바이오인

핵심내용

알츠하이머, 파킨슨병 등 퇴행성 뇌질환 치료제 개발의 토대 마련

□ 국내 연구진이 신경염증을 억제하고 뇌손상 회복을 유도할 수 있는 새로운 화합물을 개발했다. 나아가 화합물의 표적이 되는 단백질도 밝혀내 차세대 뇌질환 치료제 개발의 토대가 될 것으로 기대된다.

o 서울대 박승범 교수와 경북대 의학전문대학원 석경호 교수 연구팀이 공동으로 진행한 이번 연구는 미래창조과학부 및 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구), 바이오의료기술개발사업(유전자동의보감), 선도연구센터지원사업의 지원을 받아 수행되었고 연구결과는 화학생물학분야 국제학술지 네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology) 온라인판 10월 12일자에 게재되었다.

(논문명 : A small molecule binding HMGB1 and HMGB2 inhibits microglia-mediated neuroinflammation)

□ 특정 질환이나 증상에 대해 효과를 보이는 화합물을 개발하더라도 정확히 어떤 단백질에 작용하는지 표적을 밝히지 못할 경우, 신약으로 개발하는데 많은 제약이 따르게 된다.

□ 연구팀은 뇌에 존재하는 소교세포*에 작용하는 신경염증 억제물질(ICM**)을 발견하고, 이 화합물이 염증유도 단백질(HMGB***)을 억제하는 것을 알아냈다.

o 향후 신경염증 및 퇴행성 뇌질환 기전연구와 혁신신약(First -in-class) 개발을 위한 단서가 될 것으로 기대된다.

* 소교세포 : 뇌조직에서 변성된 세포나 이물질 등을 없애는 역할을 하는 세포

** ICM(inflachromene) : 염증(Inflammation)을 억제하는 벤조파이란(Chromene) 구조 기반의 화합물이라 하여 Inflachromene이라 명명한 의약유사 물질

*** 염증유도 단백질(HMGB) : DNA에 결합하는 핵단백질로 알려져 있었으나, 최근 세포 밖으로 분비되어 염증효과를 유도하는 새로운 역할이 알려짐

□ 동 연구팀이 합성한 약 3,500 종의 의약유사화합물 가운데 활성화된 소교세포에 선택적으로 항염증 효과를 보이는 신경염증 억제물질(ICM)을 찾아내고, 이 물질이 작용하는 표적단백질을 밝혀냈다.

o 빛에 반응하는 물질을 신경염증 억제물질에 부착, 세포에 처리하고 빛을 조사하여 신경염증 억제물질이 결합하는 표적단백질이 형광으로 표지되도록 해 염증유도 단백질(HMGB)을 찾아낸 것이다.

□ 실제 뇌염증을 유도한 쥐에게 이 화합물을 투여하자 염증에 의한 뇌손상이 회복되었고, 마비증상 역시 완화되는 것으로 나타났다.

o 신경염증 억제물질(ICM) 투여에 따라 뇌척수액과 혈청에서 염증유도 단백질(HMGB)의 농도도 낮아진 것을 확인했다.

□ 박 교수는 “신경염증 억제물질의 효과 증진연구를 지속하면 알츠하이머, 파킨슨병 같은 퇴행성 뇌질환을 비롯, 다양한 염증성 뇌질환의 치료제 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

병원체 감염, 부상과 같은 다양한 염증성 신호에 의해 야기되는 신경염증은 중추신경계의 염증반응으로 뉴런을 포함한 주변 뇌세포의 손상 및 사멸을 유도한다. 따라서 신경염증은 알츠하이머, 파킨슨, 다발성 경화증 등의 퇴행성 뇌질환과 매우 밀접한 관련이 있으며 이를 위한 새로운 치료제 개발에 대한 요구가 갈수록 증가하고 있다.

최근 들어 대두된 표현형 기반 접근법은 혁신 신약(First-in-class) 개발을 위한 주된 연구방법으로 여겨지고 있음에도 불구하고, 새로 발굴한 물질의 표적 단백질을 밝히지 못할 경우 추가적인 작용 기작 및 임상 연구가 제한적이라는 단점 때문에 널리 적용되기 어려웠다.

이에 본 연구팀은 표현형 기반 스크리닝과 독자적으로 개발한 표적 단백질 규명 기술인 FITGE 기술을 이용하여 신경염증 억제 물질인 Inflachromene(ICM)을 개발하고 중추신경계 염증성 질환(CNS inflammatory disease)에 대한 치료 효능을 증명하였다.

2. 연구내용

약 3,500 종의 화합물에 대한 LPS* 유도 소교세포 활성화(LPS-induced microglial activation) 억제 스크리닝을 진행하여 ICM이라는 항염증 효과를 보이는 화합물을 발굴하였다. ICM은 NFκB와 MAPK 신호 전달 체계에 대한 억제 효과를 보였으며, 다양한 종류의 소교세포에 대해서 항염증 효과를 나타내었다. 뿐만 아니라 소교세포 활성화가 일으키는 신경염증에 의한 주변 뇌세포의 독성을 억제하고 뇌신경보호 작용을 나타냈다.

* Lipopolysaccharide. 지방다당질로 염증을 유발함

연구팀은 표적 단백질을 규명하기 위하여 FITGE 기술을 적용하고자 하였고, 이를 위해 ICM의 구조에 광반응 작용기와 형광 물질 표지를 위한 작용기를 도입한 탐침물질(ICM-BP)을 확보하였다. 이 기술을 통해 표적 단백질과 탐침간의 공유 결합을 유도하여 약한 결합력으로 인한 단백질 손실을 줄였으며, 본래 물질인 ICM과 경쟁을 통해 비특이적 단백질을 효과적으로 배제할 수 있었다. 이를 바탕으로 HMGB2 단백질이 ICM과 결합하는 단백질임을 밝혔고, HMGB 단백질이 ICM의 항염증 효과를 유도하는 표적 단백질임을 증명하였다. 또한 구조적 유사성을 바탕으로 ICM이 HMGB 단백질의 두 가지 다른 형태(isoform)인 HMGB1과 HMGB2에 모두 작용할 것이라 예상하였고, 추가 실험을 통해 이를 증명하였다. HMGB 단백질은 본래 핵단백질로 알려져 있었으나 전사 후 변형을 거쳐 핵에서 세포질로 이동하고 최종적으로 세포 밖으로 분비되어 염증성 사이토카인과 유사하게 염증 효과를 일으키는 것이 알려져 있었다. 따라서 ICM 화합물이 이 작용 기작에 미치는 영향을 확인한 결과, ICM이 HMGB의 전사 후 변형을 억제하여 항염증효과를 나타냄을 입증하였다.

마지막으로 in vivo 실험을 통하여 ICM의 치료학적 가능성을 제시하였다. ICM 투여는 LPS를 투여한 쥐의 소교세포 활성화를 효과적으로 억제하였다. 또한 신경염증 실험을 위해 가장 널리 사용되는 EAE 모델을 이용한 실험 결과, ICM이 투여된 쥐는 중증 후지마비 완화를 보였으며 척수에서의 소교세포 활성화 억제 및 염증성 병변 완화를 유도하였다. 연구팀은 이러한 효과가 소교세포의 염증 억제에 기인함을 증명하였고, EAE 유도 쥐의 뇌척수액과 혈청에서의 HMGB 레벨이 ICM 투여에 의해 현저히 낮아짐을 확인하였다.

3. 기대효과

연구팀은 ICM의 표적 단백질을 규명함으로 향후 ICM의 혁신 신약으로서의 추가 연구에 대한 발판을 마련하였다. 또한 ICM의 뇌손상 억제/신경보호 작용을 기반으로 하는 차세대 뇌질환 치료제 개발을 통하여 알츠하이머, 파킨슨병 등의 퇴행성 뇌질환의 해법을 제시할 수 있을 뿐만 아니라 ICM의 염증 억제 효과에 따른 간염, 췌장염, 관절염 등 다양한 염증성 질환에 대한 치료제 개발로 이어질 것으로 기대한다.

연 구 결 과 문 답

용 어 설 명

1. 네이처 케미컬 바이올로지 Nature Chemical Biology

○ 네이처 출판그룹(Nature Publishing Group)이 발행하는 화학생물학분야 최고의 국제학술지 (2013년 기준 영향력지수 13.217)

2. ICM(Inflachromene)

○ 벤조파이란(chromene) 구조를 기본골격으로 하는 의약유사 헤테로고리 화합물로 본 연구에 의해 새롭게 발굴되었으며, 염증(Inflammation)을 억제하는 Chromene 구조 골격 기반 화합물이라 하여 Inflachromene이라 명명하였다.

3. HMGB

○ Box A, Box B, C-termial tail의 세 부분으로 이루어진 구조를 지닌 단백질로 HMGB1~4의 네 종류의 형태가 존재한다. 그 중 HMGB1에 관한 연구가 가장 활발하게 진행되어 왔다. 본래 DNA에 결합하는 핵단백질로 알려져 있었으나, 최근 20년 동안 전사 후 변형(post-translational modification)을 거쳐 세포질을 거쳐 세포 밖으로 분비되어 염증효과를 유도하는 새로운 역할이 주목받고 있다.

4. 소교세포

○ 중추신경계의 신경 아교세포로 미세아교세포라고도 한다. 중추신경계의 조직을 지지하는 역할을 하여 뇌 조직 안에서 변성된 세포나 이물질 등을 없애주고 물질의 운반, 파괴, 제거를 담당하고 뇌와 척수 내부에서 신경 세포에 필요한 물질을 공급한다.

5. 표현형 기반 스크리닝

○ 세포나 유기체의 표현형을 특정한 방향으로 변화시키는 저분자 물질, 단백질, 또는 RNA 등을 찾아내는 과정. 새로운 구조의 약물을 찾는데 많이 사용되나 그 작용 기전을 찾아내는데 많은 노력과 비용이 발생한다.

6. FITGE(Fluorescence Difference In Two Dimensional Gel Electrophoresis) 기술

○ 세포 안으로 직접 들어가 표적단백질을 갈고리를 이용해 낚듯 하여 표적단백질을 규명하는 방식이다. 신약 후보물질에 광반응성 물질을 결합시킨 후 세포 내에서 빛을 쪼여 표적단백질과 직접 결합하도록 만들고, 결합한 생리활성 물질은 형광물질로 표지되도록 한다.

7. EAE 모델

○ 실험적 자가면역성 뇌척수염(Experimental Autoimmune Encephalitis)의 약자로 중추 신경계의 염증성 질환과 기관 특이적 자가면역성 질환의 원형으로 다발성 경화증의 동물모델이다. Myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG) 펩타이드 주입을 통해 EAE를 유도하고 특징적인 임상 증상에 따라 다음 단계로 분류한다. 0: 무증상, 1: 꼬리마비, 2: 경도 후지마비, 3: 중증 후지마비, 4: 사지마비, 5: 죽음.

그 림 설 명

그림. 소교세포 활성화에 따른 신경독성과 ICM 처리에 의한 뇌손상 억제기작

소교세포 활성화에 따른 신경염증과 신경독성 모식도(좌)

소교세포(청색)는 대개 비활성화 된 상태로 존재한다. 하지만 염증반응 시 활성화되어 다양한 신경독성 물질 및 염증성 사이토카인을 분비한다. 세포 밖으로 분비된 신경독성 물질과 염증성 사이토카인은 다시 주변의 비활성 소교세포의 활성화를 증폭시켜 결과적으로 신경염증과 신경독성을 유도한다. 이로 인해 뉴런을 포함한 주변의 뇌세포는 손상을 입고, 계속될 경우 세포 사멸에 이르게 되며 심각한 중추신경계의 손상을 야기하게 된다. HMGB 단백질(노란색)은 본래 세포핵에 존재하지만 전사 후 변형을 통해 세포질로 이동, 세포 밖으로 방출된다. 이렇게 방출된 HMGB 단백질은 염증성 사이토카인과 유사한 작용을 통해 신경염증을 유도한다.

ICM 처리에 의한 뇌손상 억제 기작 모식도(우)

ICM(화학구조로 표현)을 처리할 경우, HMGB 단백질의 전사 후 변형이 억제되어 세포핵-세포질 간 이동이 억제되고 세포 밖으로 방출되는 것을 막는다. 이는 결과적으로 소교세포의 활성화와 다양한 신경독성 물질의 분비를 억제하게 되고, 이로 인해 신경염증으로 인한 뇌손상을 막을 수 있다.