노화와 암 발생 증가 기전

[사랑지기]

노화와 암 발생 증가 기전

KSBMB NEWS·9월호 1
정해영*, 김지민, 이은경, 최연자
부산대학교 약학대학 약학과
*hyjung@pusan.ac.kr
TiBMB- Ageing” ”

노화와 혈관질환의 기전으로서 분자염증
(Molecular inflammation as the underlying
mechanism of aging process and vascular diseases)

1. 서론

노화란 시간에 따른 생체 기능의 손실을 의미하는데, 생명의 지속과 나란히 겪게 되는 피할 수 없는 현상이다. 인체의 노화과정이란 수십년에 걸쳐 일어나는 퇴행적인 변화가 진행되어 노인성 질환으로 연결된다. 질병으로 인한 사망률을 연령별로 살펴보면 40세부터 여러가지 노인성질환이 현저히 증가하는 것을 알 수 있는데, 그 중에서도 심장질환, 암, 당뇨병, 뇌혈관 질환, 동맥경화증이 급속히 증가하는 것을 볼 수 있다.

노인성질환의 가장 큰 요인은 바로 노화이므로 노화기전을 잘 이해하고 조절하게 되면 노인성 질환을 예방하고 건강 장수할 수 있을 것이다. 특히 혈관을 통해 말초세포의 미토콘드리아에 산소와 영양분을 공급해주어, 생체에너지 ATP를 생성하게 되어 세포의 기능을 유지한다. 하지만 이러한 과정에 장애가 있게 되면, 말초세포에 영양분과 산소 공급이 원활히 이루어지지 못하면 세포사가 일어나게 된다. 그리고 죽은 세포를 제거하기 위해 면역세포들이 모여들어 미세한염증반응이 유발되며 노화가 촉진되게 된다.

본 총설에서는 노화과정에서 분자염증 반응의 중요성과 특히 혈관노화에서의 분자염증반응과 식이제한에 의한 이들의 조절기전에 대해 알아보고, 나아가서 이들 기전이 혈관질환과 어떻게 연관되어 있을지에 대해 알아보고자 한다.

2. 산화스트레스와 노화

세포의 손상 시 생성되는·O2-, H2O2, ·OH와 같은 활성 산소종(reactive oxygen species, ROS)의 주요한 세포내 생성원들은 미토콘드리아, 퍼옥시좀과 xanthine oxidase (XOD)를 포 함 하 는 oxidase, NADPH, cyclooxygenase (COX)등의 다양한 효소들이다. 또한 macrophage, neutrophils와 다른 면역세포들에서 NO, NO2, peroxynitrite (ONOO-)와 같은 활성질소종(reactive nitrogen species, RNS)들이 염증반응시 이물질을 공격하기 위해 다량의 RNS와 ROS를 생성하여 생체방어 에 중 요 한 역 할 을 한 다 . 그 러 나 neutrophils, monocyte, eosinophils, macrophage와 같은 세포들에 있어 NADPH oxidase에 의한 과다한·O2-의 생성으로 산화 스트레스를 초래하게 되면 염증반응을 유발하게 된다.

이러한 산화스트레스가 노화연구에 적용되기 시작한 것은 1956년 Harman박사가 호흡과정에서 생산되는 free radical에 의한 산화적 손상으로 노화를 야기하고 죽음을 초래한다는 노화의 free radical 가설을 제안하면서 부터이다(1). 그는 이 가설을 뒷받침하는 것으로 돌연변이, 암 발생, 세포 손상에 있어서 free radical을 생성하는 전리방사능과 노화의 영향이 유사하다는 점을 지적하였다.

또한 방사능에 의해서 물로부터 hydroxyl radical (·OH)이 생성되며 생체물질에도·OH가 존재함이 밝혀짐으로써 Harman은 생체 내에서 효소적 산화환원 반응에 의해 산소 radical이 생성된다고 하였으며, 특히 철 등과 같은 금속이온이 이러한 반응을 촉진한다고 하였다. 그 후 1969년 SOD (superoxide dismutase)가 발견됨으로써 superoxide onion (·O2-)가 생체 내에서 생성되며 radical을 제거하는 항산화시스템이 세포에 존재함이 증명되었다.

그 후에 텍사스 주립대 유병팔 박사가 이 학설을 더욱 발전, 변형시켜 생체 내에서 끊임없이 생성되는 산화스트레스에 의해 세포성분(DNA, RNA, 효소, 세포막)을 산화시켜 세포의 기능저하와 손상을 가져오고, 세포 항상성의 파괴로 노화및 노화와 관련된 질병을 초래한다는 산화 스트레스 학설이 여러 학설의 근본이 되고 최근 가장 주목을 받고 있는 학설이다(2).

3. 노화의 분자염증 가설

염증반응에서는 ROS와 RNS 뿐 아 니 라 , COX-2, inducible nitric oxide synthase(iNOS), XOD, NADPH oxidase와 같은 활성종을 생성하는 효소들이 중요한 역할을 담당하고 있다. 끊임없이 생성되는 ROS와 RNS는 생체내 여러 가지 세포의 작용을 조절하는 염증반응과 깊이 관련되어 있다. 실제로, 세포괴사나 조직손상에 대해서 생리학적 보호기전으로 급성 또는 만성 염증반응이 관여하고 있는데, 이는 repair system을 증강시키거나 상해를 제한시키기 위해서 짜여진 세포의 생리적인 활성기전이며, 이는 모든 조직에서 미세하게 잘 조절되는 기전을 가지고 있다.

그러나 ROS와 RNS의 파괴적 성향 때문에 이들이 과다생성되거나 상향조절 되면 그 결과로 세포와 조직의 손상을 초래하는 주원인이 되는 것으로 알려져있다. 특히 노화된 생물에 있어서 생리적 조절이 손상된 것으로 알려진 염증반응이 지속적으로 반복되어 일어나는 만성적인 염증반응을 의미하며, 이들 염증반응이 잘 조절되지 못할 경우 노화촉진이나 노인성 질환으로 연결될 것이다.

Macrophage, neutrophils 등과 같은 면역 세포들에서는 다량으로 생성되는 ROS와 RNS들은 감염이나 염증반응에서 이물질을 제거하는데 중요한 역할을 한다. 또한 그들은 면역계를 활성화시키는데 중요한 역할을 하지만, 과다한 양이 장기간 지속적으로 생성되어 축적하게 되면 세포구성 성분의 손상을 초래하게 된다. 특히 전사인자인 Nuclear Factor kappa B (NF-κB)는 여러가지 자극에 대해 민감하게 반응하는 redox 감수성 전사인자로서 ROS와 redox상태에 따라 정교하게 조절된다.

NF-κB는 초파리에서 포유동물까지 광범위하게 여러 유기체에서 확인되었고, 빠른 유전자 발현 유도를 통해 방어에 관련된 여러 반응들에서 중추적 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 특히 NF-κB는 iNOS, COX-2, acute-phase proteins, 세포 접착 분자 (adhesion molecules), 다양한 염증성 cytokines의 발현을 조절한다. NF-κB는 유전자 발현을 통해 apoptosis, 종양형성, 세포증식, 염증, 면역반응을 조절한다. NF-κB의 활성화와 그것에 의한 유전자 발현은 노화, 암, 동맥경화증, 방사능에 의한 조직 손상, 비루스성 복제, 급성염증 상태, 조직이식 숙주반응, 독성 부패성 조직손상 등을 포함하는 여러 가지 병리적인 상태와 밀접하게 관련되어 있다. 다른 전사인자와는 다르게 NF-κB 단백질은 IκB라 불리는 저해성 component에 의해 불활성상태로 세포질에 존재한다.

NF-κB는 p50 (NFκB1), p52 (NFκB2), p65(Rel-A), c-Rel과 Rel-B와 같은 Rel계 homodimer나 heterodimer이다. 포유동물에서 대부분 널리 분포된 -κB결합인자는 p50과 p65 단백질을 구성하는 heterodimer이다. IκB의 인산화와 일련의 분해과정을 통해 핵으로 NF-κB의 전이가 일어난다. NF-κB 활성화에 관여하는 인자들은 TNFα, lymphotoxin과 IL-1β, mitogens, bacterial lipopolysaccharides (LPS), 산화 스트레스, 자외선, phorbol esters와 같은 여러 가지 염증성 cytokines 등이 있다. 대부분 이 물질들은 ROS를 발생하는 것으로 알려져 있다.

염증반응이 노화과정과 노인성 질환에 밀접하게 관련됨이 최근 명확히 밝혀지고 있다. 알쯔하이머질환과 혈관성 질병의 경우는 항염증 약물의 투여에 의해 증세가 개선됨이 잘 알려져 있다. 노화과정과 노인성 질환에는 NF-κB의 활성화를 초래하는 ROS와 RNS 반응이 밀접하게 관련되어 있다. 그러므로 NF-κB는 염증과정에서 중심적 위치를 차지하는 key regulator이다. 저자들이 새롭게 제안한‘노화의 분자염증가설’에서도 NF-κB가 주된 역할을 담당하고 있다는 것을 알 수 있었다. 노화과정에서 산화 스트레스에 의해 여러 조직들의 손상을 초래하여, 염증세포들의 염증성 cytokine 유도 및 활성화를 가져와 염증반응을 지속적으로 증폭시킬 것이다.

이들 연구 결과들과 기존 염증과 관련된 타 연구자들의 연구 결과를 바탕으로 노화과정에 미세한 염증반응이 중요하게 관여 한다는‘노화의 분자염증가설’을 제안하게 되었다. 즉, cytokine은 COX-2, iNOS, XOD을 포함하여 염증성 효소의 유도, 활성화 그리고 NADPH oxidase에 의한·O2-의 발생, ROS 및 RNS을 생성한다. 결국 축적된 ONOO-, ·OH, H2O2, ·O2-는 염증반응의 증폭을 야기하며, 세포의 항상성 상실을 가져와서 노화 및 노인성 질환을 초래한다는 것이 노화의 분자염증가설이다(3).

여기에서‘분자염증’이란 기존의 염증증세에서 나타나는 염증 반응과 구별하기 위해 분자수준에서 일어나는 초기단계의 염증반응을 나타내며, 이는 만성적 염증현상을 가져오는 염증반응의 전조단계로서 노화의 분자기전과 노인성 질환들을 연결시키는 새로운 분자적 관점이 될 것이다. 특히 최근 Spindler박사 연구팀의 마우스 간 조직의 DNA chip 연구 결과와(4) Weindruch박사의 마우스 근육 및 뇌와 원숭이 근육조직의 DNA chip 연구결과 및 염증관련 유전자들이(5) 노화과정에서 상향조절된 것이 식이제한에 의해 억제된다고 발표하였다. 이들은 노화과정에 염증관련 유전자의 변화가 현저하다는 결과를 보고하였는데, 이들은 노화의 분자염증 가설을 강력히 지지해 주고 있다.

4. 식이제한의 항염증작용

식이제한은 노화를 지연시키고 수명을 연장시키며, 노화와 관련된 질환의 발병을 감소시키는 것으로 보고되어 있다. 식이제한은 스트레스에 대한 저항력을 증가시키고, 항상성 유지에 영향을 미치며, 대사의 효율성을 증가시킨다. 최근 식이제한한 동물 조직의 유전자 발현 프로파일
분석을 통하여, 식이제한이 산화 스트레스 및 염증반응에 관련되는 유전자의 발현에 영향을 미치고 있음이 확인되었다. 식이제한된 심장의 허혈 후 재관류 시, 산화 스트레스에 의한 손상이 감소하였으며, 식이제한에 의한 GSH의 증가로 ROS와 RNS 제거 능력 증가와 염증 관련 cytokine발현이 감소함이 확인되었다.

식이제한으로 인한 항염증 조절작용은 TNFα, IL-1β와 IL-6 등 cytokine의 나이에 따른 발현을 감소시키며, 폐포의 macrophage를 사용한 또 다른 실험에서도 macrophage의 탐식작용을 증가시키고 TNFα, IL-6의 생성을 저해하는 것으로 알려져 있다. 본 저자들은 식이제한의 항염증작용을 규명하기위해, 노화쥐에 indomethacin을 처리하여 COX에 의한 ROS 생성변화를 조사한 결과 식이제한으로 ROS의 생성이 감소되었으며 또한 COX의 활성과 TAX2, PGI2 그리고 PGE2의 생성을 감소시킴을 확인하였다.

게다가 식이제한은 NF-κB 및 COX-2의 mRNA와 단백질발현을 조절하는 것으로  나타났다. 또한 다른 염증관련 단백질인 IL-1β, IL-6, TNFα, iNOS, vascular cell adhesion molecule (VCAM-1),
intercellular adhesion molecule (ICAM-1), P-selectin, Eselectin이 모두 식이제한에 의해서 조절됨을 보고하였다. 염증과 관련된 NF-κB의 조절에 ERK, JNK, p38 MAPK과 같은 MAP kinase (MAPK) pathway가 관여함이 보고되어 있으며, 노화과정에서도 나이에 따라 ERK, JNK, p38 MAPK의 활성이 ROS와 같이 증가되고, 반면 식이제한은 노화와 관련된 MAPK들의 활성을 감소시킴을 보고하였다.

결론적으로 식이제한은 조직 혹은 세포에서 노화와 관련된 산화 스트레스 증가를 감소시키며, NF-κB 활성화를 억제시켰다. NF-κB의 활성억제는 다양한 염증관련 cytokine들의 발현을 감소시키며, 이러한 효과는 식이제한에 의한 ERK, JNK, p38 MAPK 등의 조절과 관련이 있을 것으로 생각된다. 이와 같이 식이제한에 의한 노화 관련 염증을 억제함으로써 노화과정을 억제하여 수명을 연장시킬 것으로 사료되므로, 이러한 식이제한에 의해 노화를 제어하는 일련의 분자기전은 노화의 분자염증가설이 식이제한 연구모델에서 재확인된 것이라 생각된다(6).

5. 혈관에서의 활성산소 생성계

혈관벽에서 NO는 보통 NO synthase(NOS)에서 생산되어 내피유래 이완작용，혈소판 응집억제，혈관평활근 세포증식 및 형질변환의 조절에 중요한 역할을 맡고 있다. 또한·O2-는 산소가 1전자 환원 되어 생성되는데, 혈관벽에 존재하는 NO와 재빨리 반응하여 ONOO-로 변환된다.
ONOO-는 지질의 과산화 및 단백질의 nitration 등을 일으키는 것에서 동맥경화의 진전에 깊이 관여하고 있다. NO가 다량으로 존재하지 않는 조건하에서는·O2-는 SOD와 반응하여 H2O2를 생산한다. H2O2는 비교적 세포 내에 안정하게 존재할 수 있지만，catalase나 GSH peroxidase 등에 의해서 최종적으로는 물로 대사된다.

이들 ROS는 내피 의존성 이완작용의 장해，세포증식，혈관염증작용 및 리모델링 형성을 일으키고 고혈압，동맥경화，심부전 등 순환기계 질환의 발증에 깊이 관여한다. 근래, ·O2-나 H2O2를 비롯한 ROS가 혈관평활근세포, 내피세포 및 심근세포 등 많은 심혈관계 세포에서 직접 생성되는 것으로 밝혀졌다. ·O2-생성계로서는 lipoxygenase(LOX)，미토콘드리아 전자전달계，heme oxygenase, NADPH oxidase등이 알려져있다. 혈관벽에서는 세포막 결합형 NADPH oxidase가 주요 ·O2-생산계이다. 동맥경화 혈관에서는 macrophage가 주요 ·O2-생성원이 되고, NADPH oxidase，12/15-LOX 혹은 세포외에 존재하는 myeloperoxidase의 활성화를 통해서 low density
lipoprotein (LDL)의 산화를 일으킨다.

혈관벽에 있어서도 가장 중요한 ·O2-생산계의 하나인 NADPH oxidase는 증식인자가 G 단백질 수용체 활성화 agonist，저분자량형 G단백질 rac-l 등에 의해 활성화되는 것이 보고되고 있다.
혈관 평활근세포에서는 혈압조절 호르몬인 angiotensinⅡ(Ang Ⅱ)， cytokine， thrombin 및 platelet-derived growthfactor (PDGF)등이，내피세포에서는 Ang Ⅱ，lactosylceramide，기계적 자극 등이 NADPH oxidase의 활성화를 통해서 ·O2-를 생산시키는 것이 알려져 있다.

자극 후 초기의 NADPH oxidase의 활성화에는 oxidase component의 인산화 및 phosphatidic acid나 아라키돈산 대사산물 등이 중요한 역할을 맡고 있다는 것이 시사되고 있다. 최근 저자들은 혈관의 LOX가 lysophosphatidylcholine(LPC)에 의해 활성화되어 생성되는 ROS에 의해 NF-κB가 활성화되어서 혈관 내피의 접착분자들이 발현되어 혈관 염증과 관련된다는 것을 보고한 바 있다(7).

6.혈관노화에서 염증 반응

혈관노화의 원인으로 염증과정에 대해 저자들이 제안한 분자염증 가설은 노화과정과 노인성 질환의 관련성과 원인 및 분자기전을 규명하는 새로운 실마리를 제공해 줄 것이다. 노화과정에서 염증과정은 혈관 내피세포와 평활근 세포의 나이에 따른 변화에서 잘 나타나는데, 특히 동맥경화증과 당뇨병의 혈관변성에서 잘 나타난다. 이러한 증거는 염증반응이 주요 혈관질환과 밀접한 관계가 있음을 알수 있다. 혈관 내피세포는 조직과 혈장 간 interface를 형성하기 때문에 외적 스트레스에 혈관내피세포는 쉽게 노출되어 손상되기 쉽다.

스트레스나 혈관내피세포의 손상에 의해 내피세포는 정상적인 혈관 tone과 혈류를 유지하
기 위해 적당한 생리적 반응을 개시하며, 대개 백혈구 자극과 prothrombogenic surface의 혈관 침투성의 증가가 쉽게 나타난다. 염증반응과정에서 내피세포는 많은 염증반응 유발에 주요한 역할을 한다. Cytokines과 다른 염증촉진 인자의 활성화로 미세혈관 변성을 가져와 증가된 혈
관 투과성을 초래하여 임상적 염증반응이 일어난다. 염증과 혈관노화 간 상관관계를 이해하기 위해 염증과정의 다단계과정 모델로 설명될 수 있다. ROS 및 RNS의 나이에 따른 증가는 산화 환원반응의 균형을 파괴할 수 있고 NF-κB 활성화를 가져온다.

염증과 혈관변화에서 NF-κB 활성화의 의미는 두가지이다. 첫째. NF-κB는 IL-1β IL-6, IL-8과 TNFα을 함유하는 일부 주요 염증성 단백질의 유전자 발현 조절에서 중심 위치를 차지하며, 둘째. NF-κB는 COX–2와 iNOS의 활성화를 조절하며 염증 발생과 정상적 혈관기능의 유지에서 주요 역할을 한다. 혈관노화의 대 표적인 예인 동맥경화증은 NF-κB 활성의 지속적인 활성화에 의해서 초래되는 만성 염증과 혈관평활근세포 증식과정에 의해 일어난다. 최근 연구결과에 따르면 동맥경화 병소에서 평활근 세포, macrophages 및 내피세포의 NF-κB활성이 증가되어 있다고 보고하였다.

병소 형성을 촉진하기 위한 잠정적 병인인자인 산화된 LDL은 내피세포에서 NF-κB의 활성을 자극할 것으로 증명되었다. Very low  density lipoprotein (VLDL)의 높은 수치나 혹은 NF-κB의 활성화에 의해 동맥경화 병소의 생성을 촉진한다. 또한 advanced glycated endproducts (AGEs)라 불리워지는 산화된 단백질에 의해서도 NF-κB 활성화가 초래되었다. 최근에는 동맥경화증의 지표로 혈관벽에서 만성염증을 유도하고 NF-κB 활성을 통해 혈관 세포에서 염증반응을 알아내기 위해 Ang II를 이용한 연구가 잘 알려져 있다.

본 저자들도 노화과정에서 Ang II에 의해 NF-κB의 p65가 인산화되어 NF-κB를 활성화시키는 분자기전을 연구한 바 있다. NF-κB의 활성화나 세포 증식 자극은 monocyte나 macrophage, 내피세포, 평활근세포, T 세포의 배양계에서 증명되었고, 이들이 동맥경화 병소에서 주요한 역할을 한다고 한다. 동맥경화 병소에서 유도되는 여러 염증성 단백질인 TNFα, IL-1, onoctyte chemotactic protein-I(MCP-1), 조직 인자, VCAM, ICAM-l 등은 모두 NF-κB에 의해 유전자발현이 조절된다.

7. 백세노인의 연구로부터 염증 반응의 중요성

백세노인의 특징은 알부민，IGF-1의 수치가 낮고 저영양 일 가 능 성 이 있 다 . 또 한 총 cholesterol, HDLcholesterol(HDL-C)의 수치와 적혈구，헤모글로빈도 낮은 수 치 를 보 이 며 C-reactive protein (CRP)와 homocysteine의 수치는 높다. 게다가 내피기능의 지표라고 생각되는 von Willbrand factor량에 대해서도 기준치보다 높은 수치를 보이고 내피장해의 가능성이 시사되었다(8). 백세 이상의 노인들에 있어서 CRP가 높은 수치를 나타내고，또한 homocysteine과 von Willbrand factor가 혈중에 증가되어 있어 염증반응 특히 혈관염증반응이 항진되어 있다는 것을 시사해 준다. 백세노인에서 염증반응의 항진되어 있다는 사실은 앞에서 언급한 노화의 분자염증가설을 강력히 지지해 주고 있다.

8. 혈관 노화염증과 접착분자

접착분자는 세포의 표면에 존재하는 glycoprotein분자로서 세포와 세포간의, 세포와 세포외기질 (ECM)의 유착을 촉진시키고 세포를 활성화시키며 세포들의 이동이 일어나게 하는 역할을 하는 것으로 알려지고 있는데 최근 세포의 이동과 침윤의 초기단계에서의 그 역할의 중요성과
특이성이 밝혀지게 됨에 따라 염증과의 관련성이 대두되고 있다. 접착분자에 의한 염증 반응의 특징은 질환에 따라 특정한 조직에 발생하는 염증 부위에 다양한 종류의 염증 세포들이 모여드는 현상인데 이렇게 세포들이 혈관을 빠져나가 조직으로 모여들기 위해서는 이들 세포들과 혈관 내피세포의 표면에 존재하는 접착분자들 상호간에 이루어지는 여러 단계의 작용과정이 필요하다.

혈관염증과 관련된 내피세포 손상 초기에는 단핵구와 임파구가 내피세포 표면에 접착되고 내피세포 밑으로 이동하는 leukocyte-endothelial cell adhesion cascade 과정이 일어나고 백혈구의 내피세포 표면접착에는 ICAM, VCAM 등과 같은 세포 접착분자가 관여한다. 다른 접착분
자인 E-selectin과 P-selectin은 혈소판의 α과립과 내피세포의 Weibel-palade체에 있으며 내피세포의 손상초기에 혈관내피세포 표면으로 이동하여 백혈구의 탄수화물 구조인 Sialyl Lewis와 같은 연결물질과 결합하여 백혈구를 혈소판 및 내피세포 표면에 강하게 접착시켜 염증반응을 진행시킨다.

Rader는 동맥경화의 진행에 염증반응이 관여한다는 것을 알 수 있는 염증지표로

첫째, 혈관벽 자체에서 나오는 ICAM, VCAM, E-selectin 및 P-selectin이있고

둘째는 macrophage와 관련된 세포에서 나오는 secretory phospholipase A2와 지단백과 연관된 phospholipaseA2가 있으며

셋째는 전신성 cytokine에 의해 간에서 생성되는 CRP, 섬유소원 및 SAA가 있다고 하였다.

전신성cytokine은 IL-6, IL-1β, TNF-α가 있으며 이들 중 IL-6의 역할이 가장 크며, 전신성 cytokine들의 생성 장소는 주로 심장, 혈관벽, macrophage, 지방조직이다. 노화는 전신 염증반응의 증가 및 심혈관계 질환의 증가와 관련이 있다. 그러나 노화와 관련한 전염증상태가 염증 반응에 대한 메커니즘의 근본적인 손상에 의한 것인지에 대해서는 아직 확실하게 밝혀지지 않았다 일반적으로 노화과정에서 혈관벽으로부터 염증성 사이토카인인 TNF-α 등의 발현을 증가시키며 VCAM-1, ICAM-1, MCP-1등의 접착분자발현이 증가하며 내피세포 및 혈관 세포의 발현 증
가를 통해 동맥경화증의 발생 및 진행에 관여한다고 알려져 있다.

또한 이러한 IL-1β, IL-6, TNF-α, IL-12 등은 퇴행성신경질환에서 발현이 증가하는 신경계에도 뇌혈관에 VCAM-1, ICAM-1 등의 접착 분자 발현을 증가시켜 영향을 미친다고 알려져 있다 접착분자들은 단순히 세포와 세포간의 유착에만 관계하는 것은 아니고 세포의 여러가지 기능에 광범위하게 작용한다는 사실이 계속 밝혀지고 있다. 최근의 연구에 의하면 접착분자에 의한 특정 세포와 세포 사이의 결합이 이루어지는 과정에서 세포 내로의 정보 전달이 함께 이루어진다는 것이다.

즉 세포막에 존재하는 접착분자들이 molecular pathway와 연결되어 핵과 세포질 소기관 들에게로 정보를 전달하여 세포가 주어진 특정한 역할을 하게 한다는 것이다. 지금까지 알려진 이들의 역할을 정리해 보면,

1) 세포와 세포를 단단히 유착시켜 원형을 유지할 수 있게 하며
2) 백혈구와 혈관 내피세포, 백혈구와 혈관외 조직간의 유착을 촉진시키고

3) 백혈구가 혈관을 빠져 나가 주위 조직으로 이동하게 하며

4) T 림프구의 항원 인지도를 높이고
5) 말초 혈액의 림프구와 단핵구들을 활성화시키며

6) 활성화된 림프구의 작용을 더욱 촉진시키며

7) 세포의 증식을 촉진시키고 세포의 성장을 조절하는 역할을 한다.

이와 같은 여러 기능을 가짐으로써 접착분자들은 신체의 염증반응과 면역반응에서 중요한 역할을 담당하게 된다. 최근에는 노화와 관련된 퇴행성 혈관질환 외에 종양세포의 특이성을 결정하고 종양의 형성과 전이에도 관계하는 것으로 알려져 이 분야에서도 많은 연구가 이루어지고 있다(9).

9. 노인성 혈관 질환

“혈관의 노화가 인체의 노화다”라는 미국 속담이 있듯이 혈관의 건강은 신체 기능유지 및 노화 방지에 절대적으로 필요하다. 혈관은 우리 신체에 60조가 넘는 세포들의 생명유지를 위해 막대한 네트워크로 영양과 산소를 공급하는 생명선이다. 고령 인구가 증가하면서 뇌졸중 등 뇌혈관질환, 치매, 파킨슨병 같은 노인성 질환자들이 크게 늘고 있다. 대표적인 혈관질환은 고혈압, 동맥경화로 75세이상 인구에서 가장 높은 사망원인 질환이다. 혈관질환은 50세 이후에 갑자기 증가하여 한국인 평균수명에 해당하는 75-79세에 최대가 된 후, 85세까지 비교적 높은 수준으로 유지되고 있다.

그래서 인구 고령화에 따라 혈관질환의 발생이 더욱 증가할 것으로 예상된다(10). 최근 연구에 따르면 염증 반응이 노화과정과 노인성 혈관질환에 밀접하게 관련됨이 명확히 밝혀지고 있다. 노화과정과 노인성 질환에는 NF-κB의 활성화를 초래하는 ROS와 RNS 반응이 밀접하게 관련되어 있다. 그래서 NF-κB는염증과정에서 중심적 위치를 차지하는 key regulator이다. 노화과정에서 여러가지 산화 스트레스에 의해서 혈관 내피 세포의 손상을 초래하여, 염증세포들의 염증성 cytokine유도 및 활성화를 가져와 염증반응을 지속적으로 증폭시킬 것이다(11).

따라서 본 총설에서는 대표적인 노인성 혈관 질환인 동맥경화, 고혈압 그리고 당뇨성 합병증인 고혈당증과 고지혈증의 발증기전에 염증 반응의 관련성에 대해 알아보도록 하겠다.

1) 고혈당증 (Hyperglycemia)

고혈당증은 점진적으로 세포 기능 이상을 초래한다. 혈당이 높을수록 당뇨병의 미세혈관염증이 잘 발생하며, 혈당수치와 밀접한 관련성이 있다 고혈당이 혈관염증을 유발하는 기전은 다양하다. 고혈당은 미토콘드리아 전자전달계에서 ·O2- 과다 생성을 유도하며 이는 eNOS 억제 및 iNOS 활성화를 통해, 강력한 산화제이자 세포독성물질인 ONOO-을 생성하고 이로 인해 PKC, NF-κB가 활성화된다. ONOO-는 또한 DNA를 손상시키고 PARP 단백을 활성화하며, PARP는 NAD+을 고갈시키고 해당과정 속도를 줄이며, 따라서 ATP 생성을 억제하며, GAPDH를 억제한다.

이로 인해 내피세포 기능저하가 유발된다. 고혈당에 의해 활성화된 NF-κB는 염증성 cytokine을 자극하고 접착분자를 과발현 시킨다. 접착분자는 내피세포와 백혈구와의 상호관계를 조절하는데, 고혈당은 접착분자를 증가시켜 내피세포와 백혈구의 상호작용을 활성화시키고 혈관내피세포에서 다양한 염증유발 및 산화 스트레스를 증가시켜 내피세포 기능을 감소시킨다. 혈관내피세포 기능장애는 심혈관질환 발생의 첫 단계이자, 가장 초기에 발견될 수 있는 표지자로서 알려져 있다.

또한 장기간 세포 내 혈당증가에 의해 세포내외의 단백질이 당과 결합하는 non-enzymetic glycation을 통해 생성되는 AGEs는 콜라겐, 세포의 기질 단백질 등과 교차결합하여 동맥경화증을 악화시키고 사구체기능을 악화시키며 NO 생성을 억제하여 내피세포 기능장애를 유발시켜 여러 조직에 침착하여 구조적 기능적 결함을 유발한다. AGEs는 노화에 따라 지속적으로 혈관벽에 축적되는데, 이들은 혈관내피세포에서 수용체인 RAGE와 결합하여 NADPH oxidase 및 PKC 활성화를 통해 ROS를 생성시켜 NF-κB가 활성화시킨다.

활성화된 NF-κB는 염증성 cytokine을 자극하고 접착분자를 과발현시켜 혈관염증을 가속화시킨다. 그리고 혈관내피세포 노화는 고혈당이나 고인슐린혈증에 의해 유도되며, 당뇨병으로 인한 혈관질환의 병인과 밀접한 관련이 있으며 insulin/IGF-1/PI3K/Akt/FOXO 신호전달계 역시 혈관내피세포의 노화와 관련 있음이 알려져 있다. 최근에 노화된 혈관내피세포에서 Akt의 발현이 증가되어 있으며, Akt의 발현 증가로 인해 FOXO3a의 활성이 감소하므로 세포내 산화스트레스가 증가하므로 세포노화가 촉진되며 혈관질환의 병인에 기여하는 것으로 밝혀졌다(10,12,13).

또한 고혈당증은 지속적으로는 고지혈증을 유발하는데 고지혈증도 산화스트레스 유발 및 내피세포기능장애에 기여한다는 연구가 있으므로 이에 대한 조절은 고혈당증에 의한 합병증 예방에 매우 중요하다고 사료된다.

2) 고지혈증 (Hyperlipidemia)

혈액속의 지방은 세포의 기능 유지와 에너지 대사에 여러가지 일을 하고 있으므로 당연히 존재해야 하지만, 이것이 너무 과해서 생기는 질환이 고지혈증이다. 혈중 콜레스테롤이 증가하면 동맥 내강으로 유입되어 혈류의 장해를 일으키게 된다. 콜레스테롤과 중성지방은 모두 물에 녹지않으며 혈액에 존재하기 위해서는 단백질로 둘러싸여 있게 되며 이것을 lipoprotein이라고 한다. 모든 지방은 실제로 지단백의 형태로 혈액 속을 이동하게 된다. 혈액을 정밀 하 게 분 석 하 면 VLDL, LDL, HDL (high-density lipotprotein) 등으로 나눌 수 있다.

LDL은 여러 조직 세포에 콜레스테롤을 공급하는 역할을 하고 있는데 혈중의 LDL이 너무 많으면 동맥벽의 혈관내피세포에서 지방성분의 산화가 일어나고 내막에 반복적이 물리적 또는 생물학적 손상에 의해 내막층이 갈라지거나 얇아져서, 혈액속의 monocyte와 lymphocyte 등의 세포들이 내막의 틈을 비집고 들어가서 내막 아래에 자리잡게 됨으로써 시작된다고 보고 있다. 또한 동맥벽에 침윤한 monocytes는 산화된 LDL에 자극 받은 혈관내피세포가 생산한 monocyte colony stimulating factor (M-CSF) 에 의해 macrophage로 분화하게 된다.

분화된 세포의 강력한 산화가능성에 따라 LDL은 산화 상태 (ox-LDL)가 되어 macrophage의 표면수용체인 LDL receptor에 결합하는 능력을 상실하며, 대신 scavenger receptor (SR)를 통하여 macrophage에 수용됨으로써 이들 세포 내의 cholesterol 농도를 조절하는 feedback 조절 기전에 이상을 초래하게 된다. 결과적으로 macrophage에 고농도로 축적된 콜레스테롤은 소위 foam cells(포말세포)이 되어 동맥경화의 초기 단계인 지방선조(fatty streak)를 형성한다. 동맥경화 초기 진행에 있어서 macrophage의 역할은 M-CSF가 mutation됨으로써 macrophage가 거의 없는 마우스(op-mouse)에서는 동맥경화가 거의 발생하지 않는다는 것이 확인되었다.

LDL 산화되는 경로도 아직 확실하지 않으나, 최근 세포 lipoxygenase (LOX)가 이에 관여할 것으로 추정되고 있으며, 실제 토끼와 사람 동맥의 동맥경화증 병변에서 LOX의 활성도가 증가되어 있음이 관찰되었다. 산화된 LDL은 NF-κB를 활성화시켜 PDGF, TNF-α 등에 의해 평활근세포가 내막으로 이동해와 합쳐지게 된다. 동맥경화증이 계속 진행되는 경우에는 그 다음 단계로 평활근세포의 증식을 특징으로 하는 섬유반 형성과정으로 이행함과 동시에 염증 반응을 가속화한다(14). 이와 같이 고지혈증에서도 산화스트레스와 염증반응이 매우 중요한 역할을 함을 알 수 있다.

3) 동맥경화 (Atherosclerosis)

동맥경화는 40대 이후부터 나타나는 대표적인 노화관련혈관 질환으로 혈관에 나타나는 노인성 혈관 질환 중에서는 가장 일반적인 질병으로 주목 받고 있다. 또한 동맥경화는 65세 이상의 노인들에게 있어서 가장 위험한 질병으로 대두되고 있다. 60세에서 70세 사이의 사망자 중의
50% 이상은 그 정도에 있어서 차이가 있을 수 있지만, 동맥경화 증세를 가지고 있는 것으로 나타났다. 일반적으로, 심장마비나 뇌일혈은 동맥경화에 의해서 가장 많이 초래되는 문제들이다. 동맥경화증의 가장 초기에 관찰되는 반응은 동맥내막내피세포의 손상으로 내피세포의 기능이상이 초래되어 내피세포에 혈중 단핵구와 혈소판의 부착이 증가하는 것이다.

이러한 과정에는 손상된 내피세포에서 발현되는 접착분자, 즉 ICAM, VCAM 및 E, P-selectin 등이 단핵구의 표면에 있는 L-selectin, integrin에 대한 수용체로 작용하게 되며, 이후 부착된 단핵구는 내피세포 사이를 통과하여 혈관내막 아래로 침윤하게 된다. 단핵구의 혈관내막 아래로의 침윤은 손상된 내피세포의 투과성 증가 외에도 특이 화학주성인자 (chemotactic factor)가 관여할 것으로 생각되고 있다. 이러한 화학주성의 역할을 하는 인자들에는 산화 변형된 LDL, osteopontin, MCP-1, 내피세포, 평활근세포 및 macrophage에서 분비되는 PDGF 등이 관련되는 것으로 알려져 있다.

다음 단계는 혈관 내막하로 이동한 단핵구가 macrophage로 분화하는 과정으로, 이 과정에 내피세포와 macrophage에서 분비되는 macrophage colony stimulating factor (MCGF)가 관 련 하 며 , 분 화 한 macrophage는 cytokine (TNFα, IL-1, TGF-β), 성장인자(PDGF, IGF-1) 및 단백분해효소 (metalloprotinase) 등을 분비하는 능력을 지니며 병변의 진행에 중요한 역할을 한다. 이후의 단계는 내피세포에 부착된 혈소판의 응집에 의한 미세혈전 형성과, 내피하층에 위치하는 단핵구에서 분화된 macrophage의 지질의 섭취와 축적이다. 내피세포, macrophage, T-림프구, 평활근세포 및 혈소판에서 분비되는 여러 종류의 성장인자 (PDGF, TGF)와 cytokine들의 작용으로 인해 평활근세포가 증식하면서, proteoglycan, 콜라겐을 포함한 여러 종류의 결합조직기질을 분비하여 섬유반 (fibrous cap)을 형성하게 된다.

혈관내피세포와 macrophage는 MCP-1을 분비하여 혈중 단핵구를 지속적으로 혈관 내막으로 이동시키고 이동된 macrophage는 계속 지단백을 변형시켜 섭취함으로 인해 결과적으로 혈관
내막에 평활근세포, macrophage, 결합조직기질 및 지질 침착이 점차 증가하게 되어 섬유반병소(fibrous plaque)를 형성하게 된다. 이러한 동맥경화 과정중의 초기단계부터 혈관증식과정에 이르기까지 모두 일련의 염증반응이며 이러한 동맥경화반응은 노화과정 동안 혈관에서 서서히 진행된다.

4) 고혈압 (Hypertension)

고혈압은 잘 알려진 혈관 질환의 위험인자로 동맥경화증과 관련하여 renin-angiotensin system이 중요한 역할을 한다는 많은 보고들이 있었다. 최근 Ang II가 NADPH oxidase에 의한 ·O2- 생성을 통해 혈관 내 산화 스트레스를 증가시키고, 쥐의 동맥에서 MCP-1과 VCAM-1의 mRNA의 발현을 증가시킨다는 연구 결과들이 나오면서 Ang II 가 고혈압에 의한 동맥경화증의 발생을 설명할 수 있는 molecular link로 여겨지고 있다. 또한 혈관평활근세포의 세포노화는 Ang II 에 의한 염증반응에 의해 유도되며, 고혈압으로 인한 혈관질환의 병인과 관련 있다. 한편으로 혈관세포에서 Ang II에 의한 ROS 형성의 가장 특징적인 체계는 NADPH oxidase 경로의 활성화에 의한 ·O2-생 성 이 다 .

Ang II는 AT1 수 용 체 를 통 하 여 c-SRC, phospholipase D (PLD), PKC, phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K) 및 EGF의 전사를 활성화 하는 과정을 통해 p47 phox의 인산화를 유도하여 Rac과 함께 세포막으로 이동시켜 세포질의 기본 단위 복합체를 형성하여 NADPHoxidase의 활성화에 관여한다. 혈관평활근세포에 Ang II를 처리하면 미토콘드리아 막전위의 과분극이 유발되고 ROS생성이 증가하는데 이 ROS가 미토콘드리아 DNA를 손상시키거나 cytochrome C 방출을 통해 전자전달 및 호흡 체계에 손상을 초래하여 미토콘드리아의 기능이상을 초래하는 것으로 알려져 있다.

Ang II 는 일련의 과정을 거쳐 미토콘드리아 DNA 손상을 유발하여 세포노화를 유도하기도 한다. Ang Ⅱ의 신호전달계는 매우 복잡하여 phospholipase C (PLC)의 활성화에 의한 PKC경로,
MAPK cascade, c-fos나 c-jun과 같은 proto-oncogen은 물론 여러 종류의 tyrosine kinases 의 활성화 등이 포함된다 Ang II는 혈관 평활근 세포의 성장을 촉진시키며, 염증 반응을 매개하는 phospholipase A2, NADPH oxidase 생성에 관여하고 MAPK, JAK2 등의 신호 전달 체계를 자극하여 혈관 세포에서 염증을 유발한다.

Ang II는 혈관내피세포, 혈관평활근세포, 혈관상피세포 및 혈관주변세포 등의 혈관의 다양한 층에서 염증작용을 일으키며 또한 근육세포와 간세포에 이르기까지 전신적으로 영향을 미치는 주요한 물질로 Ang II를 억제하는 기술은 혈압과 염증의 조절뿐 아니라 노화관련 대사질환에 이르기까지 광범위하게 적용될 수 있다. 고혈압 역시 혈관노화를 유도하여 혈관질환의 병인에 기여하는 것으로 생각되며, 적절한 고혈압 조절을 통 하여 혈관노화를 지연시키면, 혈관노화로 인한 혈관질환을 예방할 수 있을 것으로 기대된다(15).

10. 결론

이상에서 논의한 바와 같이 노화과정에서 redox status에 의해 redox signaling이 변화되어 NF-κB가 활성화 되고 지속적으로 일어나는 미세한 분자염증반응은 노화과정에서 중요하며, 특히 혈관의 노화과정에서는 매우 중요한 기전으로 생각된다. 이러한 혈관의 분자염증에 의한 혈관
의 분자 레벨에서 다양한 변화를 가져와서 고혈당증, 고지혈증, 동맥경화, 고혈압 등으로 이어질 것으로 사료된다.

참고문헌
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11. 11. Chung HY, Cesari M, Anton S, Marzetti E, Giovannini S, Seo AY, Carter C, Yu BP, Leeuwenburgh C. Molecular inflammation: underpinnings of aging and age-related diseases. Ageing Res Rev. 2009 Jan;8(1):18-30
12. Kim KS, Kim MS, Seu YB, Chung HY, Kim JH, Kim JR. Regulation of replicative senescence by insulin-like growth factor-binding protein 3 in human umbilical vein endothelialcells. Aging cell. 2007;6;535-545
13. Kim KS, Seu YB, Baek SH, Kim MJ, Kim KJ, Kim JH. Kim JR. Induction ofcellular senescence by insulin-like growth factorbinding protein-5 through a p53-dependentmechanism. Molecular biology of the cell. 2007;18:4543-4552
14. Gouni-Berthold I, Sachinidis A. Possible non-classic intracellular and molecular mechanisms of LDL cholesterol action contributing to the development and progression of atherosclerosis. Curr Vasc Pharmacol. 2004;2(4):363-70
15. Cheng ZJ, Vapaatalo H, Mervaala E. Angiotensin II and vascular inflammation. Med Sci Monit. 2005;11(6):RA194-205 TiBMB Ageing

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[Weekly Science] 활성산소와 인간의 노화

[Weekly Science/4월 제4호]

고려대학교 생명공학원/생명과학부 김익영 교수

사람을 비롯한 모든 생명체들은 이 세상에 태어나서 각자의 삶을 살다가 결국 죽음을 맞이함으로써 그들의 생을 마감한다. 어떤 사람들은 살아있는 동안 건강하게 활동하지만 어떤 사람들은 여러 가지 질병으로 고통을 받기도 한다. 우리 인간들은 ‘생명체들이 과연 어떻게 태어나서 어떻게 늙어가고, 병들어 가는가? 그리고 어떠한 과정으로 죽게되는가?’라는 생노병사 (生老病死)의 비밀을 알고 싶어 할 뿐 만 아니라 ‘어떻게 하면 우리의 삶을 보다 건강하게 유지하며 수명을 연장할 수 있을까?’ 라는 물음에 답하기 위하여 많은 노력을 하고 있다.

중국의 진시황은 불로장생초를 얻기 위해 온갖 노력을 다하였으나 그 뜻을 이루지 못한 채 숨을 거둔 이야기는 우리 인간이 얼마나 자신의 생에 애착을 가지고 있는가를 보여주는 한 단면일 것이다. 이러한 노력은 경제적 생활 수준이 날로 높아져 가는 이 시대, 더해가고 있는 실정이다.

노화(老化)는 매우 광범위한 과정으로서 노화에 대한 정의를 단적으로 내리기는 쉽지 않다. 대사속도(代謝速度)가 높은 동물들일수록 수명이 더 짧아진다는 사실이 약 한 세기 이전부터 관찰됨으로써, 결국 어느 생물 종의 대사속도가 그들의 예상수명을 결정한다라는 가설이 세워지게 되었다. 그러나 이러한 가설이 생긴 초기에는 대사와 노화간의 역학적 연결고리에 대하여 알 수 없었다.

1950년대 중반 Denham Harman이라는 과학자가 노화에 대한 ‘자유 라디칼 이론’을 주장하였는데 그의 이론에 따르면 세포손상은 자신의 세포에서 생성한 자유 라디칼에 의해 일어난다는 것이다. 이러한 그의 주장은 훗날 superoxide anion이라고 하는 활성 산소종을 제거하는 효소인 superoxide dismutase (SOD)가 발견됨으로써 그 사실성이 입증되었다. 일반적으로 안정한 상태의 분자를 구성하는 전자들은 쌍을 이루고 있는데 여러 가지 이유에 의해 이들이 쌍을 이루지 못한 상태로 존재할 수도 있게 된다.

이러한 상태의 분자를 자유 라디칼이라 한다. 우리 세포내의 미토콘드리아라는 소기관에서 산소가 전자하나를 공급받게 되어 반응성이 매우 큰 superoxide anion이라는 라디칼로 만들어진다. 이러한 반응성이 높은 산소 종들은 이것 외에도 수산화라디칼, 과산화수소, nitric oxide등 여러 가지가 존재하며 이들을 ‘활성산소 종(reactive oxygen species)'이라고 부른다.

‘자유 라디칼 이론’과 ‘대사속도론’은 종종 서로 비슷한 개념으로 받아들여져서 대사속도가 빠른 생명체일수록 더 많은 활성산소 종을 생성하여 그 만큼 수명이 짧아질 것으로 생각되어 왔다. 그러나 일부 종, 특히 새나 영장류에서는 이러한 상관관계가 이루어지지 않고 있으며, 오히려 활성산소 종의 생성이 대사속도보다 생명체의 수명에 더 큰 영향을 미친다고 알려지고 있다. 따라서 생체의 노화현상을 이해하고 노화에 따른 각종 질병을 해결하기 위하여서는 활성 산소종이 어떻게 우리 몸에서 생겨나고 조절되어지는지를 밝혀야한다.

그림에서 보는 바처럼 활성 산소종들은 미토콘드리아와 같은 세포내 소기관의 정상적인 대사 및 세포질내 일부 효소들에 의하여 생성되어지는데 생명체들은 superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase와 같은 항산화 효소나 비타민 C, 플라보노이드, 카로테노이드, 글루타치온과 같은 항산화 물질들을 이용하여 우리 몸안에 늘 일정한 양만큼의 활성산소 종을 유지하고자 한다. 그러나 자외선, 약물, 환경오염물질과 같은 여러 가지 외부 요인 및 그 외의 여러 가지 이유에 의해서 몸 안에 활성산소 종의 양이 크게 늘어 날 경우 생명체는 산화적 스트레스를 받아 세포 사멸, 질병 발생 그리고 세포의 노화를 일으키게 된다.

즉, 활성산소 종의 생성과 세포의 항산화력 간의 균형이 산화적 스트레스를 결정하게 되고, 산화적 스트레스는 세포내 단백질, 지질 및 DNA에 손상을 입히게 되는 것이다. 이러한 세포 혹은 세포내 물질의 산화적 손상은 알쯔하이머, 파킨슨병과 같은 퇴행성 신경 질환, 백내장과 같은 시각 장애, 피부 반점 형성 등 노인 층에서 빈번히 발생되는 많은 노화와 관련된 질환들을 일으키게 된다. 사람을 비롯한 많은 생명체들을 대상으로 한 연구 결과에 따르면 나이가 듦에 따라 세포를 구성하는 분자들의 산화정도가 더 심해진다는 사실도 잘 알려져 있다.

뿐 만 아니라 산화적 스트레스는 암의 발생과 전이에도 관여한다는 것이 알려져 있으며, 당뇨병 환자들의 경우에도 자유 라디칼이 증가하는데 이는 대사 조절 기능의 감퇴 및 hyperglycemia와 관련이 있을 뿐만 아니라 각종 항산화 물질들의 감소와 연관된다. 위에서 언급한 바와 같이 산화적 스트레스가 생체의 노화에 있어 매우 중요하다는 사실과 산화적 스트레스를 방지하거나 억제할 수 있는 능력이 수명을 결정짓는 중요한 열쇠라는 사실을 바탕으로 볼 때 세포 내의 자유 라디칼의 생성을 감소시키거나 자유 라디칼에 의한 산화적 손상을 복구할 수 있는 시스템을 유도할 수 있다면 노화를 지연시키거나 노화에 따른 질병을 예방할 수 있을 것이다.

그러면 어떻게 우리는 노화를 방지하고 노화에 따른 각종 질병을 예방하고 치료할 수 있을까? 작열하는 태양 아래서 일하는 농부나 구릿빛 건강미를 위해 자신의 피부를 과도하게 햇빛에 노출하는 젊은이들처럼 세포를 오랫동안 자외선에 쪼인다면 세포는 과량의 산소 종을 생성하여 피부조직의 손상과 노화를 촉진시킬 수 있다는 사실과 저 칼로리의 사료로 키운 쥐가 정상 사료로 키워진 쥐에 비해 수명이 더 길다는 실험 결과는 우리의 일상의 생활 속에서도 그 해답을 찾을 수 있음을 말한다.

그리고 항산화제의 섭취를 통한 방법을 생각할 수 있을 것이다. 항산화제를 이용한 방법은 산화적 스트레스에 의한 여러 가지 손상에 대해 매우 효과적이라는 것은 잘 알려져 있으나 수명 연장에 대한 효과는 아직 잘 알려져 있지 못한 실정이다. 현재까지 알려진 항산화제들의 의약적 성질을 좀 더 파악한다면 보다 나은 효과를 기대할 수 있을 것이다. 또한 각종 자유 라디칼에 의한 산화적 스트레스에 대한 우리 몸의 방어시스템을 활성화시킬 수 있는 전략이 필요할 것이다. 우리의 몸은 스트레스 자체에 의해 활성화될 수 있는 방어시스템을 가지고 있으나 이를 보다 더 효율적으로 활성화시킬 수 있는 물질을 개발해야 할 것이다.

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-“암 억제 유전자의 기능을 억제해 암을 일으키는 원리 규명”-

□ 지금까지 노화된 단백질을 회복시키는 효소로만 알려진 핌트(PIMT)가 암을 억제하는 역할을 하는 유전자(p53)의 기능을 억제해 암을 유발하거나 촉진한다는 사실이 국내 연구진에 의해 밝혀져, 암을 치료하고 제어하는데 새로운 가능성을 열었다.

○ 성균관대 한정환 교수(51세)가 주도하고, 이재철 박사와 하신원 학생이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터(MRC)지원사업의 지원으로 수행되었고, 세계 최고 권위 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘Nature Communications’ 최신호(6월 27일자)에 게재되었다.

(논문명 : Protein L-Isoaspartyl Methyltransferase regulates p53 Activity)

□ 암은 국내에서 사망률 1위의 질환으로, 인류가 반드시 정복해야 하는 질병 중 하나이다.

○ p53 유전자는 세포의 이상증식을 억제하고 암세포 사멸을 촉진하는 유전자로, 항암(암 억제) 유전자라고 불린다. 현재까지 가장 강력한 암 억제 유전자로 알려진 p53을 타깃으로 암 치료제를 개발하고자 연구자들은 부단히 노력해왔지만, 임상실험에서 기대와는 달리 효과가 거의 없었고, 부작용이 나타나는 등 문제점이 대두되었다.

○ 이것은 p53을 조절하는 원리를 정확히 이해하지 못했기 때문으로, 최근 과학자들은 p53의 조절원리와 상호작용을 정확히 규명하기 위해 꾸준히 연구해왔다.

□ 한정환 교수 연구팀은 메칠화* 효소(핌트, PIMT)가 강력한 암 억제 기능을 지닌 p53을 감소시켜, 궁극적으로 암 발생을 촉진한다는 새로운 원리를 규명하였다.

* 메칠화(methylation) : 단백질의 전사(轉寫) 후 변형의 일종으로, 특정 단백질의 특정 아미노산 잔기에 메칠기(CH3-)가 결합하는 현상

○ 한 교수팀은 핌트의 발현이 증가한 여러 종류의 악성 암세포에서 p53이 감소되었음을 확인하였는데, 특히 핌트가 지나치게 발현된 암환자의 생존률이 그렇지 않은 환자에 비해 약 20% 낮다는 사실을 밝혀냈다.

□ 특히 핌트가 p53을 메칠화시키고, 이를 통해 p53의 기능을 억제하여 암을 일으키는 암 유발 효소임이 처음으로 밝혀졌다.

○ 한 교수팀은 핌트가 p53을 메칠화시키고, 이 메칠화는 p53의 유비퀴틴화*를 촉진함으로써, 결국 p53의 양을 감소시켜 암을 유발한다는 원리 규명에 성공하였다.

* 유비퀴틴화(ubiquitination) : 특정 단백질에 유비퀴틴(76개 아미노산으로 구성된 단백질로, 다른 단백질과 결합해 분해를 촉진함) 단백질이 결합하는 현상

○ 특히 연구팀은 핌트가 p53의 기능을 억제해 결국 암을 촉진한다는 이번 연구결과가 인간의 암세포에만 특이적으로 적용되는 원리라는 것도 확인하였다.

□ 한정환 교수는 “암 치료제 개발에서 p53을 조절하는 원리를 밝히는 것은 매우 중요하다. 이번 연구는 노화된 단백질을 회복시키는 효소로만 알려진 핌트가 p53 암 억제 유전자의 기능을 직접 억제하여 암을 유발하거나 촉진한다는 사실을 규명하여, 암 진단의 단서를 제공하고 암 치료제 개발에 새로운 가능성을 열었다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

○ 암은 국내에서 사망률 1위의 질환이며 세계적으로 그 치료를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 현재까지 알려진 가장 강력한 암 억제인자인 p53을 타깃으로 암 치료제를 개발하려는 노력이 있었으나 이를 대상으로 실시한 임상 실험에서는 기대와는 달리 미미한 효과와 부작용 같은 문제점들이 대두되었다. 최근에는 이러한 문제점들이 p53을 조절하는 기전에 대한 이해 부족에서 기인하는 것으로 여겨지고 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 p53의 조절 기전 및 상호작용에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있으며, 그에 대한 연구가 활발하게 진행 중 이다.

○ 본 연구에서는 p53의 단백질 양이 카르복실 메칠화 효소인 PIMT (Protein L-Isoaspartyl Methyltransferase)에 의하여 감소되는 현상을 확인하였다. 또한 PIMT에 의하여 p53의 기능 역시 현저하게 억제됨을 확인하였으며 PIMT가 과발현하고 있는 암환자의 생존률이 감소함을 관찰하였다.

○ 본 연구진은 일련의 실험을 통하여 PIMT에 의하여 p53이 카르복실 메칠화 됨을 확인하였으며 이러한 현상이 p53의 기능 조절에 연관됨을 밝혀내었다.

○ p53 단백질 양을 조절하는 인자인 HDM2는 p53과 결합하여 p53을 degradation 시키는 것으로 알려져 있다. 본 연구진은 PIMT가 p53의 카르복실 메칠화를 통하여 p53과 HDM2의 결함을 촉진시키고 결과적으로 p53을 감소시키는 것을 확인하였다.

○ 본 연구진은 이와 같은 결과를 통해 PIMT가 p53의 기능을 억제하여 암을 유발시키는 암 유발 단백질임을 최초로 규명하였다.

○ 현재, 암을 치료하기 위한 새로운 암 치료제 개발이 전 세계적으로 진행되고 있다. 특히 가장 강력한 암 억제 인자인 p53을 타깃으로 하는 암 치료제 개발을 위해서는 p53의 조절 기전에 대한 이해가 선행되어야할 과제로 남아 있다. 본 연구 결과는 PIMT에 의한 p53의 새로운 조절 기전을 제시하였으며 이는 p53을 대상으로 하는 암 치료제 개발 및 암 조절 기전연구의 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

용 어 설 명

1. Nature Communication 誌
세계 최고 권위 Nature 자매지 중 최초의 online 저널로, multidisciplinary 분야에서 권위 있는 과학전문지

2. 카르복실 메칠화 (carboxyl methylation)
메칠화란 단백질의 전사 후 변형(post-translational modification)의 일종으로 특정 단백질의 특정 아미노산 잔기에 메칠기(CH3-)가 결합하는 현상을 의미함.
카르복실 메칠화는 아미노산의 카르복실 잔기(CHOO-)에 일어나는 메칠화로 일반적으로 많이 알려져 있는 lysine, arginine 메칠화에 비하여 그 연구가 미미 하였다. 본 연구에서는 이러한 카르복실 메칠화의 세포내 의미를 찾고 그 조절 기전을 분석하였다.

사 진 설 명

위 그림은 PIMT의 발현에 따른 폐암 및 유방암 환자의 생존율을 보여 준다. PIMT의 발현이 많을 경우 생존율이 낮음을 알 수 있다.

위 그림은 PIMT를 억제시켰을 경우 암 억제 단백질인 p53이 증가하며(좌측), 암세포의 성장이 억제됨(우측)을 보여준다.

위 그림은 PIMT 효소에 의하여 암 억제 단백질인 p53의 특정 잔기에 메칠화가 일어남을 의미한다.

위 그림은 PIMT에 의하여 암 억제 단백질과 p53의 결합이 조절됨을 의미하며(좌측), 이를 통하여 p53의 안정성이 영향 받음을 나타낸다(우측).

위 그림은 p53의 특정 잔기의 카복실 메칠화가 p53 단백질의 안정성에 핵심적인 역할을 함을 보여준다.

PIMT에 의한 p53의 조절에 대하여 지도하는 한정환 교수

(사진 왼쪽에서 오른쪽 : 하신원 학생, 한정환 교수, 이재철 박사)

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IDH1(isocitrate dehydrogenase1)의 돌연변이가 암을 일으키는 메커니즘

IDH1(isocitrate dehydrogenase 1)이라는 유전자의 돌연변이가 뇌종양과 백혈병을 일으키는 미스터리가 그 베일을 벗고 있다. 일단(一團)의 연구자들은 Nature 2월 15일호에 실린 3편의 논문에서, "IDH1의 돌연변이가 특정 효소를 저해함으로써, 유전체의 온오프스위치를 재구성하고 세포의 분화를 중단시키는 등의 결과를 초래한다"고 발표했다. 현재 많은 제약회사들이 IDH1의 돌연변이를 표적으로 하는 약물을 개발하고자 노력하고 있는데, 이번 연구는 이러한 노력에 힘을 실어주는 계기가 될 것으로 보인다.

IDH1은 구연산회로(citric-acid cycle)로 알려진 에너지 생성경로에서 활약하는 효소로, IDH1의 돌연변이로 인해 2HG(2-hydroxyglutarate)라는 대사체가 축적되면 암이 발병하는 것으로 알려져 있다(첨부그림 1). 다양한 암유전체 프로젝트(cancer genome projects)에서 IDH1의 돌연변이가 발암의 주범으로 확인됨에 따라, IDH1은 항암제 개발분야에서 핫토픽으로 부상하고 있다(첨부그림 2).

예컨대, 암세포의 대사를 표적으로 하는 항암제 개발에 집중하고 있는 미국의 아지오스 파마슈티컬사(메사추세츠주 케임브리지 소재)는 일찌감치 투자자들로부터 미화 2억 6천만 달러를 조달하여 IDH1을 표적으로 하는 화합물을 개발하는 데 투자함으로써 이 분야의 선두주자로 자리매김해 왔다. 동사의 창업자인 크레이그 톰슨은 지난해 말 에이브럼슨 패밀리 암연구소(AFCRI: 필라델피아 소재)의 고소로 거액의 소송에 휘말리게 되었는데, 그 이유는 AFCRI에 재직 중이던 톰슨이 연구소 측에 알리지 않고 연구성과를 상업화하는 회사를 창업했기 때문이었다.

그러나 이상과 같은 과열된 분위기 속에서도, 「IDH1의 돌연변이와 암 간의 관련성」은 명확하게 규명되지 않았다. 일례로 과학자들은 「IDH1의 돌연변이가 암의 원인인가, 아니면 결과인가?」라는 문제를 놓고 거의 1세기에 걸쳐 논쟁을 벌여왔다. 또 저등급 신경교종(low-grade glioma)이라는 뇌종양의 경우 70% 이상의 환자가 IDH1의 돌연변이를 보유하고 있지만, IDH1의 돌연변이가 뇌종양을 일으키는 메커니즘은 아직 규명되지 않은 실정이다. 하지만 마침내 세 그룹의 연구자들은 Nature에 각각 기고한 3편의 논문을 통해, IDH1의 돌연변이가 암을 일으키는 메커니즘을 규명하는 데 성공했음을 알렸다.

1. 다나파버 암연구소의 윌리엄 케일린 박사(종양학)는 첫 번째 논문에서, "IDH1의 돌연변이에 의해 축적된 2HG가 HIF(hypoxia inducible factor)의 활성을 저해하여 세포증식을 초래한다"고 밝혔다(HIF는 종종 종양을 억제하는 작용을 한다).

2. 메모리얼슬론케터링 암센터의 티모티 챈 박사(방사선 종양학)은 두 번째 논문에서, "IDH1의 돌연변이가 메틸화효소(DNA에 메틸기가 첨가되는 것을 조절하는 효소)를 저해함으로써 후성학적 혼돈상태(epigenetic chaos)를 초래한다"고 밝혔다. "DNA의 메틸화는 유전자의 발현을 켜거나 끌 수 있다. IDH1의 돌연변이는 하나의 돌연변이에 불과하지만, 전 유전체의 온오프 스위치를 재구성할 정도로 막강한 영향력을 발휘한다"라고 챈 박사는 말했다.

3. 한편 크레이그 톰슨(현 메모리얼슬론케터링 암센터 소장)은 챈 박사와 공동으로 발표한 세 번째 논문에서, "IDH1의 돌연변이가 히스톤의 메틸화 상태를 변화시킴으로써 세포의 분화를 억제한다"라고 밝혔다(세포분화가 잘 이루어지지 않는 것은 암세포의 전형적인 특징이다).

"이번에 발표된 3편의 논문들의 내용은 매우 흥미롭다. 특히 두 번째와 세 번째 연구는 선행연구 결과들을 이론적으로 뒷받침하는 것이어서 그 의의가 크다. 선행연구에서는 IDH1의 돌연변이를 보유한 뇌종양 환자를 조사한 결과, DNA 메틸화 패턴이 변화된 것으로 밝혀진 적이 있다"라고 네덜란드 다니엘덴회드 암센터의 마틴 반덴벤트 박사(신경종양학)는 논평했다. "이번 연구들은 IDH1의 돌연변이와 암 간의 인과관계를 밝힘으로써, 「IDH1의 돌연변이로 인해 발생한 암」의 치료법을 개발하는 데 한 걸음 다가선 것으로 평가된다"라고 그는 덧붙였다.

원본논문:

1. Koivunen, P. et al. Nature advance online publication http://dx.doi.org/10.1038/nature10898 (2012).

2. Turcan, S. et al. Nature advance online publication http://dx.doi.org/10.1038/nature10866 (2012).

3. Lu, C. et al. Nature advance online publication http://dx.doi.org/10.1038/nature10860 (2012).