바이오인

핵심내용

- 알코올성 간 손상에 관여하는 단백질 및 억제물질 밝혀내 -

□ 국내 연구진이 지속적인 알코올 섭취로 인한 간 손상에 핵심적인 역할을 하는 단백질은 물론 이를 억제하는 물질을 밝혀내 알코올성 간 손상을 개선할 수 있는 단서가 될 전망이다.

 o 전남대학교 최흥식 교수와 한국생명공학연구원 이철호 박사가 주도하고 김돈규 박사(전남대)와 김용훈 박사(생명연)가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 소화기 및 간장학 분야의 학술지인 Gut紙 6월 6일자 온라인 판에 발표되었다.

    (논문명 : Estrogen-related receptor γ controls hepatic CB1 receptor-mediated CYP2E1 expression and oxidative liver injury by alcohol)

□ 지속적인 알코올 섭취는 지방간에서 나아가 일부에서는 알코올성 간염을 유발한다. 염증이 심화되면 간암으로 악화될 수 있는 간경변을 일으키게 되는데 간이식이 유일한 치료법으로, 치료제 개발을 위해 간경변 유발의 분자기전을 알아내는 것이 관건이었다.

 o 간에서 알코올이 분해되면서 함께 만들어지는 활성산소*가 간손상의 원인으로 알려져 있지만, 이 알코올 분해효소의 상위에서 어떤 단백질이 기능하는지 구체적인 기전은 알려져 있지 않았다. 

     * 활성산소 : 산소이온이나 원자를 포함한 반응성이 큰 산소로 세포 신호전달이나 항상성 유지 등에 중요하나 스트레스 상황에서 세포에 손상을 유발한다.

□ 연구팀은 생쥐에 지속적으로 알코올을 투여하면 핵 호르몬 수용체* (ERRγ)의 생성이 증가하는 것을 발견하고, 나아가 이 수용체가 알코올 분해효소(시토크롬 P450 2E1)**를 많이 만들어지도록 함으

로써 활성산소가 유발한다는 사실을 규명해 냈다.

    * 핵 호르몬 수용체 : 일반적인 세포막 수용체가 신호만 세포내로 전달하는 것에 반해 직접 호르몬과 결합하여 전사조절인자 등으로 기능하여 직접 유전자 발현을 조절한다. ERRγ는 결합하는 호르몬이 알려지지 않은 고아(orphan)수용체로 핵 호르몬 수용체의 일종이다. 

   ** 시토크롬 P450 2E1 (CYP2E1) : 간에서 알코올을 아세트알데히드로 분해하는 핵심 효소로 분해 과정에서 활성산소가 발생한다. 

 o 연구팀은 이 두 단백질을 억제하면 알코올에 의한 간 손상이 완화되어 이들이 알코올성 간 손상에 핵심역할을 하는 것을 확인했다. 

 o 구체적으로 핵 호르몬 수용체가 알코올 분해효소(시토크롬 P450 2E1)를 만들도록 지시하는 스위치 부분에 직접 결합하여 알코올 분해효소의 생성을 증가시킨다는 설명이다. 

□ 연구팀은 핵 호르몬 수용체를 타겟으로 하는 저분자물질도 찾아냈다. 

 o 알코올을 약 한 달간 투여한 생쥐모델에 이 수용체만을 억제하는 저분자 물질(GSK5182)을 함께 투여하자 간 손상이 억제된 것이다.

 o 최 교수는 “전사조절인자인 고아핵수용체 ERRγ가 알코올성 간 손상의 주요원인임을 분자수준에서 규명하고, 이를 근거로 ERRγ의 전사활성을 특이적으로 억제하는 새로운 물질이 알코올성 간 손상을 억제하는 치료제 개발에 있어 후보물질의 단서가 될 수 있다”고 밝혔다. 

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
최근 건강보험심사평가원 통계에 따르면 국내 알코올성 간질환으로 발생되는 치료비용이 매년 급증하고 있고, 국내 한 생명보험사의 통계에 따르면 사망원인 중 알코올성 간질환 사망자는 10년 전과 비교하여 7배로 급증한 것으로 나타났다.

지속적인 알코올 섭취로 인해 유발되는 알코올성 간질환은 국내를 비롯한 전 세계적인 사회적 문제로 대두되고 있다. 특히 알코올성 지방간 및 간염이 지속되면 간섬유화 및 간경변으로 이어져 더 이상 회복을 기대할 수 없는 단계에 이르게 되어 간 이식만이 유일한 치료 방법으로 알려져 있다.

지금까지 지속적인 혹은 과도한 알코올 섭취는 간에서 알코올을 분해하는 핵심효소인 알코올 디하이드로게네이즈 (alcohol dehydroganase, ADH)와 시토크롬 P450 2E1 (CYP2E1)에 의해서 알코올을 아세트알데히드 (acetaldehyde)로 분해하는 것으로 잘 알려져 있다. 특히, CYP2E1은 알코올을 아세트알데히드로 분해하는 과정에서 지속적으로 활성산소 (reactive oxygen species, ROS)를 유발하는 것으로 알려져 있고, 이는 간염을 유발하는 간 손상의 주요원인으로 잘 알려져 있다.

그러나 알코올이 활성산소를 유발하는 구체적인 작용기작에 대해서는 잘 알려져 있지 않고, 더 나아가 새로운 신약개발의 원천기술이 되는 저분자 물질을 이용하여 활성산소 발생을 제어함으로써 알코올성 간 손상을 억제할 수 있는지에 대한 새로운 접근 방법은 거의 알려져 있지 않다.

2. 연구내용

본 연구에서는 생쥐에 지속적인 또는 과도한 알코올 투여한 결과 간에서 엔도카나비노이드(endocannabinoid) 중 하나인 2-아라키도노일 글리세롤 (2-arachidonoylglycerol, 2-AG)을 증가시키고, 이는 간세포의 2-아라키도노일 글리세롤의 수용체인 엔도카나비노이드 수용체 (endocannabinoid receptor, CB1)를 활성화시켜 핵 호르몬 수용체 ERRγ의 발현을 증가시키는 것을 확인하였다.

또한 증가된 ERRγ는 CYP2E1의 전사조절부위에 직적 결합하여 CYP2E1의 발현을 증가시키고, 이는 활성산소의 증가로 이어져 결국 간 손상을 유발하는 새로운 분자기작을 다양한 분자생물학적 연구방법을 이용하여 규명하였다.

실제로 간세포에서 CB1, ERRγ 또는 CYP2E1의 발현 및 기능을 억제하면 알코올에 의한 간 손상이 크게 줄어드는 결과를 확인하였고, 이는 이들 유전자가 알코올성 간 손상에 핵심 역할을 한다는 것을 의미하며 더 나아가 이들 유전자의 기능 억제가 알코올성 간 손상을 억제하는 핵심 기전이 될 수 있음을 시사한다. 그 중에서도 ERRγ는 저분자 물질에 의해서 조절되는 핵 호르몬 수용체로 잘 알려져 있고, 저분자 물질인 GSK5182는 ERRγ의 전사활성을 특이적으로 억제하는 것으로 알려져 있다.

이를 근거로 하여, GSK5182를 알코올과 같이 약 한 달간 생쥐에 투여한 결과, 놀랍게도 알코올에 의

한 CYP2E1의 발현을 억제하고 활성산소의 발생을 막아 활성산소에 의한 간 손상을 크게 개선하는 효과를 확인하였다.

따라서 알코올성 간 손상 유발과 관련된 새로운 핵심원인이 핵 호르몬 수용체 ERRγ에 의한 간 세포내 CYP2E1 및 활성산소 증가임을 규명하였고 저분자 물질에 의해서 활성이 특이적으로 조절되는 핵 호르몬 수용체의 특성에 착안하여 ERRγ의 활성을 억제하는 저분자 물질인 GSK5182가 알코올성 간 손상을 개선하는 새로운 물질이 될 수 있다는 것을 확인하였다.

3. 기대효과

본 연구에서는 알코올성 간 손상에 핵 호르몬 수용체인 ERRγ에 의한 CYP2E1의 조절이 핵심 기전임을 새롭게 규명하였다. 이를 근거로 하여 더 나아가 ERRγ의 전사를 특이적으로 조절하는 저분자 물질인 GSK5182를 이용하여 알코올성 간 손상을 억제하는 효과를 확인하였다. 이러한 분자기작에 의한 새로운 접근 방법은 향후 알코올성 간질환 치료제 개발에 원천기술을 제공할 것으로 기대한다.

한편 본 연구와 관련하여 현재 국내에 알코올과 관련된 질환에 대한 관심, 투자 및 연구는 미미한 실정이다. 알코올성 질환에 관심을 가지고 미국의 국가기관인 National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism (NIAAA) 같은 알코올성질환 연구기관을 만들어 집중 투자할 필요성이 있다.

용 어 설 명

1. Gut지
 ○ 소화기 및 간장학 분야에서 최고의 권위를 인정받는 학술지로, 소화기와 간장학 (Gastroenterology & Hepatology)분야에서 4% (3위/74개) 이내 안에 든다. (피인용지수: 10.111)

2. 핵 호르몬 수용체 (Nuclear hormone receptor)
 ○ 세포의 발생, 성장, 분화 과정에 작용하는 호르몬은 세포내의 유전자 발현 조절을 통하여 세포의 기능을 조절하며 호르몬의 수용체 중 세포막 호르몬 수용체는 세포내의 신호전달 체계를 활성화시켜 표적 유전자 발현에 관여한다.

 ○ 반면 핵 호르몬 수용체는 호르몬(리간드)과 직접 결합하여 전사조절 인자로 활성화되고 표적 유전자의 전사조절부위에 결합하여 유전자 발현을 조절한다. 이들 중에는 그 리간드가 밝혀지지 않은 고아핵수용체 (orphan nuclear receptor)를 포함하고 있고, ERRγ는 지금까지 그 리간드가 밝혀지지 않

아 고아핵수용체 중의 하나로 분류된다.

3. CYP450 2E1 (CYP2E1)
 ○ 시토크롬 P450 (Cytochrome P450, P450, CYP) 은 헴 (heme)을 포함하고 있는 효소군으로 대부분의 약물이나 환경물질들 등의 다양한 외인성 물질 또는 스테로이드나 지질 등의 내인성 물질에 대해 산화적 대사 작용을 수행하는 생명체에 필수적인 촉매효소로 알려졌다.

 ○ 그 중에서도 CYP2E1은 지속적인 또는 과도한 알코올 섭취에 반응하여 간에서 알코올을 아세트알데히드로 분해하는데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있고 이 과정에서 활성산소를 유발하여 간 손상을 일으키는 것을 알려져 있다.

4. 활성산소 (Reactive oxygen species)
 ○ 활성 산소는 산소이온 (oxygen ion)과 퍼옥시드 (peroxide) 같은 산소원자를 포함한 화학적으로 반응성 큰 분자이다. 반응성 산소는 짝이 없는 전자 때문에 매우 반응성이 크다.

 ○ 활성산소는 산소의 정상적인 대사 작용에 의해서 자연스럽게 생기고 세포신호 및 항상성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나 자외선 같은 환경적인 스트레스로 인해 활성산소가 증가하고 이것은 세포구조의 손상을 주는 산화적 스트레스를 유발하기도 한다.

5. 카나비노이드 (cannabinoid)
 ○ 카나비노이드는 세포막의 카나비노이드 수용체 (cannabinoid receptor, CB)를 활성화시키는 화합물질로 크게 동물에서 만들어지는 엔도카나비노이드 (endocannabinoids)와 식물에서 발견되는 피토카나비노이드 (phytocannabinoids)로 구분된다. 가장 잘 알려진 카나비노이드는 대마초의 향정신성 성분인 ∆9-tetrahydrocannabinol (THC)가 알려져 있다.

 ○ 엔토카나비노이드는 체내에서 만들어져 카나비노이드는 수용체를 활성화시키는  물질로 카나비노이드 수용체 발견 이후 현재까지 2-아라키도노일 글리세롤 (2-arachidonoylglycerol, 2-AG)과 아난다마이드 (annadamide, AEA)가 알려져 있다.

6. GSK5182

 ○ GSK5182는 에스트로겐 수용체 (estrogen receptor, ER)의 활성을 억제하는 항유방암 물질로 잘 알려져 있는 4-hydorxytamaxifen (4-OHT)의 유사체 (analog)로써, 4-OHT가 에스트로겐 수용체 뿐만 아니라 ERRγ의 전사활성을 억제하는 반면, GSK5182는 4-OHT의 구조적 변형을 통해 ERRγ의 리간드 결합 부위에 특이적으로 결합하여 ERRγ의 전사활성을 억제하는 저분자 물질이다.

그 림 설 명
 

그림 1. 지속적인 알코올에 섭취에 의한 간 손상과 GSK5182에 의한 간 손상 개선 효과

알코올에 의한 CB1, ERRγ, CYP2E1의 유전자 발현 (a),  CYP2E1 효소 활성 (b) 및 활성산소 증가 (c)와 GSK5182에 의한 활성산소 억제효과. 지속적인 알코올에 섭취에 의한 간의 세포 괴사를 보여주는 간 염색 사진 (갈색: 세포가 괴사된 부분) (d).  간 손상 지표인 AST와 ALT를 보여주는 그래프 (e)

그림 1은 알코올을 4주 동안 먹인 쥐의 간에서 카나비노이드 수용체 (CB1), ERRγ 및 CYP2E1의 유전자 발현 (그림 1(a)) 및 효소 활성 (그림 1(b))이 현저히 증가됨을 확인하였고 그에 따라 간 손상의 원인이 되는 활성 산소의 양 (그림 1(c))도 현저히 증가함을 확인하였다.

더욱이 알코올을 지속적으로 먹인 쥐의 간에서 세포괴사가 현저하게 증가되는 것을 확인하였으며 (그림 1(d)) 보여주고 있으며 그로 인해 간 손상 지표인 혈액 내 ALT 및 AST가 크게 증가된 것을 확인하였다 (그림 1(e)).

결국 지속적인 알코올 섭취가 ERRγ를 통해 CYP2E1의 발현 및 효소 활성을 증가시켜 활성산소의 생산을 촉신시킴으로서 간 손상의 주요 원인임을 보여준다. 이러한 결과를 근거로 하여 ERRγ의 전사활성을 특이적으로 억제하는 GSK5182를 지속적으로 투여한 결과, 알코올에 의한 CYP2E1의 유전자 발현 및 효소 활성이 현저히 감소하였고 그에 따라 간의 활성 산소의 양도 현저히 감소함 확인하였다. 더욱이 놀랍게도 활성산소에 의한 간의 세포괴사도 및 간 손상 지표 (ALT, AST)도 정상 수준을 회복하였다.

그림 2. 본 연구진이 제안하는 알코올성 간 손상 기전 및 GSK5182의 간 손상 개선 모델

본 연구결과를 요약하면 지속적인 알코올 섭취는 간의 2-아라키도노일 글리세롤 (2-arachidonoylglycerol, 2-AG)의 양을 증가시켜 간세포의 카나비노이드 수용체 (CB1 receptor)를 활성화 시키고 이는 간세포의 ERRγ의 유전자 발현을 증가시킨다.

증가된 ERRγ의 유전자 발현은 알코올 분해에 핵심 효소로 알려진 CYP2E1의 발현 및 효소활성을 증가시켜 알코올을 아세트알데히드로 분해를 촉진시키지만 이 과정에서 발생되는 활성산소는 세포괴사를 촉진시켜 간 손상을 유발하게 된다.

그러나 ERRγ의 전사활성을 특이적으로 억제하는 저분자 물질인 GSK5182를 이용하여 알코올성 간 손상을 억제할 수 있는 새로운 치료제 개발의 원천기술을 제공 할 수 있다는 것을 제시하였다.