바이오인

핵심내용

포도주와 심혈관 질환의 관계는? 
포도 껍질에 있는 물질(레스베라트롤) 활용 심혈관 질환 등 치료 확대 기대

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 “포도주에 많이 들어 있는 레스베라트롤*이 심혈관 질환을 낮추는 효과를 나타내는 것은 인체 내 단백질 중 하나인 엠톨(mTOR)** 때문이라는 사실을 발견했다”고 발표했다.  
      * 레스베라트톨(resveratrol) :  포도의 껍질이나 여러 식물의 뿌리에 존재하는 물질로 암을 억제하고, 당뇨병 증상을 완화시키며, 염증반응을 억제하고 퇴행성 신경 질환 치료에 효과가 있는 것으로 보고된 천연약리물질 

     ** 엠톨(mTOR) : 세포 내에서 신호전달에 관여하는 단백질로, 세포의 크기, 분열, 생존 등 조절에도 중심적인 기능을 하며, 이 단백질의 비정상적인 조절이 암, 알츠하이머 등 다양한 질병의 원인이 되는 것으로 알려졌음. 

□ 류성호 교수 연구팀(포스텍)은 미래창조과학부 기초연구사업(중견연구자지원사업)지원으로 연구를 수행하였으며, 이 연구는 다학제 분야의 권위 있는 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 2월 23일자에 게재되었다. 

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.  
   - 논문명 : Resveratrol induces autophagy by directly inhibiting mTOR through ATP competition
   - 저자 정보 : 류성호(교신저자, 포스텍 교수), 박도현(제1저자, 포스텍 박사후 연구원, 현 가톨릭 대학교 창의연구단 연구원)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성
  ○ 프랑스 사람들이 포화지방과 포도주를 통한 알코올 섭취가 많음에도 불구하고 역설적으로 심혈관계 질환이 낮은 현상(프렌치 파라독스(French paradox))에 대해 연구자들은 그 원인이 포도주에 함유되어 있는 특정한 물질에 있다고 생각했고 포도주 속에서 레스베라트롤 이라는 물질을 발견했다.

  ○ 레스베라트롤의 긍정적 효과는 세포 내 자가소화작용(autophagy)*을 통해 나타난다는 것이 알려졌다. 하지만 레스베라트롤에 의한 자가소화작용 발생의 세포 내 메커니즘에 대해서는 알려지지 않았다. 그래서 레스베라트롤의 기대효과와 부작용에 대한 예측이 어려웠다. 이로 인해 레스베라트롤의 활용범위에 제한이 있는 상황이었다.
        * 세포 내 자가소화작용(autophagy) : 자가소화작용은 생체 고분자 분해를 통해 세포에 영양물질과 고분자 합성 원료 물질을 공급하는 것으로 세포 내에서 일어나는 현상이다. 자가소화작용은 세포 내에서 에너지가 부족할 때 영양재분배를 통해 임시적으로 에너지를 공급하는 역할을 하거나 감염세포 처리 및 손상된 세포를 수리하는 역할을 하게 된다.

 2. 연구 내용
  ○ 실험을 통해 레스베라트롤에 의한 자가소화작용이 발생하기 위해서는 세포 내 인산화 효소인 엠톨(mTOR)의 활성이 억제되어야 한다는 사실을 밝혔다.

  ○ 엠톨과 레스베라트롤의 구조를 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션과 엠톨 돌연변이를 이용한 세포 내 실험을 실시하였다. 그 결과 레스베라트롤에 의한 엠톨의 활성 억제는 상위 조절 분자를 통해서가 아니라 엠톨에 직접 결합하여 엠톨과 반응하는 기질인 ATP와의 경쟁을 통해 일어남을 발견하였다.
        * ATP : adenosin triphosphate의 약자로 아데노신에 3개의 인(phosphate)가 붙어 있는 구조로 인이 떨어질 때 에너지가 나오기 때문에 세포 내에서는 이를 활용하여 생체 구조를 작동 시킬 수 있다. 이런 이유로 세포 내 에너지 화폐로 불린다.

  ○ 레스베라트롤 효과는 엠톨에 의존적인 암세포에 대해서만 선택적으로 억제한다는 사실을 확인하여 레스베라트롤의 암세포 억제 효과는 엠톨을 통해 일어난다는 것을 증명하였다. 

 3. 연구 성과   
  ○ 레스베라트롤에 직접적으로 작용하는 인체 내의 대상 분자(엠톨)를 발견함으로써 레스베라트롤의 긍정적 효과에 대한 분자수준의 발견이 이루어졌다. 

  ○ 현재 학계에서 연구되고 있는 엠톨과 질병과의 연결관계를 바탕으로 할 때 레스베라트롤을 이용한 치료 범위는(퇴행성 신경질환, 항염증 작용, 항 당뇨작용) 더욱 넓어진다. 그리고 이를 바탕으로 레스베라트롤의 유도 물질을 개발할 수 있게 되어 좀 더 고효율의 약물 개발이 가능할 것으로 기대된다.

□ 류성호 교수는 “포도 안의 레스베라트롤과 체내 엠톨과의 관계를 밝힘으로써 여러 암과 대사질환, 퇴행성 신경질환 등의 치료를 위한 새로운 발판을 마련했다”며, “질병치료제로서 레스베라트롤의 적용 범위를 넓히고 부작용까지 예측할 수 있을 것으로 기대한다”며 연구의 의의를 설명했다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
  ㅇ 레스베라트롤(Resveratrol)은 1939년 다카오카(Takaoka)에 의해 헬레보레 식물의 뿌리로부터 처음 분리되었다. 레스베라트롤은 두개의 링(ring)구조를 가진 폴리페놀(poly-phenol) 물질로 포도의 껍질과, 견과류, 여러 식물의 뿌리 등에 풍부하게 존재하는 것으로 알려져 있다. 레스베라트롤은 포도주에도 풍부하게 함유되어 있어 포도주를 자주 마시는 프랑스 사람들의‘프렌치 파라독스(French paradox)’(프랑스 사람들이 포화지방과 포도주를 통한 알콜 섭취가 많음에도 불구하고 심혈관 질환의 발생이 낮은 역설적인 현상)를 설명할 수 있는 물질로 처음 부각되었다. 이후 레스베라트롤의 섭취는 항암작용을 하고, 염증반응을 억제하며, 당뇨병의 증상을 완화시키는 등 여러 질병을 억제하고 생체에 긍정적인 효과를 보이는 것으로 보고 되었다. 특히 특정 실험동물 모델에서는 수명을 증가시키는 현상도 보고 되었다. 이러한 긍정적인 효과 때문에 레스베라트롤은 여러 질병을 치료하는 천연약리물질로 개발되어 왔다.

  ㅇ 자가소화작용 (Autophagy)은 세포 내 단백질, 소기관들을 지질막으로 둘러싼 다음 세포 내 분해기관인 리소좀(Lysosome)과의 결합을 통해 분해하는 작용으로 세포 내에서 일어난다. 자가소화작용의 효과는 생체 고분자 분해를 통해 세포에 영양물질과 고분자 합성 원료 물질을 공급하는 것이다. 자가소화작용은 세포 내에서 에너지가 부족할 때 임시적으로 에너지를 공급하는 역할을 하거나 손상된 고분자 물질과 세포 소기관을 제거하는 역할을 하게 된다. 일반적으로 자가소화작용은 세포를 스트레스로부터 보호하는 역할을 한다. 그러나 과도한 자가소화작용은 제 3형 세포사멸(Type-III cell death)를 유발하여 특정 암 종류의 치료를 위한 대상으로 활용되어지고 있다.

  ㅇ 레스베라트롤은 세포 내에서 자가소화작용을 유발하는 것으로 알려졌고, 레스베라트롤에 의한 자가소화작용은 항암, 항염증 등 여러 긍정적 효과를 일으키는 중요 매개 현상으로 밝혀졌다. 하지만 레스베라트롤의 생체 내 대상 분자들이 보고되어 왔음에도 이러한 자가소화작용을 설명하거나  레스베라트롤의 긍정적 효과를 분자수준에서 설명할 수 있는 직접적인 대상 분자는 알려지지 않은 상황이었다. 레스베라트롤의 긍정적 효과를 설명할 수 있는 직접적인 대상 분자를 발견한다면 레스베라트롤의 활용도를 높이고 더 높은 효율의 약물을 개발할 수 있게 될 것이다.

2. 연구내용
  ㅇ 엠톨(mTOR)은 세포 내 인산화 효소(kinase)이다. 하위 분자의 인산화(phosphorylation)를 통해 세포 내 단백질과, 지질, 핵산의 합성을 증가시키고 자가소화작용을 억제함으로서 세포 내 동화작용(anabolism)을 촉진시키고 이화작용(catabolism)을 억제한다. 엠톨의 활성은 세포 내·외의 영양 상황, 성장인자 레벨, 스트레스 요인들에 의해 밀접하게 조절된다. 또한 엠톨은 많은 부분에 있어 레스베라트롤의 효과와 비슷한 현상을 나타내는 것으로 알려졌다. 본 연구팀은 이러한 특성에 착안하여 레스베라트롤의 효과가 엠톨에 의존적인지를 알아보았다. 레스베라트롤을 세포에 처리하였을 때 엠톨의 활성 억제와 동시에 자가소화작용이 발생함을 관찰하였다. 또한 레스베라트롤에 의한 자가소화작용의 발생은 엠톨 억제제를 썼을 때는 나타나지 않는 것을 통해 이러한 현상이 엠톨에 의존적이라는 사실을 밝혔다. 그리고 엠톨의 자가소화작용 관련 하위 분자인 유엘케이(ULK1)가 없는 상황에서는 레스베라트롤에 의한 자가소화작용이 일어나지 않는다는 사실을 확인하고 엠톨을 통한 하위 분자 조절이 자가소화작용의 발생에서 중요하다는 것을 밝혔다.

  ㅇ 질병 상황에서의 엠톨의 의존성을 살펴보기 위해 본 연구진은 엠톨의 억제에 민감한 암 세포주(MCF7)와 그렇지 않은 암 세포주(SW620)를 선발하여 레스베라트롤에 의한 암세포 억제작용을 살펴 보았다. 그 결과 레스베라트롤은 엠톨의 억제에 민감한 암 세포주(MCF7)의 성장만 억제하는 것을 발견하였다. 이를 통해 레스베라트롤의 항암효과의 일부는 최소한 엠톨을 통해 일어 날 수 있다는 것을 발견하였다.

  ㅇ 엠톨은 세포 내 에너지 화폐인 ATP(adenosine tri-phosphate)를 이용하여 하위 분자의 기능을 조절한다. 따라서 ATP와 엠톨의 결합은 엠톨의 기능을 위한 필수적 단계이다. 레스베라트롤과 다른 폴리페놀 분자들과의 구조적 유사성, 그리고 이들 폴리페놀과 ATP의 구조적 유사성은 레스베라트롤이 엠톨의 ATP 결합 부분에 물리적 결합을 할 수 있을 가능성을 제시하였다. 이에 따라 본 연구진은 세종대 박황서 교수의 연구팀과의 공동으로 구조 시뮬레이션을 통해 레스베라트롤이 엠톨의 ATP 결합 주머니 부분에 결합할 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 이후 진행된 생체내(in vitro) 효소 활성 실험에서도 ATP와 레스베라트롤은 엠톨과의 결합에 대해 상호 경쟁관계를 가질 수 있다는 것을 알게 되었다.

  ㅇ 이 작용 메커니즘에 대한 좀 더 심도 높은 검증을 위해 본 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션(Insilico simulation)을 바탕으로 레스베라트롤이 결합할 수 없는 돌연변이 엠톨을 제작하였다. 이 돌연변이 엠톨이 발현된 세포는 레스베라트롤에 의한 엠톨의 활성 억제와 자가소화작용의 발생이 일어나지 않는 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구를 통해 레스베라트롤의 세포 내 작용의 메커니즘을 분자적 수준에서 규명할 수 있었다. 또한 이를 통해 전체 개체에서 일어나는 레스베라트롤의 긍정적 효과의 근거를 제시하였다.

3. 기대 효과
  ㅇ 레스베라트롤의 활용범위 확장 및 부작용 예측 : 천연약리물질 대상 분자의 정체를 규정하는 주 목적 중 하나는 대상 분자의 기능을 바탕으로 한 약리 물질의 메커니즘 이해를 통해 약물의 활용범위를 확장하고 부작용을 예측하는 것이다. 엠톨의 기능은 여러 암과 대사질환 그리고 퇴행성 신경질환과 밀접한 관계가 있다고 알려진 만큼 이들 질병을 대상으로 한 레스베라트롤의 치료제로서의 검증을 시도해 볼 수 있게 되었다. 또한 엠톨을 대상으로 한 치료에서 드러난 부작용들을 고려함으로써 치료제로서의 레스베라트롤의 활용 전략을 좀 더 면밀히 세울 수 있게 되었다.

  ㅇ 다른 천연약리물질의 메커니즘 규명에 대한 근거 제시 : 레스베라트롤은 폴리페놀로서 그 구조가 다른 폴리페놀 계열의 천연약리물질과 비슷한 구조를 가지고 있다. 이를 바탕으로 퀘르시틴(quercitin), 로틀레린(rottlerin) 등 치료 효과가 좋은 다른 폴리페놀 계열 천연물질의 대상 분자 정체를 규명하는 발판이 되었고 이 물질들의 엠톨을 통한 효능에 대한 가능성을 열게 되었다.

  ㅇ 효과적인 약물로서 레스베라트롤을 사용하기 위한 레스베라트롤 개량 기준 제시 : 레스베라트롤은 여러 질병의 증상 완화와 치료에 효과를 보였음에도 불구하고 반감기(half-life)가 짧아 고용량으로 잦은 투여를 해야만 개체수준에서 효과를 나타낼 수 있었다. 따라서 레스베라트롤의 구조 변경을 통한 유도체 개발을 위해 좀 더 효율적인 약물개발이 필요했다. 본 연구를 통해 제시된 직접적인 대상 분자인 엠톨은 이러한 고효율 유도체 개발을 위한 바탕이 되어 빠르고 효과적인 유도체 개발을 가능하게 할 것이다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

레스베라트롤은 세포 내에서 자가소화작용을 유발하는 것으로 알려졌고, 레스베라트롤에 의한 자가소화작용의 발생은 항암, 항염증등 여러 긍정적 효과를 일으키는 중요 매개 현상으로 밝혀졌다. 하지만 레스베라트롤의 생체 내 대상 분자들이 보고되어 왔음에도 이러한 자가소화작용을 설명하거나 또한 레스베라트롤의 긍정적 효과를 분자수준에서 설명할 수 있는 직접적인 대상 분자는 알려지지 않은 상황이었다. 레스베라트롤의 긍정적 효과를 설명할 수 있는 직접 타깃 분자의 발견은 레스베라트롤의 활용도를 높이고 더 높은 효율의 약물 개발을 가능하게 할 것이라 판단되어 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

엠톨의 활성 억제와 레스베라트롤의 섭취에 의한 효과가 비슷하다는 점을 바탕으로 엠톨에 직접 영향을 미치는지를 시험관 실험을 통해 밝혔다. 이후 작용 메커니즘을 알기 위해 엠톨과 레스베라트롤의 구조를 바탕으로 하여 컴퓨터 시뮬레이션을 진행하였고, 두 물질이 실제 결합할 수 있는 가능성을 발견하였다. 이 결과를 바탕으로 후속 시험관 실험을 진행하였다. 그리고 두 분자의 직접적인 결합으로 인해 레스베라트롤이 엠톨의 활성을 억제하고 자가소화작용을 발생시키는 핵심요소라는 것을 밝혔다.

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

적포도주 성분으로 레스베라트롤의 대상 분자라고 제시되었으나 논란이 많은 몇 가지 단백질들의 가능성을 차례로 배제하는 연구를 많은 노력을 들여서 진행하여 완료하였다. 그러나 학술지의 에디터는 본 연구가 레스베라트롤의 직접적인 대상을 가장 확실하게 직접적으로 명쾌하게 증명한 논문이기 때문에 다른 대상을 배제하는 실험결과들은 모두 논문에서 제외시키도록 요구하여 포함시키지 못했다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

1. 레스베라트롤의 세포 내 직접적인 대상 분자를 발견함으로써 레스베라트롤의 긍정적 기능을 설명할 수 있는 분자적 수준에서 설명하였다.
2. 레스베라트롤의 폭넓은 활용과 고효율 유도체 개발을 가능하도록 하는 기준을 제시하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

본 연구는 분자, 세포 수준에서의 연구를 통해 이루어진 결과들이다. 실제 적용은 다른 측면에서의 접근이 필요한 만큼 앞으로의 연구는 실제 적용에 좀 더 가까운 연구를 수행하고 싶다.

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