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핵심내용

패혈증 억제하는 새로운 기전 규명

- 신개념 패혈증 치료제 개발 가능성 열어 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 백성희 교수(서울대학교)‧김근일 교수(숙명여자대학교) 연구팀이 패혈증을 억제하는 새로운 기전을 규명하여, 패혈증 치료제 개발의 새 전기를 마련하였다고 밝혔다.

□ 패혈증은 미생물에 감염돼 전신에 심각한 염증 반응이 나타나는 상태로서, 건강한 사람이 발병하더라도 증상이 빠른 속도로 악화하고 다양한 장기 손상을 가져와 치사율이 매우 높다. 

 ㅇ 패혈증 치료는 환자에게 항생제를 투여하여 원인균을 제거함으로써 이루어지는데 패혈증 원인균을 알아내려면 최소 3~5일이 필요하다. 이에 따라 단기간 내에 환자의 상태가 악화하는 것을 막고 증상을 완화할 수 있는 방법에 대한 연구가 중요하다.

□ 연구팀은 히스톤 탈메틸화 효소인 LSD1의 인산화 여부가 패혈증으로 인한 염증반응에서 핵심적인 기능을 한다는 것을 밝혔다.

 ㅇ LSD1은 안드로겐 수용체나 에스트로겐 수용체 등과 결합해 암 발생 및 생체 리듬에 중요한 역할을 한다고 알려져 있으나 염증 반응을 촉진한다는 사실이 밝혀진 것은 이번이 처음이다.

□ 연구 결과에 따르면, 생쥐에 염증반응을 유발하는 물질(LPS*)을 주사하여 패혈증과 유사한 상황을 유도하였을 때, LSD1이 인산화되지 않도록 유전자 변형된 생쥐는 정상 생쥐보다 폐 조직의 손상이 적고 생존율도 더 높다.
    * LPS(지질다당체) : 세균의 표면에 존재하는 보편적인 항원 중 하나로, 세균이 사멸될 때 균체 밖으로 나와 인체에서 염증과 같은 면역반응을 일으키는 물질

 ㅇ 인산화된 LSD1이 단백질(p65)의 메틸기를 제거하여 안정화시키고, 이로 인해 염증 반응 신호전달 경로가 지속적으로 활성화되어, 결국 패혈증에 이르게 된다. LSD1이 인산화되지 않은 경우에 염증 반응이 지속되지 못하는 것은 이러한 이유 때문이다.

□ 백성희 교수는 “염증 반응을 일으키는 새로운 신호전달 경로를 발견하였고, 이 경로를 차단하면 패혈증을 억제할 수 있다는 사실을 최초로 규명했다”라며 “패혈증의 생존율을 높일 수 있는 치료제 표적 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

□ 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인‧집단연구)의 지원으로 수행되었으며, 세계적인 과학저널 셀(Cell)의 자매지인 몰레큘라 셀(Molecular Cell) 1월 25일 논문으로 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
                  2. 연구결과 개요
                  3. 연구이야기
                  4. 용어설명
                  5. 그림설명

□ 논문명, 저자정보

  - 논문명 : PKCα-LSD1-NF-κB Signaling Cascade Is Crucial for Epigenetic Control of the Inflammatory Response
  - 저  자 : 백성희 교수 (공동교신저자, 서울대 생명과학부), 김근일 교수 (공동교신저자, 숙명여대 생명시스템학부), 김동하 박사과정 (공동제1저자, 서울대 생명과학부), 남혜진 박사 (공동제1저자, 서울대 생명과학부/現 한국화학연구원 물질기반기술연구센터).

□논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

  ○ 패혈증은 미생물에 의해서 감염되어 전신에 심각한 염증반응이 나타나는 상태를 말한다. 이러한 패혈증은 건강한 사람에게 발병하더라도 빠른 시간 안에 증상이 악화되고 다양한 장기의 손상을 가져와 치사율이 매우 높다.

  ○ 패혈증은 환자에게 항생제를 투여하여, 패혈증을 유발하는 원인균을 제거함으로써 치료한다. 하지만 패혈증 원인균을 알아내기 위해서 최소 3~5일 정도의 시간이 필요하므로 이 시간동안 패혈증 환자의 상태가 악화되는 것을 막고 증상을 완화하는 것이 치사율을 낮추는 데에 중요하다.  

  ○ 무엇보다 패혈증이 발생하면 쉽게 악화되어 치료하기 어렵기 때문에, 패혈증의 생존율을 높이는 것은 국가적으로 시급한 문제이고 치료제 개발이 필요하다.

  ○ 히스톤 탈메틸화 효소인 LSD1 (Lysine-specific demethylase 1, 엘에스디 원)은 암 발생이나 생체리듬에서 중요한 역할을 한다는 것이 알려져 있었으나, 염증 반응에서의 기능은 전혀 알려져 있지 않았다.

 2. 연구내용

  ○ 연구팀은 LSD1의 인산화가 일어나지 않는 유전자 변형 마우스(Lsd1 SA/SA 돌연변이 마우스)를 제작하여 염증반응에서 LSD1의 인산화가 중요한 기능을 한다는 것을 규명하였다.

  ○ LPS(lipopolysaccharide)라는 내독소(endotoxin) 성분을 주사하여 패혈증과 유사한 상황을 마우스에서 유도하였다. 그 결과, 정상 마우스와 비교하여 Lsd1 SA/SA 돌연변이 마우스에서 폐 조직 손상이 덜 나타나고 생존율도 더 높은 것을 확인하였다.

  ○ 염증반응에서 중요한 기능을 하는 대식세포(macrophage)에 LPS를 처리하였을 때에도 LSD1의 인산화가 유도되는 것을 확인하였다. LSD1의 인산화는 LPS의 농도에 민감하게 반응해서, 패혈증과 같은 과도한 염증반응이 유도되는 고농도의 LPS를 처리한 상황에서만 나타났다. 

  ○ Lsd1 SA/SA 돌연변이 마우스에서는 LPS에 의해서 활성화되는 NF-B* 신호전달 경로에 따른 타겟 유전자의 발현이 정상 마우스에 비해 낮아져 있음을 RNA-sequencing* 분석을 통해서 확인하였다.
     * NF-B : 염증신호에 의해 반응하여 타겟 유전자 발현을 촉진하는 전사인자(p50, p65 등)
     * RNA-sequencing : 전체 RNA의 염기서열을 확인하는 차세대 전체 게놈 염기서열 분석법

  ○ LPS에 의해서 인산화된 LSD1은 NF-B의 전사인자 중 하나인 p65와 결합하는 것을 확인하였다. LSD1은 p65와 결합하여 p65의 메틸기를 제거하는 기능을 하고, 이는 p65 단백질의 안정화를 가져와 지속적인 활성이 나타나도록 한다는 것을 확인하였다.

  ○ 이처럼 p65의 활성이 지속되면 과도한 염증반응으로 이어지고 이는 장기손상 등을 초래하여 패혈증에 이르게 할 수 있다.

 3. 연구 성과

  ○ LSD1의 염증반응에서의 기능은 현재까지 알려진 바가 없었다. 이번 연구를 통해서 LSD1이 p65와 함께 NF-B 신호전달 경로를 활성화시켜서 염증반응을 일으키는 핵심적인 역할을 수행한다는 것을 규명하였다.

  ○ 또한 PKCα가 염증반응에서 NF-B 신호전달 경로를 조절하는 기전을 규명하였다. PKCα에 의해 인산화된 LSD1이 핵 내에서 p65를 안정하게 만들어서 NF-B 신호전달 경로를 활성화시키는데, 이는 과도한 염증반응이 일어나는 패혈증 상태와 유사함을 밝혔다.

  ○ 마우스에서 패혈증을 유도하는 실험을 수행하였다. 이번 연구에서 새롭게 규명한 PKCα-LSD1-NF-B의 신호전달 경로를 억제하면 패혈증 생존률이 높아짐을 확인했다. 또한 패혈증을 유도한 마우스에서 LSD1의 인산화를 저해하거나 (Go6976* 약물 주사), LSD1의 활성을 저해하면 (GSK-LSD1* 약물 주사), 패혈증의 증상이 완화되고 생존율이 현저하게 높아졌다. 이를 통해 새로운 패혈증 치료제의 표적을 제시할 수 있었다. 
     * Go6976 : PKCα 활성 저해제 
     * GSK-LSD1 : LSD1 활성 저해제 

...................(계속)

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상세내용

연구개요

1. 연구배경

  ㅇ 패혈증은 미생물에 의해 감염되어 온몸에 염증반응이 나타나는 질병이다. 통계청 자료에 따르면 패혈증 사망 인원은 2011년부터 2016년까지 5년 사이에 두 배로 늘었다고 한다. 이러한 원인은 무엇보다 패혈증의 심각성에 비해 질병에 대한 인지도가 낮아 제대로 된 대처가 이루어지지 않기 때문이다. 패혈증은 심근경색이나 뇌졸중보다 발생률과 한 달 이내 사망률이 모두 높은 치명적인 질병이다. 10만명 당 발생 건수는 심근경색 105건, 뇌졸중 206건, 패혈증 347건이고, 한 달 이내 사망률은 심근경색 2.7~9.6%, 뇌졸중 9.3%, 패혈증 20~30%다. 그에 반해 인지도는 심근경색 80%, 뇌졸중 95%, 패혈증 35%으로 패혈증이 매우 낮은 편이다. 따라서 패혈증을 잘 몰라서 증상이 나타나도 단순한 감기로 여기다가 초기 대처 시점을 놓쳐서 치명적인 상황까지 이르게 되는 경우가 많다.

  ㅇ 패혈증에 대한 인지도를 높이고 패혈증의 증세를 완화할 수 있는 방법을 찾는 것은, 패혈증에 의한 치사율을 낮추고 현대인의 건강을 유지하는데 매우 중요한 요소이다. 보통 패혈증은 증상이 나타나고 1~3시간 안에 항생제 치료를 시작하면 사망률이 10%로 낮아질 수 있지만 대부분은 패혈증이 많이 진행된 상황에서 증상을 자각하게 되므로 패혈증이 진행된 초기 이후 상황에서 이를 완화할 수 있는 방법에 대한 연구가 중요하다고 할 수 있다.

2. 연구내용

  ㅇ LSD1의 염증반응에서의 기능을 연구하기 위해 LSD1의 인산화가 일어나지 않는 유전자 조작 마우스 (Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스)를 사용하여 염증반응에서 LSD1 인산화의 기능을 규명하였다.

  ㅇ 마우스에서 패혈증을 유도하기 위해 정상 마우스와 Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스에 LPS라는 내독성 물질을 복강에 주사한 후 관찰한 결과,  Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스에서 정상 마우스에 비해 장기의 손상이 덜 나타나고, 생존율이 현저하게 높아지는 결과를 확인하였다. 뿐만 아니라 LPS를 정상 마우스에 주사하였을 때 폐에서 LSD1의 인산화가 유도되는 것을 확인했고, 이는 마우스에서 유래한 BMDM(bone marrow-derived macrophage) 대식세포에 LPS를 처리하였을 때도 동일하게 LSD1의 인산화가 유도되는 것을 확인하였다.

  ㅇ 본 연구팀은 LSD1의 인산화가 염증반응에 중요한 타겟 유전자들의 발현에 어떠한 영향을 주는지 연구하기 위해, 정상 마우스와 Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스에서 각각 유래한 BMDM을 분리하여 LPS 처리에 따라 RNA-sequencing을 진행하였다. 그 결과 LSD1의 인산화가 나타나지 않는 Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스에서 유래된 BMDM에서는 LPS에 의해 유도되는 염증반응에 중요한 타겟 유전자들의 발현이 현저히 낮게 나타났다. 이를 통해 LSD1의 인산화가 염증반응에 중요한 타겟 유전자들의 발현에 중요한 요소임을 규명하였다.

  ㅇ LSD1의 인산화에 영향을 받는 타겟 유전자들의 경우 대부분 NF-B의 대표 전사인자인 p65에 의해 조절을 받는다는 것을 RNA-sequencing 분석을 통해서 확인하였다. 따라서 LSD1과 p65의 관계를 분석해 본 결과, LSD1의 인산화가 p65와의 결합에 필수적임을 확인하였다. p65 단백질은 핵 내에서 메틸화가 일어나면 단백질이 분해되는데, LSD1이 LPS에 의해서 인산화 되면 p65에 결합하여 p65의 탈메틸화가 일어나고, 이를 통해서 p65 단백질은 분해되지 않고 안정화됨을 확인하였다.

  ㅇ 이러한 PKCα-LSD1-NF-B 신호전달 경로가 실제 마우스에도 적용될 수 있는지 확인해 보기 위해 CLP* (Cecal ligation and puncture)라는 패혈증 유도 마우스 모델 실험을 진행하였다. 그 결과 Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스에서는 정상 마우스에 비해 장기의 손상이 덜 나타나고, 생존율이 현저히 높아지는 결과를 확인하였다. 뿐만 아니라 정상 마우스에 CLP 수술을 통해 패혈증이 진행되고 있는 상황에서 PKCα활성 저해제 (Go6976)를 주사하여 LSD1의 인산화를 억제하였을 때와 LSD1 활성 저해제 (GSK-LSD1)를 주사하여 LSD1의 활성을 억제하였을 때 모두에서 패혈증의 증상이 완화되어 폐 조직 손상이 덜하고, 생존율도 현저히 높아짐을 확인하였다.  
       * CLP : 맹장의 끝을 묶고, 구멍을 내어 맹장 안의 물질들이 복강 내로 퍼져 패혈증을 유발하는 마우스 모델

3. 기대효과

  ㅇ 본 연구는 염증반응에서 중요한 PKCα-LSD1-NF-B 신호전달 경로를 최초로 규명하였다. 과도한 염증반응에서 LSD1 인산화 조절을 통해서 NF-B 전사인자인 p65 활성을 제어할 수 있음을 규명하여 새로운 패혈증 치료제 표적을 제시하였다. 이러한 연구 결과는 신개념 패혈증 치료제 개발의 기반 연구가 될 수 있을 것으로 기대된다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구실은 히스톤 탈메틸화 효소인 LSD1 인산화의 생체 내 여러 기능을 밝히는 것에 일차적인 관심을 가지고 Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스를 제작하여 꾸준히 LSD1 인산화 기능을 규명하는 논문을 발표해 왔다. 본 연구실에서의 선행 연구를 통해 LSD1을 인산화 시키는 단백질로 밝힌 PKCα는 염증반응에 의해 활성화된다고 알려져 있었지만 자세한 작동 기전에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스를 활용하여LSD1의 인산화가 염증반응에서 어떠한 기능을 수행하는지에 대한 연구를 수행하고자 했다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스를 본 연구실에서 제작하여 확보하고 있는 장점을 최대한 살려서, 마우스 실험을 통해 염증반응에서 LSD1이 필수적인 기능을 수행할 수 있다는 가능성을 확인할 수 있던 것이 본 연구의 시작이라고 할 수 있다. 정상 마우스에 비해 Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스의 패혈증 유도 모델에서 생존율이 높게 나타나는 극명한 결과를 통해서 연구방향에 대한 확신을 갖고, 추후에 PKCα에 의해 LSD1 인산화가 유도되는 일련의 분자적 기전에 대한 연구 결과도 얻을 수 있었다. 이후 RNA-sequencing 분석을 통해서 LSD1의 인산화가 p65 전사인자에 의해 조절되는 타겟 유전자들의 발현에 중요함을 확인하였다. 이러한 결과를 토대로 LSD1 인산화가 p65와 결합하는 데에 필수 요소임을 확인하고, 이러한 결합을 통해서 LSD1은 p65를 탈메틸화하여 안정화 하는 역할을 수행한다는 것을 확인하였다. 이렇게 안정화된 p65는 지속적으로 염증반응 타겟 유전자들의 발현을 촉진하여 과도한 염증반응을 유도하였다. 이러한 PKCα-LSD1-NF-B 신호전달 경로가 실제 마우스 개체에서도 적용될 수 있는지를 알아보고자 PKCα저해제인 Go6976과 LSD1 저해제인 GSK-LSD1를 마우스에 주사하여 확인해 본 결과, 두 경우 모두에서 염증반응에 의한 폐의 손상이 덜 나타나고, 마우스의 생존율이 현저히 높아지는 것을 확인할 수 있었다.

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

염증반응과 관련된 일련의 실험들은 본 연구실에서 생소한 분야였기 때문에 연구 진행 초기 연구 방법에 있어서 어려움을 겪었다. 마우스의 표현형은 극명한 차이를 확인할 수 있었지만 분자적 수준의 기전 연구에서 방향을 잡고 그 기능을 밝히는 과정이 쉽지 않았다. 하지만 지도 교수님께서 마우스 표현형 결과에 대한 확신을 가지고 지원해 주셨고, 김근일 교수님께서 연구방향의 제시와 공동연구자로 배종섭 교수님을 연결해 주신 덕분에 수월하게 연구를 진행해 갈 수 있었다. 또한 염증반응에서 기존에 알려져 있던 p65라는 인자와 새롭게 기능을 제시하려고 하는 LSD1을 연결하는 과정에 어려움이 있었지만, 함께 연구하는 선후배들과 문헌자료 분석 및 다양한 연구방법을 활용하고 논의하여 극복해 갈 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에 염증반응과 관련하여 LSD1의 기능이 보고된 바가 없었다. 본 연구를 통해서 LSD1의 인산화가 염증반응에서 중요한 역할을 하는 것으로 처음으로 규명했고, LSD1 인산화가 안 되는 돌연변이 마우스를 활용하여 마우스 개체 수준에서도 효과가 나타나는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 치사율이 높아 사회적인 문제가 되고 있는 패혈증을 마우스 모델로 활용하여 Go6976과 GSK-LSD1 등의 저해제 약물들을 주사했을 때, 패혈증에 의한 장기손상을 막고, 생존율을 높이는 효과도 확인할 수 있었다. 이는 이미 진행되고 있는 패혈증을 억제하는 것으로써 패혈증의 악화에 따른 사망률을 막는 보다 근본적인 접근방법이라고 할 수 있어 향후 신개념 패혈증 치료제 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

이번 연구를 통해서 염증반응이 생체 내의 항상성 유지와 면역질환을 제어하는데 매우 중요하다는 것을 새삼 깨닫게 되었다. 앞으로 Go6976이나 GSK-LSD1이 실제로 임상적으로 유용하게 작용할 수 있는지 공동연구 등을 통해서 후속연구가 이루어질 수 있으면 좋겠다. 또한 염증반응에서 LSD1의 기능을 처음으로 보고한 만큼 향후 LSD1이 패혈증 이외의 관절염 등 다양한 난치성 면역질환에서도 역할을 할 수 있는지 연구를 진행해 보는 것도 의미가 있을 것이라고 생각한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구를 진행함에 있어서 가장 큰 추진력은 마우스 실험 결과였다. Lsd1SA/SA 돌연변이 마우스의 경우에는 개체 수 확보의 어려움이 있고, 주로 사용한 BMDM이라는 대식세포는 마우스에서 한 번에 많은 양을 얻기 어려워 마우스 실험은 힘든 과정이었다. 하지만 이러한 것들을 극복하여 돌연변이 마우스를 통해서 염증반응에 의한 조직손상이 극명하게 차이나는 것을 확인하였고, 공동연구를 진행하게 된 배종섭 교수님 연구실의 이원화 박사의 패혈증 마우스 모델 (CLP)에서 이를 다시 한 번 더 확인함으로써 위기를 기회로 삼아 연구 진행에 큰 힘을 얻을 수 있었다고 생각한다. 특히 패혈증이 진행되고 있는 상황에서 저해제들을 마우스에 주사하여 증상을 완화하는 것을 확인하였을 때 가장 큰 희열을 느끼고 연구의 큰 보람을 가질 수 있었다.

...................(계속)

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