바이오인

핵심내용

생체트럭 움직임 도와 허혈반응 촉진하는 단백질 규명

-허혈반응 유도를 통한 줄기세포 이식생착률 향상에 응용 기대-

□ 국내 연구진이 줄기세포의 이식 생착률을 높일 단서를 찾아냈다. 이식시 산소공급이 원활하지 않아 생길 수 있는 산화적 스트레스 등에 저항하는 데 관여하는 단백질을 규명한 것이다.
ㅇ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 한호재 교수(서울대학교) 연구팀이 세포허혈적응*반응을 유도하는 한편 혈소판에서 분비되는 세포재생 유도 물질과 유사한 지질대사체(cP1P)에 의해 조절되는 미세소관 운송단백질의 역할을 규명했다고 밝혔다.
    * 허혈적응 : 혈액공급이 원활하지 않은 허혈환경에 노출된 줄기세포가 산화적 스트레스로 인한 세포기능 저하를 예방하기 위하여 세포대사와 생리기능을 조절하는 것

□ 심근병증, 뇌졸중, 만성 신장병, 만성 퇴행성 관절염 등과 같은 질환에서 줄기세포 이식이 활용되지만 이식 시 세포 내에서 발생할 수 있는 허혈성 손상은 이식 생착률을 저해하는 주된 요인이었다.
ㅇ 허혈유도인자(HIF1α)가 유전정보가 들어있는 핵 안으로 이동하여 당 대사 조절이나 활성 산소종 축적 억제에 관여하는 유전자들을깨우면서 손상에 저항하게 되는데 어떻게 허혈유도인자가 세포핵 안으로 이동하는 지는 알려지지 않았다.

□ 연구진은 세포 내 물질 수송을 담당하는 생체트럭의 주요한 부품인 미세소관 운송단백질(BICD1)이 산소 공급 등이 원활하지 않은 환경에서 허혈유도인자가 핵으로 이동하도록 돕는 것을 알아냈다.
ㅇ 나아가 이러한 미세소관 운송단백질의 활성을 연구진이 개발한 지질대사체(cP1P)로 조절할 수 있음을 알아냈다.
ㅇ 실제 허혈을 유도한 생쥐모델에서 생체트럭 부품을 결손시킨 줄기세포를 이식하였을 때 치료효과가 감소하는 것을 확인하였으며, 반대로 지질대사체(cP1P)를 병용 투여하였을 때 줄기세포의 이식 생착률을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

□ 한호재 교수는 “이번에 규명된 BICD1의 생리학적 역할은 줄기세포의 허혈적응을 향상시키기 위한 치료제 개발에 응용될 수 있을 것이며, 세포대사 조절효과가 확인된 cP1P는 새로운 줄기세포 치료 효능향상 물질로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.” 고 설명했다.
ㅇ 김선원 한국연구재단 차세대바이오단장은 “줄기세포에서 효과적인 허혈적응반응을 유도하는 미세소관 운송단백질의 기능 규명은 향후 줄기세포 분야 발전에 크게 기여할 것이다.”이라고 평가했다.
ㅇ 과학기술정보통신부·한국연구재단 바이오의료기술개발사업 및 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 네이처(Nature) 자매지 ‘셀 데스 & 디지즈‘(Cell Death & Disease)에 8월 5일 게재되었으며 또한 ‘셀 데스 & 디퍼런시에이션’(Cell Death & Differentiation)에 지난해 11월 게재되었다.

상세내용

<논문명, 저자정보>

논문명

1. BICD1 mediates HIF1α nuclear translocation in mesenchymal stem cells during hypoxia adaptation.

2. O-cyclic phytosphingosine-1-phosphate stimulates HIF1α-dependent glycolytic reprogramming to enhance the therapeutic potential of mesenchymal stem cells.

저자

1. 한호재 교수(교신저자, 서울대학교), 이현직 박사(제1저자, 서울대학교), 정영현(서울대학교), 오지영 박사(연세대학교), 최지은(서울대학교), 채창우(서울대학교), 김준성(서울대학교), 임재룡(서울대학교), 김서일(서울대학교), 이세중 교수(대구한의대학교), 성제경 교수(서울대학교)

2. 한호재 교수(교신저자, 서울대학교), 이현직 박사(공동 제1저자, 서울대학교), 정영현(공동 제1저자, 서울대학교), 최지은(서울대학교), 김준성(서울대학교), 채창우(서울대학교), 임재룡(서울대학교), 김서일(서울대학교), 이주은(서울대학교), 박민철(서울대학교), 윤지현(서울대학교), 최명준 박사(Axcesobiopharma), 김계성 교수(한양대학교)

<연구의 주요내용>

1. 연구의 필요성
 ○ 줄기세포 이식 시 허혈환경에 노출된 줄기세포 내에서 생성되는 산화적 스트레스는 세포의 기능저하와 더불어 사멸까지 일으키는 주요 위험인자이다. 이때 줄기세포는 산화적 스트레스를 감소시키는 방향으로 세포대사와 생리기능을 조절하는데 이를 허혈적응이라고 한다.

 ○ 허혈적응의 조절은 줄기세포 이식 시 발생하는 산화적 스트레스로 인한 이식 생착률 저하 및 이식치료효과 저하 현상을 개선시킬 수 있는 치료전략으로 여겨지고 있으며, 실제로 허혈유도인자를 과발현 시키거나 허혈 전 처리법을 적용하여 허혈적응을 유도했을 때 줄기 세포의 기능과 이식 생착률을 증가시킨 연구결과가 있다.

 ○ 허혈유도인자 HIF1α는 전사, 번역, 안정화, 번역후수정과 같은 다양한 경로를 통해서 활성이 조절된다고 알려져 왔다. 하지만 허혈환경에서 HIF1α가 전사적 활성을 조절하기 위해서 어떻게 핵으로 접근하고 핵 내로 이동하는지에 대해서는 자세히 알려진 바가 없었다.

 ○ 따라서 HIF1α의 핵 이동 조절기전에 관한 이해는 줄기세포의 효과 적인 허혈적응유도와 산화적 스트레스 제어법 개발을 위해서 꼭 필요하다.

 2. 연구내용
 ○ 허혈환경에 노출된 줄기세포에서 HIF1α의 핵 이동 조절기전을 규명 하기 위하여 먼저 HIF1α와 결합하는 미세소관 매개 수송단백질들을 탐색하였으며, 그 결과 BICD1와 Dynein* 단백질이 HIF1α와 결합하고 있음을 확인하였다. BICD1에 특이적인 유전자의 발현을 억제했을 때 HIF1α의 핵 이동과 활성이 감소하였으며, 반대로 과발현했을 때는 증가하였다. 이러한 BICD1의 작용은 허혈환경에서 활성화되는 Akt/GSK3β 신호 활성을 통해서 유도됨을 증명하였다.
      * Dynein: 미세소관 매개 수송 운동단백질로서 (–)방향 수송을 매개한다.

 ○ 허혈환경에 노출된 줄기세포에서 BICD1의 생리학적 역할을 조사 하였다. BICD1 발현이 억제된 줄기세포는 허혈환경에 의해 유도되는 해당과정 증가가 관찰되지 않았을 뿐 아니라, 세포내 활성산소종 수준과 세포사멸 또한 증가되었다. 또한 BICD1의 발현 억제는 허혈전처리를 통해 허혈적응이 유도된 줄기세포의 이식 생착률과 상처 치료효율을 현저히 감소시켰다. 반대로 GSK3β 발현 억제는 줄기세포의 허혈적응을 극대화시켜 이식 생착률과 조직재생 효과를 향상시켰다.

 ○ BICD1을 매개로 한 허혈적응조절물질을 개발하기 위하여 여러 물질을 탐색하던 중, 지질대사체인 파이토스핑고신-1-포스페이트(P1P) 의 유도체 cP1P가 BICD1의 발현을 증가시켜 허혈유도인자 HIF1α의 핵 이동을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라 cP1P 처리를 통하여 줄기세포의 허혈성 손상을 억제하고 이식치료효과를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 이번 연구 성과는 다양한 유전자 조절 기술을 통하여 BICD1이 미세 소관을 매개로한 HIF1α의 핵 내 수송을 중개하는, 중요한 생리적 역할을 담당하고 있음을 규명하였다는 데에 학문적 의의를 가진다. 또한 cP1P를 이용해 HIF1α의 핵 내 수송을 조절할 수 있음을 보여줌으로써 cP1P가 가진 줄기세포 치료제로서의 잠재성을 증명하였다.

 ○ 유전자 편집과 cP1P를 이용한 BICD1 매개의 허혈적응 조절은 허혈성 심장질환, 뇌질환, 신장질환에서의 줄기세포 이식 생착률과 이식 치료효율을 향상시킬 수 있는 새로운 줄기세포 조절전략이 될 것이다.

 ○ 줄기세포 외에도 분화세포의 이식, 암세포의 허혈적응 조절을 통한 항암제 개발, 미세소관 네트워크 조절이 중요한 신경퇴행성 질환 연구에 응용될 것으로 기대된다.

<연구이야기>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

연구진은 줄기세포 이식효율을 개선시키기 위한 연구를 진행해오던 도중, 허혈적응을 이용하여 세포대사전환효율을 증가시키는 방안을 고민하고 있었다. 허혈유도인자 HIF1α와 조절 단백질 VHL의 핵 이동이 HIF1α의 안정화와 밀접한 연관이 있다는 연구결과가 발표되었다. 이에 허혈환경에서 미세소관 네트워크를 매개로 한 HIF1α의 핵 이동 기전을 규명하고 조절전략을 개발하기 위해 해당 연구를 진행하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 연구는 서울대학교 한호재 교수 연구팀 주도로 진행되었으며, 한양대학교 김계성 교수 연구팀과 Axceso Biopharma 최명준 박사팀이 cP1P 개발에 참여하였다.

BICD1 단백질의 발굴 및 역할 규명을 위해 다양한 유전자 조절 및 분석 기법이 활용되었다. 후보 단백질 선정과 다양한 실험적 접근을 토의하기 위해 연구진 간의 많은 회의를 거쳤으며, 그 결과 긴밀한 협력 속에서 연구가 진행될 수 있었다. 이 연구는 단백질의 새로운 역할 규명에 관한 연구였기에 재현성을 확보하는 것이 무엇보다 중요하였다. 따라서 이를 위해 많은 시간과 연구역량이 투입되었다.

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

연구 초기 HIF1α와 결합하는 후보 단백질을 선정하는 과정에서 연구진 내부에서 많은 토의가 있었다. 당초에 관련분야에 보고된 연구가 거의 없어 후보 단백질을 선정하고 발굴하는 것 자체가 도전적이었다.

따라서 단서를 찾기 위한 직/간접적인 자료를 모으고 분석하는데 많은 시간이 소요되었다. 세포 신호 활성 분석, 단백질구조 분석, 데이터셋 분석 자료를 토대로 후보 단백질을 선정하였다. 동료 연구자들의 도움으로 수많은 시도 끝에 많은 후보 단백질 중 BICD1이 HIF1α 핵 이동에 관여하는 것을 발견할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

허혈환경에서 HIF1α가 안정화를 위해 어떻게 핵 내로 이동하는지에 대해서는 거의 알려진 바가 없었다. 이 연구는 BICD1을 매개로한 HIF1α 핵 이동 조절기전을 규명함으로써 허혈적응 조절에 관한 새로운 접근전략을 제시하였으며, 더 나아가 BICD1 매개 허혈적응 유도물질로서 cP1P를 제시하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

생체트럭을 이용한 허혈적응 조절 기술은 향후 줄기세포 치료제뿐만 아니라 허혈성 심장질환, 뇌질환, 신장질환 등에 활용될 것으로 기대된다. 또한 암세포의 허혈적응 작용을 표적으로 한 새로운 항암제 개발, 바이오 장기 이식 치료법, 알츠하이머나 파킨슨과 같은 신경 퇴행성 질환 치료법 개발 연구에도 적극 활용 될 것이다. 다만 세포 특이성에 의한 생체트럭 조절 기전이 다를 수 있기 때문에 정밀한 조절을 위한 깊이 있는 후속 연구가 병행되어야 할 것이다. 따라서
질환과 기술의 적용대상에 따른 특이적인 생체트럭 조절 전략 개발과 물질 발굴이 꼭 필요하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

본 연구진이 규명한 BICD1 조절기전을 바탕으로 세포 노화를 억제하거나, 산화적 스트레스에 대한 저항성 강화를 통한 이식 후 생착률이 획기적으로 향상된 줄기세포 치료제 개발 및 바이오 장기 이식 효율 증진 연구를 진행하여, 난치병 또는 생활밀착형 질환으로부터 고통 받는 환자들의 세포 치료 전략을 수립하는데 도움을 주고 싶다.

현재 천연 및 생체 물질을 이용하여 줄기세포의 이식 치료효율을 증가시키기 위한 새로운 치료제 개발 연구를 진행하고 있으며, 이와 동시에 줄기세포 대사와 염증조절 작용 간의 상관관계 규명을 통한 새로운 치료 표적을 발굴하는 등 다양한 난치성 질환에 대한 줄기세포 치료제의 임상적 적용을 증진시키기 위한 후속 연구가 진행 중에 있다.

...................(계속)

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