활성화된 성상세포에서 리포칼린-2 생성 억제 입증
우리 뇌에는 신경세포뿐만 아니라 아교세포가 전체 뇌세포의 50%를 차지하며, 이 중에서도 성상세포는 전체의 10~20%를 차지한다. 성상세포는 뇌의 신경세포를 돕는 별 모양의 지지세포로 세포 외 공간의 화학적 조성을 조절하는 역할을 한다. 포타슘의 농도 조절, 포도당의 공급, 신경전달물질의 제거와 합성 등에 관여하며 신경세포가 원활한 기능을 수행하도록 돕는다.
그런데, 문제는 뇌의 노화가 진행되면 성상세포 활성화가 일어나는데, 활성화된 성상세포에서 분비되는 신경독소 리포칼린-2가 신경세포 사멸을 촉진시킨다는 점이다. 즉, 신경세포를 돕는 지지세포인 동시에 신경세포를 파괴하기도 한다는 것. 하지만 성상세포 활성화가 신경세포 사멸에 어떻게 기여하는지에 대해서는 정확히 알려져 있지 않았다. 유 교수는 성상세포는 그 활성화 상태에 따라서 친염증성 사이토카인 발현이 높을 수도, 항염증성 사이토카인 발현이 높을 수도 있다고 설명했다.
“친염증성 사이토카인 발현이 높은 경우 리포칼린-2와 같은 신경독소의 분비가 촉진되고, 반대로 항염증성 사이토카인의 발현이 높은 경우 신경영양인자의 분비가 촉진된다고 알려져 있습니다. 신경영양인자는 신경보호작용을 합니다. 만약 활성화된 성상세포의 사이토카인 발현 양상을 변화시킬 수 있다면, 활성화된 성상세포에서 분비되는 신경독소를 감소시키고, 신경영양인자를 증가시켜 주변의 신경세포에 좋은 영향을 미칠 수 있을 것이라는 생각으로 연구를 시작하게 되었습니다.”
특히, 연구팀은 선행연구와 관련해 두 가지 측면에서 이번 연구가 의미 있을 것으로 판단했다. 첫째는, 유 교수가 제작한 폴리유비퀴틴 유전자 Ubb 결손 마우스의 시상하부에서 3개월령이 되었을 때 신경세포 사멸이 관측되고, 1개월령에서는 성상세포 활성화가 관측되었다는 사실이다. 즉, 신경세포 사멸에 앞서서 성상세포 활성화가 일어나므로, 활성화된 성상세포가 신경세포 사멸에 어느 정도 기여한다고 볼 수 있다.
둘째, 폴리유비퀴틴 유전자 Ubb 결손 태아의 뇌에서 분리한 혼합신경세포(신경세포+아교세포)는 wild-type 태아의 뇌에서 분리한 혼합신경세포와 비교해서 리포칼린-2 레벨이 높다. 따라서 활성화된 성상세포의 유전자 발현 프로파일에 변화를 유발해 리포칼린-2 생성 및 분비를 감소시킬 수 있다면, 신경세포 사멸을 억제할 뿐만 아니라 신경보호 효과가 있을 것이라는 가설을 세웠다.
연구를 시작할 당시 연구팀은 미세아교세포를 포함하는 혼합성상세포에 리포다당류로 염증을 유발한 후 생성된 리포칼린-2가 프로테아좀 억제제에 의해 그 레벨이 높아지는지를 확인하고자 했다. 그러나 오히려 그 레벨이 낮아지는 결과를 얻게 되었고, 단백질 수준에서뿐만 아니라 유전자 발현 레벨도 감소한다는 사실을 알아냈다.
실제로 혼합성상세포에 리포다당류를 처리하면 그 수용체를 더 많이 갖고 있는 미세아교세포가 먼저 반응해 친염증성 사이토카인을 분비한다. 이들이 성상세포에 있는 수용체에 결합해 NF-κB 신호전달을 활성화시켜 리포칼린-2를 생성하게 하고, 결국 성상세포가 활성화된다. 미세아교세포가 없는 순수한 성상세포는 리포다당류에 반응하지 않는 것도 확인했다.
또한 보르테조밉과 같은 약물에 의한 프로테아좀 억제는 리포다당류 처리에 의한 NF-κB 신호전달 활성화에 필요한 IκBα의 분해 및 NF-κB의 핵 내 이동을 저해하며, 리포칼린-2 발현을 감소시킨다는 사실을 입증했다. 즉, 프로테아좀 억제제를 사용해 리포칼린-2 생성을 줄일 수 있음을 보여준 것이다.
연구팀은 리포칼린-2가 프로테아좀의 표적이 아니라면, 자가포식의 표적일 수도 있다는 생각에 바필로마이신이라는 약물로 자가포식 기전을 억제한 결과, 리포칼린-2가 추가로 축적되는 것을 발견했다. 반대로 토린1이라는 약물로 자가포식 기전을 활성화시킨 결과 리포칼린-2의 분해가 촉진되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 리포칼린-2의 반감기는 30분 정도로 매우 짧다는 사실, 그리고 리포칼린-2의 생성 감소뿐만 아니라 분해 촉진은 분비량의 감소로 이어짐을 규명했다.
신경세포 사멸 억제 약물 개발에 활용 기대
이처럼 연구팀은 신경염증 스트레스에 의해 활성화된 성상세포에서 생성 및 분비가 증가한 신경독소 리포칼린-2를 프로테아좀을 억제해 생성을 감소시키거나 자가포식 기전을 활성화시켜 분해를 촉진시킬 수 있음을 세계 최초로 밝혀냈다. 두 경우 모두 신경염증 스트레스 하에서의 신경세포 사멸을 억제 또는 완화하는 효과가 있음을 보여주었다. 이러한 결과는 리포칼린-2 양의 감소를 통해 신경세포가 처한 미세환경을 개선할 수 있고, 신경염증과 성상세포 활성화를 동반하는 다양한 신경퇴행성질환의 새로운 치료표적으로 활용될 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
“이번 연구를 통해서 프로테아좀 억제 또는 자가포식 활성화에 의한 리포칼린-2 레벨 감소가 성상세포 유전자 발현 프로파일에 변화를 유발할 수 있다는 기초 데이터를 확보할 수 있었습니다. 성상세포가 활성화되는 여러 가지 경로 중에서 리포칼린-2 레벨을 감소시키면, 자체 또는 주변의 성상세포에 영향을 미쳐, 활성화된 성상세포의 특성을 변화시킬 수도 있다는 것이죠. 활성화된 성상세포가 항염증성 사이토카인의 발현을 상향조절하는 쪽으로 특성이 변한다면, 신경영양인자 분비를 촉진시킴으로써 신경보호 효과를 상승시킬 수 있을 것입니다.”
프로테아좀 억제제와 자가포식 기전 활성제로 사용한 약물, 그리고 앞으로 사용할 약물 중에는 실제로 이미 환자에 사용되고 있는 약물도 있다. 즉, 신약 개발의 부담 없이 신약재창출을 통한 신경세포 사멸 억제 약물을 개발할 수도 있을 것으로 기대된다.
또한, 리포칼린-2 레벨은 혈액에서도 측정 가능하다. 따라서 리포칼린-2 레벨 측정을 통해서 성상세포 활성화 상태를 파악해 신경퇴행성질환의 조기예측 또는 진단이 가능할 수도 있다.
“향후에는 혼합성상세포가 아니라 순수성상세포를 이용해 리포칼린-2 생성, 분해 및 분비 기전을 보다 명확히 규명하고자 합니다. 프로테아좀 및 자가포식작용에 의해 조절되는 사이토카인을 추가 발굴할 뿐만 아니라, 이러한 사이토카인들이 활성화된 성상세포 특성에 어떤 영향을 미치는지도 파악할 예정입니다. 또한, 동물모델에서 리포칼린-2 레벨 감소에 의한 활성화된 성상세포 특성 변화를 확인하고 신경보호작용을 검증하고자 계획하고 있습니다. 궁극적으로 신경퇴행성질환을 극복하는 것이 연구팀의 목표인데, 이번 연구를 통해 검증한 약물은 적어도 신경퇴행성질환의 진행을 지연시킬 수 있는 충분한 가능성이 있다고 판단됩니다.”
이번 연구 결과는 2023년 2월 28일, 생명과학 분야 국제저명 학술지인 ‘Autophagy(2022년 기준 IF 13.392)’에 온라인 게재(8월 1일 오프라인 게재)되었다. 해당 논문은 한국인 과학자들이 발표한 생명과학 관련 우수 논문(IF 10 이상의 학술지에 게재)으로 선정되어 생물학연구정보센터(BRIC)의 ‘한국을 빛내는 사람들(한빛사)’에 소개되기도 했다. 건국대학교 융합생명공학과 김동은 교수 연구팀과 공동연구로 진행했으며, 정병권 박사가 제1저자로 이름을 올렸다.
“건국대학교 김 교수님은 오토파지 저널에 논문을 두 번이나 게재한 적이 있는 오토파지 전문가로서 연구의 레벨을 한 단계 업그레이드시키는 데 큰 기여를 하셨습니다. 김 교수님의 도움이 없었다면 과연 이 연구 결과를 오토파지 저널에 게재할 수 있었을까 하는 생각이 듭니다. 그리고, 이 연구를 주도적으로 수행한 정 박사는 매우 유능한 인재로서 실험을 잘했을 뿐만 아니라 연구 방향을 설정하는 데에도 큰 힘이 되었습니다. 이번 기회를 빌어 김 교수님과 정 박사, 연구에 참여해주신 모든 분들에게 다시 한번 감사하다는 인사를 전하고 싶습니다.”
비생분해성 초미세플라스틱의 세포 밖 배출 촉진 기전 발견
유 교수는 이번 연구 외에도 제한된 연구비의 열악한 상황 속에서도 포기하지 않고 꾸준히 연구를 수행한 결과 지난해 세포 내로 유입된 비생분해성 초미세플라스틱(나노플라스틱)의 세포 밖 배출 촉진 기전을 발견하는 성과를 거두기도 했다.
연구팀은 노화, 신경퇴행성질환 또는 환경에 의해 유발되는 신경세포 사멸을 극복하기 위한 연구를 수행해 왔다. 그 과정에서 직경 100nm의 폴리스티렌 나노플라스틱을 마우스 조직에서 분리한 여러 종류(신경세포, 성상세포, 섬유아세포 등)의 세포에 처리한 결과, 세포독성 유발 정도가 다름이 관찰되었다. 신경세포가 가장 민감하게 반응했고, 신경세포에서만 세포 사멸이 유발되었다. 실제로 이 크기의 나노플라스틱은 엔도사이토시스라는 과정을 통해서 세포 내로 유입되고, 엑소사이토시스라는 과정을 통해서 세포 밖으로 배출된다. 유 교수는 신경세포가 다른 세포에 비해서 효율적으로 나노플라스틱을 배출하지 못해 나노플라스틱이 세포 내에 머무는 시간이 길기 때문이지 않을까 추측해 보았다. 세포 내의 나노플라스틱은 산화스트레스를 유발하기도 하는데, 보통 나노플라스틱에 추가적으로 노출되지 않을 경우, 세포는 자체적으로 나노플라스틱을 배출시킴으로써 이러한 스트레스를 극복할 수 있다.
“섬유아세포 내로 유입된 나노플라스틱은 미세소관을 따라서 핵주변으로 역행수송되어 모이게 됩니다. 이 과정은 단백질 응집체를 역행수송에 의해 핵주변에 모은 다음 자가포식작용으로 제거하는 기전과 유사하며, 나노플라스틱은 아마도 단백질응집체와 함께 역행수송될 것입니다. 세포질 여기저기에 흩어져있는 단백질응집체를 제거하는 것보다 한곳에 모은 다음에 제거하는 것이 훨씬 효율적이라고 할 수 있죠. 그런데, 단백질응집체의 경우 자가포식작용으로 제거가 가능하지만, 나노플라스틱은 비생분해성이므로 자가포식-리소좀 경로에 의한 분해가 불가능해서 오히려 자가포식 기전을 방해하게 되는 문제점이 있습니다.”
미세소관을 따른 역행수송에는 다이닌이라는 모터 단백질과 히스톤 탈아세틸화효소6(HDAC6)이 관여한다. 연구팀이 HDAC6 활성 억제제를 처리한 결과 엑소사이토시스에 의한 세포 밖으로의 배출 촉진으로 세포 내에 존재하는 나노플라스틱 레벨이 감소했다. 즉, HDAC6 활성 억제제를 나노플라스틱에 의한 산화스트레스 및 독성을 완화시키는 약물로 활용할 수 있는 가능성을 제시한 것이다. HDAC6 활성 억제는 세포 내로 유입된 다양한 종류의 비생분해성 물질의 배출 촉진에 활용될 수 있으며, 세포 내로 유입된 이물질은 신속하게 제거되어야 세포에서 유발될 수 있는 산화스트레스, 염증스트레스 또는 세포독성이 완화될 수 있다.
“실제로 동물모델에서 나노플라스틱을 비강으로 주입한 결과 혈액-뇌장벽을 우회해 뇌에 축적되고, 신경독성을 유발하는 것을 확인했습니다. 또한, 섬유아세포와 마찬가지로 신경세포에서도 HDAC6 활성 억제에 의한 세포 밖으로의 배출 촉진 및 산화스트레스, 신경독성 완화 효과를 확인할 수 있었습니다. 즉, 나노플라스틱을 비강으로 흡입한 경우, 뇌 신경세포에 축적될 수 있다는 가능성과 신경독성을 완화시킬 수 있는 방법을 제시했다는 점에서 의미가 컸던 연구입니다.”
이 연구 결과는 환경과학 분야 국제저명 학술지인 ‘Journal of Hazardous Materials(2021년 기준 IF 14.224, 상위 3.23%)’에 2022년 7월 15일 온라인 게재(10월 5일 오프라인 게재)되었으며, 생물학연구정보센터(BRIC)의 ‘한국을 빛내는 사람들(한빛사)’에 소개되었다.
신경퇴행성질환 극복 위한 치료 전략 개발 목표
최근 연달아 생물학 분야에서 굵직한 성과를 거두며, 두각을 드러내고 있는 ‘세포생물학실험실’은 신경세포의 무결성 유지와 붕괴, 그리고 노화기간 동안의 신경세포 감소 현상을 이해하는 데에 중점을 두고 있다. ▲신경퇴행성질환 ▲성상세포 활성화 ▲유비퀴틴-프로테아좀 시스템 ▲자가포식-리소좀 경로 등을 주요 키워드로 삼아 연구를 수행 중이다. 궁극적인 목표는 세포 품질 관리 시스템을 조절해 신경퇴행성질환을 극복하기 위한 새로운 치료 전략을 개발하는 것이다.
연구실이 지금의 성과를 거두며 빛을 발하게 되기까지 그 과정이 녹록한 것만은 아니었다. 연구를 수행하기 위해서는 충분한 연구비와 연구인력이 확보되어야 하는데, 연구과제가 한 개밖에 없는 경우 과제가 종료된 후 신규과제에 바로 선정되어야 하는 부담을 안을 수밖에 없다. 다행히 연구과제가 단절된 적은 없었지만, 지난 4년간은 기본연구를 수행하면서 부족한 연구비와 인력난으로 어려운 시기를 겪기도 했다. 그러나 이런 어려움을 이겨낼 수 있었던 데에는 연구원들을 이끄는 수장으로서 유 교수의 리더십과 흔들리지 않는 의지, 과정을 중시하는 정신이 주효했다.
“평소 결과보다는 과정이 중요하다는 사실을 늘 강조하고 있습니다. 비록 실험이 실패해 결과를 도출하지 못하더라도 그 과정을 통해서 뭔가를 배웠다면 언젠가는 실험을 성공할 수 있을 것이라는 확신을 갖길 바랍니다. 실험은 우리가 시간을 투자한 만큼, 노력한 만큼, 정직한 결과로 돌려준다고 생각합니다. 학위 과정 중 고비가 있을 수 있고, 시련을 겪을 수도 있지만, 끈기 있게 꾸준히 매진한 자만이 피니쉬 라인에 도달할 수 있을 것입니다.”
또 하나, 유 교수가 강조하는 부분은 프로젝트에 대한 애착이다. 다른 학생의 연구가 좋은 성과를 거두었을 때, ‘내가 저 프로젝트를 맡았으면 저것이 내 성과가 되는 건데’라는 생각은 하지 말 것을 당부하고 있다. 그 프로젝트가 성공한 것은 프로젝트가 좋아서라기보다는, 그 학생이 그 프로젝트를 맡았기 때문임을 명심하라는 것. 더불어 유행을 쫓을 것이 아니라, 본인이 의미 있다고 생각하는 자신만의 연구분야를 찾아 애정을 갖고, 꾸준히 파고드는 것이 중요하다고 덧붙였다.
유 교수는 앞으로 ▲신경퇴행성질환 극복을 위한 치료 전략 개발 ▲세포 내 비생분해성 나노플라스틱의 거동 및 영향 ▲단백질 독성 스트레스에 대한 세포 항상성 유지에 있어 유비퀴틴의 역할 ▲유비퀴틴 부족 동물 모델의 심층 특성 분석 등의 연구를 중점적으로 수행할 계획이다. 이러한 연구과제 수행을 통해서 과학계에 조금이나마 기여하고, 노인성 질환의 치료에 도움이 되었으면 한다는 바람을 전했다. 순수함을 간직한 열정과 일희일비하지 않는 자세로 연구에 정진하고 있는 유 교수, 그의 걸음걸음에는 언제나 생명을 향한 짙은 애정과 진심이 담겨 있다.
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)
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