바이오인

핵심내용

사춘기 신체성장 조절 원리 규명
- 영양 부족으로 성호르몬 증가, 발육 억제로 이어져 -

□ 성장기의 영양 상태가 신체 발달에 지대한 영향을 끼치는 원리가 분자 유전학적으로 규명되었다. 현서강 교수(중앙대학교) 연구팀이 초파리 유충의 영양 상태가 성호르몬 활성을 변화시키며, 그 결과 성장 신호가 변하는 과정을 보고했다고 한국연구재단은 밝혔다.

□ 연구모델이 된 초파리는 발생과정이 사람의 성장과 비슷하여 우리의 생명현상을 이해하는 데 큰 도움이 된다. 초파리 유충은 신체가 급격히 성장하다가 사춘기 후반 성호르몬이 최고조로 활성화되면 성장이 서서히 멈춘다. 또한 초파리의 주요 유전자 및 질병 관련 신호전달 체계를 살펴보면 사람의 유전정보가 그대로 보존된 경우가 많다.

□ 연구팀은 사춘기와 같은 제3령기 이후의 초파리 유충에 영양분 공급을 제한했을 때 성호르몬인 엑다이손 생성이 증가하는 것을 발견했다.

  ㅇ 체내 엑다이손 양이 증가하면 인슐린성장인자를 억제하는 호르몬인 Imp-L2의 생성이 활발해진다. 이로써 인슐린성장 신호가 낮아지고 초파리의 신체 성장 속도가 느려진다.

□ 현서강 교수는 “지난 2012년 성호르몬이 몸의 크기를 조절한다는 것을 발표한 데에 이어서, 사춘기 시기 영양 부족이 성호르몬과 성장 신호를 변화시키는 과정을 최초로 밝힌 것“이라며, ”사춘기 영양 부족 및 성호르몬 불균형으로 인한 성장 장애에 대한 새로운 치료·예방법 개발의 밑거름이 될 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행되었으며, 세계적인 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS) 5월 21일 논문으로 게재되었다.

상세내용

■ 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Steroid signaling mediates nutritional regulation of juvenile body growth via IGF-binding protein in Drosophila

저  자
현서강 교수 (교신저자, 중앙대), 이강준 박사과정 (제1저자, 중앙대), 한강식 박사과정 (중앙대), 윤현명 박사과정 (중앙대), 임진주 박사과정 (중앙대), 노수진 박사과정 (중앙대), 이재근 박사과정 (중앙대)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 많은 외부 환경 요인들이 유년기 신체성장에 영향을 주는데, 그 중 가장 큰 영향을 주는 것 중의 하나가 바로 개체의 영양상태이다. 유년기 급격한 성장을 위해 많은 에너지원을 필요로 하기 때문에 이 시기의 제한된 영양상태는 경우에 따라 개체 성장에 큰 영향을 줄 수 있다.
  ○ 세포가 영양상태를 감지하고 성장을 매개하는 신호로 인슐린성장인자 신호전달/TOR 신호전달 과정이 잘 알려져 있다. 하지만 어떻게 개체 수준에서 영양상태 정보가 주요 대사 기관들 사이에서 교신되어 조화롭게 개체의 대사 및 성장이 조절되는가에 대해서는 잘 알려져 있지 않다.
  ○ 초파리의 유충에서 번데기에 이르는 발생과정은 사람의 유년기부터 성인에 이르는 발생과정과 유사한 면이 있다. 유년기부터 사춘기에 이르기까지 급격한 신체성장이 있다가 사춘기 후반 최고조에 이르는 성 호르몬 활성에 의해 성장이 서서히 멈추면서 성적성숙이 완성된다. 그런데 사춘기 시절 영양상태가 이러한 과정에 어떠한 방식으로 관여하여 조절하는지에 대해 거의 알려져 있지 않다.

 2. 연구내용
  ○ 야생형 초파리 유충에 영양공급을 제한할 시 성체의 크기가 급격히 작아진다. 하지만 Imp-L2 유전자 돌연변이 초파리 유충에는 영양공급을 제한해도 성체의 크기가 거의 작아지지 않음을 발견하였다.
     * Imp-L2 : 인간 인슐린 성장인자 결합 단백질인 IGFBP7의 초파리 기능적 유사체이다.
  ○ 초파리의 여러 조직 중 지방조직인 fat body에서 분비되는 Imp-L2가 영양상태에 따른 성장조절에 중요한 역할을 한다는 사실을 발견하였다. 하지만 놀랍게도 Imp-L2의 발현이 기존에 알려져 있는 영양상태 의존적 성장 조절 센터인 fat body 내 인슐린/TOR 신호체계에 의해 조절 받지 않는다는 사실을 발견하였다.  
  ○ 추가적인 실험을 통해 fat body에서의 Imp-L2 발현이 엑다이손 호르몬 신호전달 과정에 의해 조절된다는 사실을 알게 되었다. 또한 fat body내 엑다이손 호르몬 신호전달을 차단할 시 Imp-L2 돌연변이 때와 비슷하게 영양공급 제한에 따른 성체크기 감소가 거의 관찰되지 않았다.
    * 엑다이손 : 초파리의 유일한 스테로이드 호르몬으로서 유충 마지막 시기에서 성적성숙기에 해당하는 번데기 형성을 유도한다.
  ○ 제3령기 유충에 영양공급을 제한할 시 체액 내의 엑다이손 농도가 크게 높아지는 것을 발견하였고, 엑다이손을 직접 유충에 먹일 시 Imp-L2의 발현이 급격히 증가하는 것을 발견하였다. 또한 엑다이손 생성이 저해된 돌연변이 초파리도 영양상태에 따른 개체크기 조절이 제대로 이루어지지 않았다.
  ○ 이러한 결과를 통해 제3령기 유충에 영양공급을 제한할 시 ‘엑다이손 호르몬의 생성 증가 ⇨ fat body내 엑다이손 신호 증가 ⇨ fat body에서의 Imp-L2 발현 증가 ⇨ 개체 성장인자 신호 감소 ⇨ 개체성장 저하 및 성체크기 감소’에 이르는 일련의 과정을 밝히게 되었다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 초파리 개체성장 과정과 인간의 그것과의 유사성에 근거하여, 본 연구결과는 사춘기 시절 영양상태가 개체 성장 및 성적 성숙과정에 어떠한 방식으로 작용할 수 있는지 분자 유전학적으로 설명할 수 있는 기틀을 마련하였다.
  ○ 또한 사춘기 시절 흔히 발생하는 인슐린 저항성 현상을 이해할 수 있는 근간을 마련하였다.
  ○ 이번 연구결과를 근간으로 하는 후속연구를 통해 사춘기 시절 영양상태 및 성호르몬 불균형으로 발생하는 성장장애 및 인슐린 저항성 장애에 대한 새로운 치료 및 예방법이 개발될 수 있을 것으로 기대된다.

■ 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

우리 실험실은 유년기 성장 및 성체 이후 노화과정에 대해 연구를 하고 있고 이를 위해 최첨단 유전학적 연구기술이 적용 가능한 초파리 동물모델을 주로 이용하고 있습니다. 2009년에 초파리 지방조직에서 개체성장에 핵심적으로 작용하는 마이크로RNA를 발견했었고, 2012년에는 초파리 성호르몬이 이 마이크로RNA를 조절하여 개체성장 및 성적 성숙과정을 조화롭게 조절한다는 사실을 발견하였습니다. 이번에 발표한 연구는 이러한 연구의 연장선상에 있는 것으로 개체의 영양상태가 성호르몬의 활성을 조절하여 성장인자 억제 호르몬의 생성을 조절하여 개체성장을 조절한다는 내용입니다.

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

이 논문이 출판되기 까지는 정말 많은 우여곡절이 있었습니다. 이 연구결과는 미국 국립과학원 회보(PNAS) 학술지에 출판되었는데, 이 학술지는 다른 학술지와는 논문 게재 과정이 약간 다릅니다. 미국국립과학원 회원(NAS member)이 최초 논문심의 후 흥미로운 연구라고 생각하면 이 논문을 다룰 에디터를 선정합니다. 선정된 에디터는 다시 이 논문을 심도깊게 살펴볼  피어리뷰어들을 선정하여 논문을 다시 검증합니다. 제 논문의 경우 처음 PNAS에 제출하였을 때 논문 게재를 거절 당했습니다. 하지만 에디터와 피어리뷰어들의 코멘트를 살펴보니 그 내용들이 제 논문의 핵심 결과를 부정할 만한 근거가 부족하였고 쉽게 반박할 수 있는 내용들이었습니다. 그래서 어필메일을 보냈고 이것이 받아들여져 2번의 논문수정 후 최종게재승인메일만 기다리고 있었습니다. 그런데 금방 올 줄 알았던 승인메일이 2달 가까이 오질 않아서 심한 마음고생을 하다가 결국 승인을 받았는데 알고 봤더니, 에디터는 승인을 했는데 NAS member가 승인을 안 하다가 새로운 피어리뷰어에게 논문검증을 다시 부탁했던 겁니다(보통, 수정된 논문은 처음에 검증했던 피어리뷰어가 다시 검증을 합니다). 다행히 새로운 피어리뷰어가 제 논문을 좋게 봐줘서 최종승인을 받게 되었지만, 정말 미국 본토가 아닌 변방의 국가, 연구실에서 주류 과학계의 고정관념을 뚫고 새로운 이론을 주장하는 것이 정말 어렵다는 것을 피부로 느꼈습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

영양상태에 따른 세포의 증식이나 기관의 성장에 관한 사실들은 많이 알려져 있고 지금도 활발히 연구되고 있습니다. 그런데 상대적으로 개체수준에서 영양상태에 따른 개체성장에 관한 분자유전학적 연구는 의외로 많지 않습니다. 주요 성장인자 호르몬들의 작용기전이 알려져 있지만 이것이 개체영양상태 및 개체성적성숙과정과 어떻게 연관되어 조절되는지에 대해서도 잘 알려져 있지 않습니다. 2010년 중앙대 생명과학과에 처음 연구실을 차린 이후 지금까지 연구하고 있는 주제 중 하나가 바로 이것입니다. 제3령기 이전 유충시기에 영양상태가 불량하면 제3령기로의 진입 및 번데기 형성이 늦어지고 개체 크기도 작아집니다. 하지만 제3령기 진입 이후에는 영양상태가 불량해도 번데기 형성이 늦어지지 않지만 개체크기는 여전히 작아집니다. 제3령기 이전 영양상태에 따른 발생시기 및 개체성장 조절 기전은 꽤 밝혀졌지만 제3령기 이후의 기전은 잘 알려져 있지 않은데 이번에 이 과정에서 새롭고 학문적으로 중요한 사실을 밝힌 것입니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

저희 실험실은 유년기에서 사춘기 시기에 이르는 개체성장에 관한 연구와 더불어 성체이후 개체의 노화과정에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 연구실에서 나온 연구결과들을 가지고 계속해서 새롭고 흥미로운 현상들을 관찰하고 그 이유를 추적하는 일을 즐겁게 수행하려고 합니다.

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