바이오인

 

□ 국내 연구진이 생체리듬을 조절하는 새로운 작동경로를 밝혀냈다. 일주기 리듬이 망가지면 수면장애를 비롯하여 시차에 따른 피로와 무기력증, 조울증, 우울증 등이 나타날 수 있어 이번 연구결과가 향후 새로운 수면장애 치료제 개발에 실마리가 될 것으로 기대된다.

o 서울대 생명과학부 백성희 교수와 남혜진 박사가 주도하고 고려대 손기훈, 선웅, 김현 교수, 서울대 김경진 교수, 경희대 조세형 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 셀(Cell) 자매지 몰레큘라 셀(Molecular Cell)誌 온라인판 2월 27일자(현지시간)로 게재되었다. 한편 3월 6일자(현지시간) 표지논문으로 선정되는 영예를 얻었다.

 

 

□ 연구팀은 생쥐의 뇌와 간에 존재하는 LSD1* 단백질의 인산화가 일주기 생체리듬에 따라 주기적으로 일어나는 것을 알아냈다. 전립선암이나 유방암 진행과 관련 있다고 알려진 LSD1이 생체리듬에도 관여함을 알게 된 것이다.

 

o 낮에 주로 인산화된 상태로 존재하는 LSD1은 생체리듬을 조절하는 전사인자와 결합하여 일주기 리듬 유전자들을 활성화시켜 리듬을 조절한다는 것이다.

* LSD1(Lysine-specific demethylase 1 ) : 히스톤 단백질 등에 결합된 메틸잔기를 떼어주는 탈메틸화 효소로 안드로겐 수용체나 에스트로겐 수용체 등과 결합해 전립선암과 유방암 진행을 촉진하는 것으로 알려져 있다.

 

o 이처럼 LSD1이 생체리듬을 조절하는 경로가 밝혀짐에 따라 향후 수면장애 치료제 개발 등을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

 

□ 실제 LSD1이 인산화되지 않는 돌연변이 생쥐의 경우 밤에 주로 활동하는 정상 생쥐와 달리, 야행성임에도 불구하고 낮에도 활동하며 전반적으로 움직임이 적은 것으로 나타났다.

 

o 생체리듬에서의 LSD1의 인산화가 중요함을 동물모델을 통해 확인한 것이다.

 

□ 또 시차 적응에도 LSD1의 인산화가 관련됨을 규명했다.

 

o 보통 생쥐는 이른 밤(초저녁)에 빛을 받으면 다음날 늦게 일어나 활동을 시작하고, 늦은 밤(새벽녘)에 빛을 받으면 다음날 일찍 일어나는 등 생체리듬이 재조정되는데 LSD1이 인산화 되지 않는 돌연변이 생쥐는 이런 재조정도 둔화된 것으로 나타났다.

 

□ 한편 연구팀은 LSD1의 인산화를 조절함으로써 수면 장애 치료제 스크리닝 방법에 대한 특허를 출원하는 한편 해외 출원도 준비 중이다.

 

 

 

LSD1은 최초로 밝혀진 탈메틸화 효소로서 주요 기질은 히스톤 H3K4와 H3K9이다. LSD1은 결합하는 단백질에 따라 전사활성인자 또는 전사억제인자로서 각각 기능을 수행할 수 있다. 특히 LSD1은 안드로겐 수용체 혹은 에스트로겐 수용체과 결합하여 각각 전립선암과 유방암 진행을 촉진하는 것으로 보고되었다.

 

이처럼 LSD1의 효소 활성 및 기질을 연구한 여러 논문들은 나왔지만 LSD1이 세포 신호에 의하여 인산화가 일어나고 그 생리학적인 중요성을 마우스 모델에서 규명한 연구는 아직까지 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 세포 신호에 의해 LSD1이 인산화 되고, 인산화된 LSD1이 생체 리듬을 조절하는 주요 단백질인 것을 마우스 모델을 제작하여 다각도로 규명하였다.

 

 

LSD1은 PKCα인산화효소에 의하여 인산화되며, 이렇게 인산화된 LSD1은 생체리듬 조절에 매우 중요하다는 것을 규명하였다. LSD1이 인산화되는 아미노산 잔기를 찾고 이를 변형시켜서 LSD1 인산화가 일어나지 않는 유전자 조작 마우스 (Lsd1SA/SA돌연변이 마우스)를 제작하였다.

 

흥미롭게도 LSD1의 인산화가 생체리듬 시간에 따라 변화하였다. 낮에 LSD1이 인산화되면 생체리듬을 조절하는 주요 전사인자인 CLOCK:BMAL1과의 결합이 늘어나면서 생체리듬을 조절하는 표적유전자들의 발현을 증가시킨다는 것을 제작한 마우스를 통해서 규명하였다. 마우스는 야행성 동물이므로 밤에 주로 활동을 하는데 비해, Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스는 생체리듬이 불안정해서 전반적 움직임이 적고 낮에도 활동을 하는 것을 확인하였다.

 

이러한 밤낮의 생체리듬 변화뿐만 아니라, Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스는 시차적응에 중요한 빛반응이 변화된 것을 확인하였다. 시차적응이 잘 일어나기 위해서는 생체시계의 재조정 (circadian phase ting)이 빠르게 일어나야 하는데, Lsd1SA/SA돌연변이 마우스에서는 위상의 지연 (phase dealy)과 위상의 속행 (phase advance) 모두 잘 일어나지 않아서 생체시계의 재조정이 잘 되지 않는 것을 확인하였다.

 

Lsd1SA/SA돌연변이 마우스에서 생체시계의 재조정이 달라지는 구체적인 기작도 규명하였다. 빛에 의하여 PKCα인산화 효소의 활성이 증가하게 되면 LSD1 인산화가 일어나고 이로 인하여 표적유전자의 발현이 유도되면서 생체시계의 재조정이 일어나는데, Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스는 LSD1의 인산화가 제대로 일어나지 못하면서 이러한 일련의 과정에 문제가 생긴다. 이 연구를 통하여 LSD1이 생체리듬을 조절하는 주요 인자이며, 동시에 LSD1의 인산화 여부가 중요하다는 것을 마우스 동물모델을 통하여 밝혔다.

 

일주기 생체리듬과 시차적응을 위한 생체시계의 재조정에 LSD1의 인산화가 중요하다는 것을 이용하여 수면장애 치료제의 개발에 도움이 될 것으로 기대된다. 본 연구내용을 바탕으로 특허 출원을 아래와 같이 완료하고, 해외 출원을 준비하고 있다. (출원발명의 이름 : 일주기 리듬 수면장애 및 시차 부적응에 대한 예방 또는 치료제 스크리닝 방법, 출원일 : 2013.12.20. )

 

이번 성과 뭐가 다른가		LSD1 단백질의 인산화가 생체리듬조절에 중요한 것을 처음으로 마우스 모델을 제작해서 개체수준에서 행동양식의 변화를 밝히고 그 기작을 확인함.
어디에 쓸 수 있나		신개념 수면장애 치료제 개발 가능성을 제시하면서 현재 국내 특허 출원을 완료하고 해외 출원을 준비 중임.
실용화까지 필요한 시간은		후속 연구가 순조롭게 진행된다면 기대해볼 수 있음.
실용화를 위한 과제는		수면장애 치료제 개발을 위해서는 손쉽게 사용할 수 있는 진단 키트를 개발해야 하고 인허가 과정을 거쳐야 함.
연구를 시작한 계기는		LSD1의 인산화가 어떤 기능을 수행할까 알기 위해 인산화를 막아준 돌연변이 마우스를 제작했는데 표현형으로 생체 리듬의 변화를 보여서 흥미있었음.
에피소드가 있다면		마우스를 이용한 실험이 흥미로우면서도 마우스에게 미안한 마음이 들어서 동물 위령제를 지낼 예정임
꼭 이루고 싶은 목표는		생체리듬 조절이 안되는 마우스를 이용해서 암을 비롯한 각종 질환과의 연관성을 연구해보고 싶은 목표가 있음.
신진연구자를 위한 한마디		작은 호기심을 대수롭지 않게 지나치지 말고, 자신이 수행하고 있는 연구와 접목시키는 노력을 하시기 바랍니다.

 

 

○ 셀(Cell) 자매지로 격주로 발행되는 분자생물학 분야 국제학술지

(2013년 기준 영향력 지수 : 15.280)

 

○ 지구상의 생명체는 주기적인 밤낮의 변화와 계절의 변화에 끊임없이 노출되어 왔다. 이러한 환경변화에 대처하기 위하여 생체시계를 내재적으로 갖게 되었다. 수면과 기상을 포함한 사람의 모든 행동과 생리작용도 24시간을 주기로 생체리듬을 갖는다. 이러한 24시간 주기의 생체리듬을 일주기 생체리듬이라고 부른다.

 

○ 시차 적응을 위해서는 생체 시계의 재조정이 필요하다. 이러한 생체시계의 재조정은 주로 빛에 의하여 일어나는 데, 눈에서 감지된 빛의 신호는 망막과 시상하부를 연결하는 망막 시상하부 경로를 타고 신경교차상핵 (SCN)으로 전달되며, 이에 따라 SCN 뉴런 내에서 일어나는 일련의 신호전달기작을 통해 생체시계 유전자의 발현이 유도되고 이것이 몸 전체의 생리·생화학적 리듬의 재조정으로 이어진다.

 

○ 야행성 동물인 마우스의 경우 이른 밤 (초저녁)에 빛을 받으면 다음날 늦게 일어나서 활동을 시작하는데 이 현상을 위상의 지연 (phase delay) 이라고 말한다. 반면 늦은 밤 (새벽녁)에 빛을 받으면 다음날 일찍 일어나서 활동을 시작하는데 이를 위상의 속행 (phase advance) 이라고 말한다. 이러한 동물의 행동 양식은 시차적응을 위하여 매우 중요한 것으로 알려져 있다.

○ 히스톤 단백질 등에 결합된 메틸잔기를 떼어주는 탈메틸화 효소로 안드로겐 수용체나 에스트로겐 수용체 등과 결합해 전립선암과 유방암 진행을 촉진하는 것으로 알려져 있다.

 

 

 

Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스의 경우 일주기 리듬과 생체시계 재조정에 모두 문제가 있는 것을 확인함. LSD1이 인산화가 되면 주요 전사인자인 CLOCK:BMAL1과 결합하여 표적유전자를 활성화하지만 인산화되지 못하면 전사인자와 결합하지 못해서 표적유전자 활성에 실패한다 (위쪽). 빛은 생체시계 재조정을 유도할 수 있는데 이 과정에서 LSD1의 인산화가 매우 중요한 역할을 한다(아래쪽). (출처 : Molecular Cell, 2014년 2월 27일 온라인 속보, graphical abstract)

 

 

Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스의 일주기 생체리듬에 문제가 있는 것을 머리에 고장 난 시계를 쓴 것과 밤인데도 선글라스를 껴서 빛을 제대로 인지하지 못하는 것으로 표현하였다. Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스의 경우, 포식자인 고양이가 자신을 노림에도 불구하고 이를 인지하지 못하고 신나게 놀고 있는 것을 볼 수 있다. 정상 (WT) 마우스의 경우에는 자신의 신변에 문제가 있음을 확인하고 빛이 나오는 인산화 탈출구 (phosphorylation gate)로 급하게 도망가는 것을 그림으로 표현하였다. 참신한 아이디어와 파격적인 이미지가 높은 점수를 받아서 커버로 선정되는 영예를 안게 되었다. (출처 : Molecular Cell 3월 6일자 커버)