바이오인

핵심내용

혈당과 비만 동시 조절 단백질 규명

- 간의 신호가 전신의 지방대사에 영향 미치는 원리 밝혀져 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 구승회 교수(고려대학교) 연구팀이 당 생성과 비만에 동시에 관여하는 간 내 단백질의 조절 과정을 규명했다고 밝혔다.

□ 간은 에너지 대사의 핵심 기관으로서 포도당‧지방 대사의 항상성에 기여한다. 고지방 식이에 의해 비만 및 지방간이 형성되면 인슐린 저항성*이 동반되면서 대사질환이 유발된다.

    * 인슐린 저항성 : 혈당을 조절하는 인슐린이 정상 기능을 수행하지 못하는 상태로서, 간에서는 포도당 생성의 효과적 억제가 일어나지 못하고, 지방이나 근육세포에서는 포도당 흡수가 제대로 되지 못하는 상태를 말함.

□ 그동안 간의 지방축적으로 인한 인슐린 저항성 신호전달이 간 내부에서 조절하는 연구만 보고되었을 뿐, 간의 신호물질이 온몸의 지방 대사에 미치는 작용기작에 대해서는 연구되지 않았다.

□ 연구팀의 이전 연구에서 Crtc2* 단백질이 간에서 당생성을 증가시키고 인슐린 저항성을 가속화한다는 것이 밝혀진 바 있다. 이번 연구에서는 Crtc2가 지방간 및 전신의 비만을 촉진한다는 것을 추가로 규명했다. 특히 간에서만 Crtc2 제거된 생쥐모델 제작에 성공함으로서 간에서의 Crtc2 특유의 기능과 효과를 검증해냈다.

    * Crtc2 : Creb의 전사도움 인자로서, 포도당 생성의 주요 유전자들의 발현 및 인슐린 저항성 유발인자인 LIPIN1의 발현 증가를 간에서 유도하는 것으로 보고됨.

 ㅇ Crtc2가 제거되면 간세포 이외에도 지방세포의 크기와 지방축적이 감소되었고, 온몸에서 에너지 소모가 증가하였다. Crtc2가 제거되면 마이크로RNA-34a(miR-34a)가 발현되지 않으며, 이들의 타겟인 PPAR알파와 Sirt1 발현이 증가한다. 그 결과 PPAR알파와 Sirt1에 의한 지방산화가 증가되면서 지방간이 억제된다고 연구팀은 설명했다.

 ㅇ 또한 Crtc2가 제거된 간에서는 Fgf21 호르몬의 발현이 증가되면서 백색지방의 갈색화*와 에너지 소비 증가로 인해 항비만 효과가 나타났다.

    * 백색지방의 갈색화 : 지방의 보관소 역할을 하는 백색지방이 추위 등의 외부 자극에 의해서 갈색 지방화하여, 지방산의 소비 및 항비만 효과를 나타내는 현상

□ 구승회 교수는 “간에서 당생성 증가 및 인슐린 저항성에 기여하는 Crtc2가 miR-34a를 통하여 지방간‧비만도 촉진함을 최초로 밝힌 것”이라며 “Crtc2나 miR-34a의 간 선택적인 억제를 통하여 고혈당과 비만을 동시에 제어하는 대사질환 치료에 적용할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행되었다. 권위 있는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 30일자에 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Hepatic Crtc2 controls whole body energy metabolism via a miR-34a-Fgf21 axis
   - 저  자 : 구승회 교수(교신저자, 고려대학교), 한혜숙 박사(제1저자, 고려대학교), 최병훈(공동저자, 고려대학교), 김준석(공동저자, 고려대학교), 강건(공동저자, 고려대학교)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

   ○ 고지방식이에 의한 지방간 형성은 인슐린 저항성을 동반하여 대사질환 유발의 핵심요인으로 판단된다. 따라서, 대사질환의 억제 및 치료를 위하여 이들 선행 현상의 분자적 기전 이해는 반드시 필요하다.

   ○ 간에서의 지방축적에 의한 인슐린 저항성의 신호전달은 주로 간 조직내에서만 영향을 미치는 것으로 여겨졌으나, 최근 각 주요 장기 간의 crosstalk에 의한 에너지 대사 조절 및 신호전달 연구가 활발하게 진행되면서, 간에서의 신호가 직, 간접적으로 다른 조직에 전달되는 메카니즘도 에너지 대사 항상성에 중요한 요인이 될 것으로 판단된다.

   ○ 본 연구진은 특히 간에서 포도당 신합성의 핵심 전사조절 도움인자인 CRTC2가 고지방식이에 의해 과활성화되며 인슐린 저항성을 유발하는 선행 연구를 발표하였는데, CRTC2가 비만 및 전신체적 에너지 대사에 미치는 연구는 진행되지 않고 있었다.

 2. 연구 내용

   ○ 정상생쥐 및 Crtc2* 간 유전자 적중 생쥐*에 고지방식이를 통한 비만과 인슐린 저항성*을 유도한 결과, Crtc2 간 유전자 적중 생쥐는 정상생쥐에 비해서 혈당이 낮으며, 포도당과 인슐린 저항성이 개선되는 결과를 나타내었다. 특히, Crtc2 간 유전자 적중 생쥐는 간에 지방축적이 현저히 낮아짐을 확인하였다.

    * Crtc2: Creb의 전사도움 인자로서, 포도당 생성의 주요 유전자들의 발현 및 인슐린 저항성 유발인자인 LIPIN1의 발현 증가를 간에서 유도하는 것으로 보고됨.

    * 유전자 적중 생쥐: 유전자의 기능을 연구하기 위하여, 생쥐에서 특정 유전자만을 선택적으로 제거하는 기술을 통하여 제작한 돌연변이 생쥐를 일컬으며, 이 기술을 개발한 공로로 2007년 노벨생리의학상이 발명자들에게 수여됨.

    * 인슐린 저항성: 혈당을 조절하는 인슐린이 정상 기능을 수행하지 못하는 상태로, 간에서는 포도당 생성의 효과적 억제가 일어나지 못하고, 지방이나 근육세포로의 포도당 흡수가 제대로 되지 못하는 상태를 말함.

   ○ 특이하게, Crtc2 간 특이적유전자 적중 생쥐의 경우 간세포이외에도 지방세포의 크기 및 지방축적이 감소하였으며, 에너지 소모가 더 많은 결과를 보였다. 따라서, Crtc2 간 유전자 적중 생쥐는 정상 생쥐에 비해서 고지방식이에 의한 비만이 크게 감소되었으며, 체지방수치의 개선 효과를 보였다.

   ○ 실제로 Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐의 간세포에서는 지방 산화가 증가되었는데, 이는 지방 산화를 관장하는 PPAR alpha* 및 Sirt1*이 증가됨을 확인하여 설명되었다. Crtc2는 비만 생쥐의 간에서 miR-34a*를 전사적으로 증가시키는데, 이 miR-34a가 PPAR alpha 및 Sirt1의 발현을 억제하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, Crtc2의 결손에 의해서 miR-34a가 감소되며, PPAR alpha 및 Sirt1에 의한 지방산화가 증가되어 지방간을 억제할 수 있는 것으로 확인하였다.

    * PPAR alpha: 핵수용체의 한 종류로서, 불포화 지방산을 리간드로 하여 활성이 증가되며, 특히 세포에서 지방산의 산화 및 케톤산 생성을 촉진함.

    * Sirt1: NAD+ 의존적 디아세틸화 효소로서, PPAR alpha 활성화를 통한 지방산의 산화를 촉진 등의 대사 작용에 관여하며, 또한 노화를 억제하는 핵심 단백질로 항노화 타겟으로 각광받고 있음.

    * miR-34a: miR (microRNA)는 생체내에서 발견되는 약 22개의 뉴클레오타이드로 구성되며, RNA의 단백질로의 발현을 억제하는 기능을 수행함. 이 중 miR-34a의 경우 anti-cancer의 기능을 가지기도 하고, 비만에 의해 발현이 증가되어 인슐린 저항성을 촉진하는 역할을 수행한다고도 보고됨.

   ○ 또한, Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐의 간에서 증가되는 PPAR alpha 및 Sirt1는 간에서 분비되는 호르몬인 Fgf21*의 발현을 촉진시키는데, 이는 지방세포에서 지방산화 및 열발생(thermogenesis*)를 증가시키며 백색지방의 갈색화*를 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 간특이적 Crtc2의 결손은 Fgf21의 증가를 통하여 전신체적인 에너지 대사 활성화를 촉진하고 비만 및 인슐린 저항성을 억제하는 결과를 보였다.

    * Fgf21: Fibroblast growth factor의 한 종류로서, 특히 Fgf19, Fgf21, Fgf23은 내분비 호르몬으로 작동함. Fgf21은 지방세포에 작용하여, 지방의 사용 증가 및 에너지 소비의 증가를 유발하며, 이를 통하여 항비만의 효과를 나타냄이 보고됨. 특히 간에서 공복시에 PPAR alpha 및 Sirt1에 의해 발현이 증가됨으로써, 간에서 분비되는 내분비 호르몬 (hepatokine)으로 잘 알려져 있음.

    * thermogenesis: 갈색 지방 및 갈색화 지방에서 uncoupling protein 1 (UCP1)에 의해 산화적 인산화 없이 proton의 마이토콘드리아 내막으로  이동을 촉진하여 열발생을 시키는 현상을 말함. 이 과정을 통해 주로 지방산의 소비를 통한 체온 유지 기능이 포유류에서 광범위하게 보고됨.

    * 백색지방의 갈색화: 원래 지방 (triacylgylcerol)의 보관소 역할을 하는 백색지방이 추위 등의 외부 자극에 의해서 갈색 지방화 하는 현상을 말함. 이를 통하여 갈색화된 백색지방은 UCP1의 발현이 증가되며, thermogenesis를 통하여 지방산의 소비 및 항비만 효과를 나타낼 수 있음.

   ○ 본 결과를 확인하기 위하여, Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐에 miR-34a를 주입하면, 지방간 생성 및 인슐린 저항성이 촉진되는 결과를 도출하였다. miR-34a와 Fgf21을 동시주입하게 되면, miR-34a에 의한 대사이상이 유발되지 않는 결과를 확인하여, Crtc2 결손에 의한 대사 개선은 Fgf21 증가를 통해 촉진됨을 생쥐 모델을 통하여 보였다. 

 3. 연구 성과

   ○ 비만과 인슐린 저항성이 촉진되면 간에서는 Crtc2의 과활성화가 일어난다. 본 연구진은 이전 연구에서 Crtc2의 과활성화가 간에서의 당생성 증가를 촉진하며 인슐린 저항성을 가속화함을 밝힌 바 있다.

   ○ 본 연구에서는 같은 상황에서 Crtc2의 과활성화는 miR-34a의 발현을 촉진하여, PPAR alpha 및 Sirt1의 활성을 억제하고, 따라서 Fgf21의 발현 억제를 통하여 지방간 및 비만을 촉진하는 새로운 기능을 통하여 대사 질환을 가속화시킴을 최초로 확인하였다.

   ○ 따라서, 간에서의 Crtc2는 혈당조절, 지방간 및 비만을 동시에 조절할 수 있는 대사 질환 제어의 핵심 타겟이 될 수 있음이 본 연구를 통하여 밝혀지게 되었다.

   ○ 후속 연구를 통하여 간에서만 선택적으로 Crtc2 또는 miR-34a를  조절하는 기술의 개발은 대사 질환의 복합적 표현형 조절에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

상세내용

  연구개요

1. 연구배경

  ㅇ 포유동물의 간은 에너지 대사의 핵심 기관으로서, 포도당 및 지방대사의 항상성에 기여한다. 고지방식이에 의한 지방간 형성은 인슐린 저항성을 동반하여 대사질환 유발의 핵심요인으로 판단되는데, 이러한 신호전달은 주로 간 내에서 국한되어 이해되어 왔다. 최근 장기간의 crosstalk에 의한 에너지 대사 조절 및 신호전달 연구가 활발하게 진행되면서, 간에서의 신호가 직, 간접적으로 다른 조직에 전달되는 메카니즘도 에너지 대사 항상성에 중요한 요인이 될 것으로 판단된다.

  ㅇ 전사도움인자인 Crtc2의 간에서 포도당 신합성을 조절 기전은 선행연구를 통하여 중요성이 입증된 바 있다. 하지만 Crtc2를 간에서만 특이적으로 제거한 유전자 적중 생쥐의 부재로 인하여, 이 전사도움인자의 에너지대사 조절에 관련된 정확한 기전은 밝혀지지 않았다.

  ㅇ 본 연구에서는 세계 최초로 구축한 Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐를 이용하여, Crtc2의 결손이 고지방식이에 의한 지방간 형성, 인슐린 저항성 및 비만에 주는 영향을 연구하고자 하였다.

 2. 연구내용

  ㅇ Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐 (Crtc2 LKO 생쥐)는 고지방식이에 의한 혈당 상승이 억제되며, 포도당과 인슐린 저항성이 개선되며, 지방간도 억제되는 결과를 도출하였다.

  ㅇ Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐의 경우 간세포이외에도 지방세포의 크기 및 지방축적이 감소하였으며, 에너지 소모 증가를 통하여 항 비만 효과를 보였다.

  ㅇ Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐의 간세포에서는 miR-34a가 감소되어 있음을 확인하였다. 따라서, miR-34a의  타겟인 PPAR alpha 및 Sirt1이 증가되며, 이를 통한 지방 산화 증가가 확인되었다. 결론적으로, Crtc2의 결손에 의해서 miR-34a가 감소되며, PPAR alpha 및 Sirt1에 의한 지방산화가 증가되어 지방간을 억제할 수 있는 것으로 확인하였다.

  ㅇ Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐에서는 PPARalpha 및 Sirt1에 의해 증가되는 호르몬인 Fgf21의 발현이 촉진되는데, 이를 통하여 지방세포에서 지방산화 및 열발생 (thermogenesis)를 증가시키며 백색지방의 갈색화가 촉진되는 결과를 설명할 수 있었다. 따라서, 간특이적 Crtc2의 결손은 Fgf21의 증가를 통하여 에너지 대사 활성화 및 항 비만 및 항 인슐린 저항성 효과를 나타내었다.

  ㅇ 최종적으로, Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐에 miR-34a를 주입하면 지방간 생성 및 인슐린 저항성이 증가되는데, miR-34a와 Fgf21을 동시주입하게 되면 대사 질환 표현형 유발이 되지 않는 결과를 확인하였다. 따라서, Crtc2 결손에 의한 대사 개선은 Fgf21 증가를 통해 촉진됨을 생쥐 모델을 통하여 최초로 발견하였다. 

 3. 기대효과

  ㅇ 비만과 인슐린 저항성이 촉진되면 간에서는 Crtc2의 과활성화를 통한 당생성이 촉진된다. 본 연구에서는 같은 상황에서 Crtc2의 과활성화는 miR-34a의 발현을 촉진하여, PPAR alpha 및 Sirt1의 활성을 억제하고, 따라서 Fgf21의 발현 억제를 통하여 지방간 및 비만을 촉진하는 것을 새롭게 확인하였다.

  ㅇ 따라서, 간에서의 Crtc2는 혈당조절, 지방간 및 비만을 동시에 조절하는할 수 있는 대사 질환 제어의 핵심 타겟이 되는 연구결과를 도출하였다. 간특이적으로 Crtc2 또는 miR-34a를 선택적으로 조절하는 약물의 개발은 대사 질환의 복합적 표현형 조절에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구팀은 cAMP 신호전달의 전사조절자인 Crtc에 의한 에너지 대사 조절 및 대사 질환 제어 가능성에 대한 연구를 수행하고 있다. 최근 연구에서는 Crtc2의 발현이 대사 질환 환자에서 증가되거나, Crtc2의 특정 SNP를 가지는 군이 대사 질환 유병율이 높아진다는 보고가 되는 등, 이 단백질과 대사 질환과의 높은 연관성이 제시되고 있는 실정이다.
Crtc2는 간 뿐만이 아니라, 췌장 베타 세포, 지방 세포, 소장 등 다양한 조직에서 발현하므로, 간에서만 선택적으로 Crtc2의 발현을 억제한 후 대사 스트레스에 의한 대사 질환의 다양한 표현형 조절성을 연구하는 것을 필수 불가결한 과정이다.
특히 Crtc2의 간에서의 과활성화가 고혈당과 인슐린 저항성을 유발한다는 결과를 발표한 후, Crtc2의 간에서의 기능에 관한 전문적 연구를 수행하기 위하여 Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐를 제작하고 연구를 수행하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구에서 고지방 식이에 의해 인슐린 저항성 및 비만을 유발하였을 때, Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐는 체중 증가가 억제되며, 인슐린 저항성 및 고혈당증도 나타나지 않는 것을 확인하였다. 특히, 간에서만 Crtc2를 제거했음에도 불구하고, 지방세포에서의 지방의 크기 및 양이 감소하는 특이적 결과를 도출하여, 간에서 분비되는 호르몬에 의한 systemic한 에너지 대사 조절이 있다는 가설을 세우고 연구를 수행하게 되었다.

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

본 연구를 본격적으로 시작하는 시점에서, 연구팀의 연구 결과와 상이한 논문이 경쟁팀에 의해서 게재되었다. 하지만, 경쟁팀의 경우 Crtc2의 전신체적 유전자 적중 생쥐를 사용한 한계점이 있었으므로, 본 연구팀이 세계 최초로 도입한 Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐를 이용한 결과에 대하여서 reviewer들이 더 크게 가치를 인정하여 논문 출간을 할 수 있었다. 또한, reviewer 중 한 명이 Crtc2와 Fgf21의 동시 간 특이적 유전자 적중 생쥐 실험 추가를 요구하게 되어서, 이 실험을 위해서만 6개월 이상의 추가 실험을 하게 되는 어려움도 있었다. 결과적으로 본 연구팀의 연구 결과를 reviewer들과 editor가 인정하게 되어 Nature Communications에 최종 게재하게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구진은 세계 최초로 Crtc2 간 특이적 유전자 적중 생쥐를 이용하여, 간에서의 Crtc2의 과활성화가 miR-34a의 발현 촉진을 통한, PPAR alpha 및 Sirt1의 활성을 억제하고, 따라서 Fgf21의 발현 억제를 통하여 지방간 및 비만을 촉진하는 것을 새롭게 확인하였다.
본 연구는 간에서의 Crtc2가 혈당조절, 지방간 및 비만을 동시에 조절할 수 있는 대사 질환 제어의 핵심 타겟이 된다는 결과를 밝힌 의의가 있다고 사료된다. 따라서, 간특이적으로 Crtc2 또는 miR-34a를 선택적으로 조절하는 기술의 개발은 대사 질환의 복합적 표현형 조절에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

후속 연구로서는 Crtc2의 간 특이적 유전자 적중 생쥐를 이용한 콜레스테롤 대사 연구를 현재 수행하고 있으며, Crtc2의 지방 특이적 유전자 적중 생쥐를 이용한 에너지 대사 조절 연구도 지속적으로 수행하고 있다. 동료 연구자들과의 공동 연구를 통하여 cAMP 신호 전사조절자인 Crtc2의 다양한 기능을 다른 조직에서 밝히는 연구를 계속 지속하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구 결과는 처음 submission부터 accept까지의 기간만 해도 1년 6개월이 소요되는 장기간의 프로젝트였다. 유전자 적중 생쥐를 이용한 연구의 특성상 생쥐의 교배 및 일차 표현형 분석, 그리고 고지방 식이에 의한 장기간의 연구 기간이 필수 불가결하므로, 끈기 있게 계속 실험할 수 있는 도전적 연구자들과 지속적 연구를 뒷받침할 수 있는 연구비의 지원이 필요하다. 특히 본 연구 지원의 핵심인 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 연차 평가 폐지로 인하여, 긴 호흡의 연구가 가능하였음을 감사하게 생각한다.

...................(계속)

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