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핵심내용

난치성 질환과 리소좀 단백질 기능의 연관성 최초 규명

□ 국내 연구진이 리소좀*에 존재하는 단백질 TRPML1**의 기능을 최초로 규명하며 난치성 유전 질환의 치료제 개발 가능성을 제시했다. 
     * 리소좀(Lysosome): 세포 내 소기관으로 분해 효소가 많아 세균이나 세포내 단백질 등을 소화하는 역할을 함
     ** TRPML1: 리소좀에 존재하는 단백질로 제4형 점액지질증이라는 질환의 원인으로 지목돼 현재 그 기능에 대해 전 세계적으로 많은 연구가 진행 중 

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 중견연구자지원사업(도약연구), 선도연구센터지원사업(SRC) 등의 지원을 받은 신동민 교수팀(연세대학교)이 TRPML1 단백질 연구를 통해 난치성 질환의 하나인 제4형 점액지질증***의 발생 원인을 세계 최초로 규명했다고 밝혔다. 

      *** 제4형 점액지질증: 리소좀 축적성 질환 중 하나로 유전병이며 정신지체, 운동능력저하 등 신경계적 질환으로 주로 나타남. 이 질환만을 위한 재단(http://ml4.org)이 형성되어 있을  정도로 많은 연구가 현재 진행 중 

□ 제4형 점액지질증은 현재 치료법이 개발되지 않은 대표적인 난치성 질환 중 하나이다. TRPML1의 기능장애가 원인으로 알려져 있으나, TRPML1의 기능과 증상과의 인과관계는 명확하게 밝혀지지 않고 있다. 또한 제4형 점액지질증의 증상이 조절 세포외유출과 연관됐을   가능성이 있음에도 그 연구 또한 이루어지지 않은 상태다.

□ 신동민 교수팀은 제4형 점액지질증의 임상적 증상이 조절 세포외 유출과 연관됐을 가능성이 있다고 판단, 실험용 생쥐 모델에서 조절 세포외유출 기능을 탐구했다.

○ 그 결과 리소좀과 분비성 소포체**** 사이의 융합 현상으로 인해 조절 세포외유출*****이 증가한다는 사실을 밝혀냈다.

   **** 분비성 소포체: 소화효소나 호르몬 등 세포 밖으로 분비해야 할 물질들을 함유하고 있는 세포 내 소기관. 세포 외부에서 신호가 오면 분비성 소포체 내부의 물질을 세포 밖으로 분비하게 됨
   ***** 조절 세포외유출 : 신경세포 등에 의한 외부 신호전달에 의하여, 긴밀히 조절되어 지는 세포외유출 작용. 침, 땀, 소화효소 등의 분비에 관여함.

○ 또한 이 같은 현상이 췌장세포, 침샘세포, 뇌신경 세포 등 다양한 조직에서도 일어난다는 사실을 발견했다.

□ 분자생물학분야 국제학술지 ‘엠보리포트(EMBO Reports)’에 2월 1일 게재된 이 연구논문은 리소좀 내 단백질 기능을 최초로 발견한 것으로 질환 발생의 이해에 대한 새로운 가능성을 제시한데서 나아가 향후 다른 질환 치료 가능성의 단초를 마련했다고 평가되었다.
 
□ 신동민 교수는 이번 연구는“제4형 점액지질증의 분자병리 기전에 대한 새로운 관점을 제시하며 리소좀과 다른 소포체 사이의 융합에서 TRPML1이 중요한 역할을 한다는 사실을 밝힌 것”으로 그 동안 치료법이 미비했던 난치성 유전 질환 치료 가능성을 제시하여 앞으로 신약 물질 및 세포 기능 연구에 큰 도움을 줄 것이라고 연구의 의의를 설명했다.

상세내용

 
참고1. 논문의 주요내용

o 논문명 : Fusion of lysosomes with secretory organelles leads to uncontrolled exocytosis in the lysosomal storage disease mucolipidosis type IV
o 저자 정보 :  신동민 교수 (교신저자, 연세대), 박순홍 (제1공저자, 연세대), 김민석 (제1공저자, 원광대)

 1. 연구의 필요성
   ○ 제4형 점액지질증*은 유전질환인 동시에 리소좀축적성 질환으로, 현재까지 그 치료법이 개발되지 않은 난치성 질환으로, 연구를 위한 재단 운용되고 있을 정도로 관심의 대상이 되고 있는 질환이다. 점액지질증 제4형은 유전적 문제로 나타난 TRPML1이라는 이온통로의 기능장애에 의한다고 알려져 있으나, TRPML1의 고유기능과 임상적 증상들 사이의 연결고리에 대한 연구는 아직 완벽하지 않다.
       * 제4형 점액지질증 : 리소좀 축적성 질환의 하나인 유전병. 임상적으로 정신지체, 운동능력저하 등의 신경계적 질환이 주로 나타남. 이 질환만을 위한 재단 (http://ml4.org)이 형성되어 있을 만큼 많은 연구가 진행되고 있음.   
   ○ 제4형 점액지질증의 임상적 증상은 조절세포외유출과 연관되어 있을 가능성이 있으나, 관심을 받지 못하여 현재까지 점액지질증 제4형에서 조절세포외유출의 변화에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 이에 본 연구를 진행하게 되었다.

 2. 발견 원리
   ○ 연구팀은 TRPML1 유전자 결손 생쥐의 세포외유출 작용을 조사하는 과정에서, 리소좀과 분비성 소포체 사이의 융합현상을 관찰하였다.
     * 리소좀 (lysosome) : 세포내 소기관의 하나로, 가수분해성 효소가 내부에 포함되어 있어, 단백질, 핵산, 지질 등의 세포내 쓰레기를 분해하는 역할을 수행.
     ** 분비성 소포체 : 소화효소나 호르몬 등 세포 밖으로 분비해야 할 물질들을 함유하고 있는 세포내 소기관. 세포 외부에서 신호가 오면, 분비성 소포체 내부의 물질을 세포 밖으로 분비하게 됨.
   ○ 리소좀과 분비성 소포체 사이의 융합현상에 의하여 증가된 세포외 유출이 나타남을 췌장세포, 침샘세포, 뇌신경 세포 등 다양한 조직에서 밝혀냈다. 

 3. 연구 성과
   ○ 본 연구에서는 새로운 TRPML1 기능을 세계 최초로 보고하였으며, 질환 발생의 이해에 새로운 가능성을 제시하였다.
   ○ 연구에서 밝혀진 리소좀과 분비성 소포체 사이의 융합을 통하여 세포 소기관 사이의 융합 조절 메커니즘에 대한 이해가 증진되었다.
   ○  연구팀은 TRPML1의 기능조절을 통하여, 다른 질환의 치료가능성을 물색하여 신약물질 및 조절자를 발굴하려는 후속연구를 계획하고 있다. 

참고2. 연구결과 주요내용

 1. 연구배경
  ㅇ 제4형 점액지질증은 유전질환의 하나로, 1970년대 임상적으로 최초 보고됐다. 2000년대 TRPML1 유전자의 기능상실 변이가 이 질환을 일으킨다고 알려지게 됐다. 그 이후 TRPML1의 기능 연구에 중점을 두고, 제4형 점액지질증에 대한 많은 연구가 진행돼 왔다.
  ㅇ TRPML1 유전자로 인해 나타나는 TRPML 단백질은 리소좀과 후기엔도좀으로 인해 발현되며, 비선택적 양이온 통로로써 작용한다. 현재까지 알려진 역할은 리소좀 내부의 pH를 조절하고, 리소좀의 조절 세포외유출에 관여해 리소좀 내부 칼슘이온을 조절한다는 것이다.
  ㅇ 하지만 TRPML1에 대한 최근 연구결과를 보면, TRPML1은 세포 내에서 일어나는 세포막 순환 과정에 중요한 역할을 수행하며, 세포 내 이입과 세포외유출 등 과정에 관여하는 것으로 나타나고 있다. 이에 본 연구에서는 TRPML1이 조절 세포외유출에 관여한다고 판단, TRPML1 유전자 결손 생쥐를 이용해 연구를 진행했다.

 2. 연구내용
  ㅇ 본 연구는 TRPML1 유전자 결손 생쥐를 통해 분비성 소포체의 크기가 증가했음을 확인했다. 또한 분비성 소포체와 리소좀 사이의 연관성을 확인했다. 이외에도 공-면역 침강법, 리소좀 내 효소활성분석법, 췌장염 발생 정도의 관찰을 통해 분비성 소포체와 리소좀 사이의 융합이 존재한다는 사실을 제시했다.
   * 공-면역 침강법 : 특정 단백질에 특이 항체를 이용하여, 다른 두 가지 단백질 사이의 상호작용을 관찰하는 기법. 
  ㅇ 췌장과 침샘 외 신경세포의 시냅스 연접을 관찰한 결과, 신경 세포에서도 신경전달물질을 함유한 소포체의 크기가 커졌으며, 실제 신경전달물질인 글루탐산의 분비정도가 증가돼 있음을 관찰했다. 이외에도 전기생리적 실험과 공-면역 침강법 등을 통해서도 동일한 결과를 얻었다.
   * 신경세포의 시냅스 연접: 신경세포와 신경 세포 사이에 존재하는 미세한 틈새. 이전까지 전기적 신호로 전달되던 신호는 여기서 화학적 신호로 변환되게 됨. 시냅스 전 세포로부터 분비된 신경전달물질(화학적신호)이 시냅스 후 세포로 전달되어 신호전달이 이어짐.
   * 글루탐산: 대표적 아미노산 중 하나로, 시냅스 연접에서 나타나는 주요한 신경전달물질 중 하나. 

3. 기대효과
  ㅇ 본 연구팀은 TRPML1유전자에 의한 조절세포 외 유출 변화를 최초로 밝혀냈으며, 리소좀과 분비성 소포체 사이의 융합과정 또한 조사했다.
  ㅇ 신경세포 시냅스에 대한 연구결과는 제4형 점액지질증 환자에게 나타나는 신경계 증상의 원인에 대한 설명으로 볼 수 있다.
  ㅇ TRPML1에 작용하는 화합물들을 이용해 TRPML1의 기능을 조절함으로써 리소좀과 연관된 다양한 세포 내 소기관 장애 질환에 대한 적용이 가능하다.

참고3. 연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존에 TRPML1에 대한 연구들은 주로 지속적 세포외유출에 의한 현상에 치우쳐져 있었다. 하지만, TRPML1 관련 질환인 제4형 점액지질증의 임상적 증상으로 미루어 유추해 볼 때, 조절 세포외유출에 의한 효과도 분명 존재할 것으로 예상되어 졌다. 이에 틈새를 비집고 들어가 조절 세포외유출의 변화에 대한 연구를 수행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 과제의 책임자인 연세대학교 신동민 교수는 세포내 칼슘 신호 전달 과정에 대한 국내 전문가 중 한명으로, 다양한 조직에서 칼슘 신호의 기능 연구를 20여 년간 연구를 수행해 오고 있다. 국제공동연구사업의 일환으로 미국국립보건원의 뮤알렘 박사와의 교류를 통하여, 본 연구에 몰입하여 성과를 이룰 수 있었다. 신동민 교수와 논문의 제1저자인 박순홍 대학원생이 미국 현지를 오고가며, 활발히 아이디어와 기술, 노하우를 공유하여 왔으며, 국내에서의 연구수행에 큰 도움이 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

연구를 시작하기 전에는 세포외유출이 감소되어 있을것이라 예상을 하고 프로젝트를 진행하였다. 하지만, 실제 결과는 세포외 유출이 증가되어 있었고, 최초에는 실험 오차의 가능성을 염두에 두었었다. 하지만, 반복실험결과 세포외유출이 증가되어 있는 것을 확인할 수 있었고, 이것을 설명하기 위해, 가능성을 점검하던 중 전자현미경 상에서 증가된 소포체 크기를 발견하게 되었다. 이후에 다른 장기에서도 같은 현상을 확보하여, 다양한 조직에서 공통적으로 발견되는 TRPML1 유전자 고유의 기능임을 확인하게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 성과 이전에는 어떤 그룹도 증가된 크기의 분비성 소포체가 TRPML1 유전자 결손 생쥐에서 나타난다는 것을 알지 못했다. 또한, 그것이 리소좀과 분비성 소포체의 융합에 의한 것으로 예상되면서, 새로운 세포생물학적 기전의 발견에 큰 기여를 하게 되었다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

본 연구 결과를 통해 TRPML1의 고유 기능이 리소좀과 다른 세포내 소기관 사이의 융합 조절에 있을 가능성을 확인하였다. 이에, TRPML1의 기능 조절을 통하여, 다른 세포내 축적성 질환의 극복에 도전해보고자 한다. 또한, TRPML1이 어떻게 리소좀과 다른 세포내 소기관 사이의 융합을 매개하는지에 대한 분자기전에 대한 연구를 좀더 세밀히 시행하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구 성과를 세계적 학술대회인 2015년 2월 Gordon Research Conference “Salivary glands & Exocrine Biology”에 포스터 발표 신청하였는데, ed poster로 선정되었다. 이에, salivary gland 분야 최고의 연구자들 앞에서 구연발표하고 토론할 기회를 가질 수 있었다.

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