을 수립하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

 

이리듐 광감작제 디자인 및 분자 내 에너지 전이 과정을 통한 활성산소종(ROS) 생성 모식도(상단)

그림1. 이리듐 광감작제 디자인 및 분자 내 에너지 전이 과정을 통한 활성산소종(ROS) 생성 모식도(상단). 이리듐 광감작제의 활성산소종 생성 정도(하단). 분자 내 에너지 전이를 도입한 이리듐 광감작제(Ir-OA)가 광활성시 더 많은 활성산소종을 생성함.

개발된 이리듐 광감작제의 미토콘드리아 막 점도 변화 감지

그림2. 개발된 이리듐 광감작제의 미토콘드리아 막 점도 변화 감지. (가) 점도에 따른 이리듐 광감작제의 발광 수명 차이. 점도가 높은 환경일수록 이리듐 광감각제의 발광 수명이 길어짐. (나) 세포 미토콘드리아에 산화 스트레스를 가한 후 미토콘드리아 막의 점도 변화. 평균 발광 수명이 산화 스트레스를 받은 경우 더 길어짐. (다) 미토콘드리아 주변 단백질의 가교결합 정도를 확인하기 위한 웨스턴 블랏 이미지. 왼쪽부터 미토콘드리아, 소포체, 퍼옥시좀, 핵이며 미토콘드리아, 소포체 그리고 퍼옥시좀 단백질은 산화스트레스를 받을 때 가교결합이 일어남.

개발된 이리듐 광감작제를 이용한 미토콘드리아의 탈분극 실시간 감지

그림3. 개발된 이리듐 광감작제를 이용한 미토콘드리아의 탈분극 실시간 감지. (가) 이리듐 광감작제의 극성 탐지 원리. 극성이 높은 환경에서는 친유성인 에너지 공여자(donor) 및 수여자(acceptor)가 가까이 위치하여 에너지 전이가 활발히 일어나므로 공여자 대비 수여자의 발광비가 커짐. (나) 극성에 따른 이리듐 광감작제의 발광 그래프. (다) 공여자 대비 수여자의 발광비를 이용한 ratiometric 이미징. 미토콘드리아에 산화 스트레스를 가한 후 막의 극성이 급격히 줄어드는 것을 확인함. (라) 프로테오믹스를 통한 산화 단백질 분석. OXPHOS complex와 채널 및 translocase 단백질이 주로 산화되어 탈분극이 진행됨을 확인함.

개발된 이리듐 광감작제를 이용한 미토콘드리아의 형태 변화 감지

그림4. 개발된 이리듐 광감작제를 이용한 미토콘드리아의 형태 변화 감지. (가)산화 스트레스를 가한 후 미토콘드리아 기질(matrix)의 형태 변화. 3분 이내 대부분의 미토콘드리아가 크게 부풀어 오르는 것을 확인함(상단). 또한, 미토콘드리아의 결합(fusion) 및 분열(fission)이 빈번히 일어나는 것을 관찰함(하단). (나) protein quality control (PQC) 관련 단백질의 산화 분석. protease 및 PQC 관련 단백질은 다수 산화되었으나, 미토콘드리아의 분열 및 결합 관련 단백질은 대부분 산화되지 않음. (다) 미토콘드리아가 산화 스트레스를 받을 때 세포 사멸로 이어지는 메커니즘 제시.

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