바이오인

출처 : 생물학연구정보센터(BRIC)

지질체학(Lipidomics)의 최신 연구동향

존스홉킨스대학 / 박봉수

[목 차]

1. 서론

2. 본론

  2.1 지질체학 소개
  2.2 지질체학의 방법론
  2.3 지질체학과 전사체학의 복합 연구
  2.4 연구동향 및 한계

3. 결론과 맺는 말

4. 참고문헌

[요약문]

지질은 물에 녹지 않는 성질을 지니고 있으며, 지질체는 4,000여 개의 다양한 화합물로서 인체의 다양한 조직과 세포 내부에 존재한다. 인체의 여러 가지 대사작용에 관여하는 지질을 복합적, 체계적으로 연구하는 분야가 지질체학(Lipidomics)이다. 지질체는 표현형(Phenotype)에 가장 가까운 분자 형태를 지니고 있고, 생명 현상의 많은 대사 네트워크(Matabolic Pathway)에 관여한다. 따라서, 전사체(Tranome)와 지질체를 함께 연구하여 분자 수준의 발현과 동시에 지질의 변화까지 자세히 관찰함으로써 더욱 종합적인 연구를 수행할 수 있게 되었다. 지질체는 대부분의 장기와 혈류에 존재하기 때문에, 여러 질병을 예측하는 주요한 바이오마커로 사용되고 있다. 최근, 대사체학(Metabolomics)의 한 분야인 지질체학(Lipidomics)은 종양학과 대사질환 연구 등 여러 가지 분야에 사용되기 시작하였다. 또한, 유전체학(Genomics)을 시작으로 여러 형태의 오믹스(Omics) 데이터를 이용하여 생명 현상을 이해하고 질병을 예측하는 다양한 분석이 많이 이루어지고 있다. 지질체 연구는 분석 화학 기술의 발전과 밀접한 관련을 가지고 있다. 질량분석계(Mass Spectrometry)와 같은 기기의 발전으로 정교한 수준으로 지질을 정량하고 통계적, 생명정보학적 방법으로 분석을 할 수 있게 되었다. 지질체학에 대한 대략적인 소개와 함께 실제 연구주제를 바탕으로 지질체학의 최신 연구 동향을 살펴보도록 하겠다.

1. 서론

인체에는 다양한 분자와 화학물질이 존재하는데, 그 중에 지질(Lipid)은 대사작용에 관여하고 있으며 세포를 이루는 구성물질이 되기도 한다. 자연계에는 지질이 10,000-100,000까지 존재할 것이라고 예측되고 있다[1]. 지질체의 분석은 대사질환과 암 연구 등에 다양하게 쓰일 수 있다[2]. 최근, 지질체의 검출 기술의 도입과 함께 지질체를 시스템적으로 분석하는 분야가 새롭게 대두되고 있다[1]. 지질은 물에 녹지 않는 특성을 지니며, 대표적인 예로 지방산(fatty acids), 왁스(waxes), 아이코사노이드(eicosanoids), 모노글리세드(monoglycerides), 다이글리세드(diglycerides), 중성지방 (triglycerides), 인지질(phospholipids), 스핑고지질(sphingolipids), 스테롤(sterols), 터핀(terpenes)이 있다. 그리고 지방에 녹는 지질로서, 비타민(vitamins A, D, E and K)[3] 등이 있다. 지질체(Lipidomics)는 실제로 다양한 생물학적 경로와 대사 네트워크에 관여하는데 특히 질병에 걸렸을 때, 인체에는 세포 생물학적인 변화와 함께 대사체 혹은 지질체에 이상 증상이 나타나게 된다[4]. 최근, 다양한 응용 연구가 많이 이루어지고 있는데, 지질체는 바이오 마커로서 쓰이기 시작하였다[5]. 임신 중 태반의 건강 상태를 알아보기 위해 여러가지 검사를 실시하는데, 소변(Urine)에 존재하는 지질체를 이용하여 자간전증(preeclampsia)을 확인하는 것이 그 예라 할 수 있겠다(연구발표: Human Placenta Project Meeting 2017). 이 방법은 예측 가능성이 매우 높아서, 임상에 쓰이기 시작되었다.

지질체 방법론을 이용하여, 혈관에서 추출한 혈장(Plasma)과 각종 장기(간, 뇌)에서 나오는 지질의 변화를 연구할 수 있다. 혈장에는 대체로 여러 장기와 혈류에 나오는 지질체가 복합적으로 존재하기 때문에 복잡한 구성 요소를 보이게 된다. 따라서 정교한 분석 방법으로 지질체를 체계적으로 분류하는 생명정보학적인 방법론이 중요해지기 시작하였다. 또한, 지질체학이 최근에 주요한 분야로 떠오르는 이유는 대사작용을 조절하는 신약을 개발하고 테스트 하는데 사용될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 콜레스테롤을 조절하는 데 쓰이는 스테틴(statins)은 여러 대사 작용에 밀접한 영향을 주기 때문에 지질체학을 포함한 대사체의 분석을 통해 환자에게 투여된 약의 효과를 보다 정밀하게 관찰해 볼 수 있다. 지질체학은 컨소시엄을 기반으로 표준화 및 정리 작업이 한창 진행 중이다. 그 예로, 리피드 맵 프로젝트(LIPID MAPS)는 영국 기반의 연구 기관인 웰컴 트러스트(Wellcome Trust)의 지원을 받아 표준화 작업을 진행하고 있다(http://www.lipidmaps.org/ data/standards/).

그림 1. 최근에 등장한 다양한 오믹스 방법론의 피 인용지수 추이. 많은 연구자들이 관심을 가지고 지질체 연구를 다양한 분야에 적용하는 중이다. 최근 들어, 지질체학의 인용지수가 늘어나고 있음을 보여준다. [출처: Markus R Wenk 리뷰, Cell]

2. 본론

2.1 지질체학 소개

지질(Lipid)는 그 역할에 따라 크게 네 가지로 분류할 수 있다. 1) 세포의 막을 형성하는 지질, 2) 에너지와 관련된 지질, 3) 신호전달(Signaling)에 관련된 지질, 4) 그 외 다양한 역할을 하는 지질이 있다. 지질체는 분석 화학적인 기법으로 정량이 되는데, 그 예로 표적이 없는(Un-targeted) 방법과 표적이 있는(Targeted) 방법 등이 존재한다. 그 중 표적이 없는(Un-targeted) 방법은 매우 정교한 기계로 분자의 정량을 분석을 해서 생물학적 샘플 안에 존재하는 지질체를 얻어내는 방법인데, 지질이 정체되는 시간(LC separation)을 측정하거나, 무게와 극성의 비율 방법(mass-to-charge ratio)을 이용한다. 반면에 표적이 있는(Targeted) 방법은 지질체의 정체성(identity)과 그것의 강도(intensity)를 메트릭스 형태로 산출해 낸다. 지질은 그 물리화학적인 특성이 다양하기 때문에 보통 한 가지 방법으로 모든 지질체를 찾아내기는 힘들다. 그리하여 연구자들은 여러 가지 방법을 병행하여 사용하고 있다.

‘그림 2’는 환자의 샘플로부터 어떻게 지질체 정보를 만들어 내는지 설명해 주고 있다. 지질체를 연구하기 위해서는 먼저 지질을 분류하고 정량을 해야 한다. 대표적인 지질을 분류하는 방법으로 색층분석법(Chromatography)이 있다. 이미 상용화된 색층분석 기기인 UPLC (Ultra Performance Liquid Chromatography)를 이용하면, 지질체를 음이온(Negative Ion)과 양이온(Positive Ion)으로 분류가 가능하다[6]. 또한, 질량 분석계(Mass Spectrometry)를 이용하여 측정한 무게를 기반으로 지질을 정량한다. 분류하고 정량한 자료를 이용하여, 생명정보학적인 기법으로 지질체 자료를 만들어낸다. 지질체학 데이터를 이해하기 위해서, KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) 등과 같은 데이터베이스를 이용하면 대사와 관련된 정보를 확인해 볼 수 있다.

그림 2. 대사작용 연구를 위한 지질체학 연구의 소개[4]. 환자로부터 얻어진 샘플로 혈류에 존재하는 지질체를 분석화학적 기법(MS)을 이용하여 정량한다. 생명정보학적인 분석 방법을 이용하여 데이터를 가공하고 정리하여 발견된 지질체의 변화(예, 대조군과 실험군의 차이)를 측정한다. 여러 가지 대사작용과 관련된 지질체의 변화를 살펴보는 것으로 분석이 시작되는데, 그것으로부터 어떤 분자 생물학적 기작이 일어나는지 예측하는 것이 주요한 연구 대상이다. [출처: Han, X, Nature Review[4]]

지금부터는 인체의 활동에 있어서 주요한 몇 가지 지질을 간단히 살펴보도록 하겠다.

2.1.1 글리세롤 인지질(Glycerophospholipids)

세포막의 주요 성분으로, 간단히 인지질(Phospholipid)이라고도 불린다. 인지질은 이중막 구조를 하고 있으며, 진핵세포에서는 세포뿐만 아니라 소기관들(핵, 엽록체, 미토콘드리아)에도 존재한다[3].

2.1.2 글리세롤 지질(Glycerolipids)

글리세롤 지질은 보통 세 가지 형태(mono-, di-, tri-)로 존재한다. 글리세롤은 몸의 다양한 부분에 존재하는데, 그 중에 중성지방(Triacylglycerol)은 에너지 저장 창고로써 사용된다.

2.1.3 스핑고 지질(Sphingolipids)

세포막을 구성하는 매우 중요한 지질이며, 세포를 구조적으로 유지하는 역할을 한다. 스핑코 지질의 항상성(Homeostasis)이 변화하면, 세포막을 이루는 여러 단백질의 기능에 영향을 미친다[7]. 또한 이것의 변화는 세포와 세포 사이의 소통과 접촉(Adhesion)에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 스핑고 지질은 세포의 구조(structure)와 신호전달(signal)에 동시에 관여하는 지질이라고 할 수 있다. 또한, 이것은 여러 대사 질환과 연관되어 있음이 최근 밝혀졌다(인슐린 저항 증후군-Insulin Resistance [8-10]).

2.2 지질체학의 방법론

지질체를 연구하는 것은 다양한 지질을 분류하는 것으로부터 시작될 것이다. 서론에서 소개한 리피드 맵을 살펴보면, 많은 학자들의 협의를 거쳐서 지질의 이름을 표준화 해 놓은 것을 찾아볼 수 있다. 그 예로 ‘표 1’을 살펴보면, 영어 원문과 약자가 표기되어 있는데, 지질의 약자를 알아두면 지질체 데이터를 분석하는데 매우 유용하다. 리피드 맵의 연구자들은 다양한 이벤트 등과 분석 방법론을 공유하는데, 지질체학과 관련된 국제 학회를 주관하고 있다. 또한 지질체를 분석하는 방법론은 미국의 생물정보 학회에서 다루고 있다.

표 1. 국제 지질체 컨소시엄, 리피드 맵에서 표기하는 지질의 분류와 약자

지질체의 표기 방법은 시스템 이름과 공통 이름으로 분류된다. 이는 세계 응용화학, 생화학, 분자생물학 표준을 따르고 있다(IUPAC-IUBMB). 아래의 ‘표 2’는 글리세로 지질의 세가지 종류(Class)를 표기한 예로서, MG, DG, TG와 같은 두 개의 알파벳은 지질체의 약자이며 공통 이름의 괄호로 시작하는 부분은 세부 사항을 표기한 것이다. 글리세로 지질을 그 크기에 따라 모노-, 다이- 트라이-(mono-, di-, tri) “/”로 분류하고 있다. 모노글리세로리피드(Mono-glycerolipids)의 경우에는 첫 번째 부분에만 “16:0”라는 표기가 되어 있으며 나머지 부분은 “0:0”로 해당사항 없음을 알려준다. 즉, 한 개의 글리세로만 지니고 있음을 간략하게 나타내준다. 또한, 모노글리세로 지질의 시스템 이름은 다음과 같다. “1-hexadecanoyl-rac-glycerol”

표 2. 리피드 맵에서 제시하는 표기 기법의 예와 공통 이름(글리세롤 지질)

리피드 맵 데이터베이스를 찾아보면 모노글리세로 지질도 그 종류가 다양함을 알 수 있다(그림 3). 화합물의 종류가 다양하기 때문에 그 무게도 조금씩 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 화학표(Formula)를 살펴보면, 탄소와 수소의 개수에 따라 지질의 종류와 무게가 변하고 있다.

그림 3. 모노글리세로 지질의 다양한 종류. 모노글리세로 지질의 다양한 종류를 보여주며 그에따른 공통이름의 다양성을 보여준다. 화학표와 무게에 따라 분류된다. [출처: 리피드 랩 검색결과]

2.3 지질체학과 전사체학의 복합 연구

전사체학과 지질체학을 복합적으로 연계하여 유전체 분석 네트워크와 대사 분석 네트워크를 복합적으로 이해해 보려는 시도가 이루어 지고 있다. 그 예로, 비만과 당뇨병을 연구하기 위하여 실험용 쥐를 대상으로 지질체학과 전사체학을 복합적으로 연구하여 간에서 중심이 되는 유전자를 발견한 연구 결과도 발표되었다[11]. 전사체는 세포 안에서의 발현에 관한 매우 유용한 정보를 제공해 주며, 그 후 처리 과정(Post Tranion)에서 분해되거나 마이크로 RNA에 의해서 조절되기도 한다. 대사질환 및 암을 연구하는 학자들 사이에서도 전사체학과 지질체학을 연계하여 표현형을 이해해 보려는 사례가 늘어가고 있다. 대조군과 실험군을 비교해 봄으로써 어떤 지질체가 많이 변했는지(증가/감소)를 알아볼 수 있다. 대조군과 다르게 분포하는 지질체(Differentially Enriched Lipids)와 다르게 발현된 유전자들(Differentially Expressed Genes)의 관계를 통합적으로 네트워크를 구축하면 많은 정보들을 추출해 낼 수 있다. 이 과정에서, 리엑톰 데이터베이스 (Reactome Database), KEGG 데이터를 통해서 다양한 유전자와 대사작용에 해당하는 자료를 추출해 내어 비교하게 된다. ‘그림 4C’는 KEGG데이터를 바탕으로 지질체학과 유전자와의 상관관계를 도출해 낸 최근의 연구 결과이다[12]. PPAR 관련 유전자가 대사 작용에 관여하고 있으며, 이것이 직접적으로 지질체의 변화를 가져다 주는 것은 간략하게 표현하고 있다.

그림 4. 일반 다이어트와 높은 지방의 다이어트를 제공한 실험용 쥐의 지질체(Lipidomics)와 전사체 (Tranome)의 비교분석. A. 대조군과 실험군에서 다르게 분포하는 지질체(Differentially Enriched Lipids) 왼쪽의 Heatmap은 고지방 식단을 취한 쥐의 간(liver)에서 중성지방(Triradylglycerolipids)의 여러 종류들이 증가함을 보여주고 있다. B. 오른쪽의 전사체의 결과는 미세먼지/고지방 식단 등의 환경적인 변화를 줌으로써 변화하는 전사체의 변화(The number of differentially expressed genes)를 보여준다. [출처: B Park et al. Epigenetic Marks of Air Pollution and Insulin Resistance, 2017 American Diabetes Association Symposium]

2.4 연구 동향 및 한계

지질체학을 이용하면 암 세포에 존재하는 지질의 변화로 인한 대사 작용의 변화를 발견할 수 있다[13]. 림프종에서 발견된 암세포를 이용하여 지질체의 변화를 분석한 사례가 논문으로 출간되었는데, 흥미롭게도 림프종에서 지질체의 변화와 MYC 유전자의 상관관계를 발견해 냈다[14]. 유방암에서 지질의 변화 추이를 지켜봄으로써 특정 유전자와 지질의 변화를 측정해 보려는 시도도 있었다[15]. 그 결과 인지질(Phospholipids)이 바이오 마커로 유용하며 또한 치료제를 개발할 때에 인지질을 표적으로 하려는 제안이 나오기도 했다. 최근 연구자들은 암뿐만 아니라 다양한 대사 질환에 지질체학이 쓰일 수 있음을 제안한다. 예를 들어, 근육세포와 혈관의 혈장에서 체취한 지질체를 이용하여 인슐린 저항 문제를 살펴보려는 노력이 있었다[16]. 그 결과 근육에 존재하는 스핑고 지질의 이상으로 인슐린 문제를 야기할 수 있다는 결론에 도달하였다. 고지방을 섭취한 쥐는 인체내의 대사작용이 극명히 바뀌면서 지질체의 분포도 확연히 달라진다. ‘그림 5’는 세가지 표기 방법(Heatmap, Networks, Water Fall plot)을 이용하여 실험군(고지방)과 대조군(일반 식단) 사이의 지질체의 변화를 요약해서 설명해준다. 최근에는 지질체학을 이용하여 뇌 관련 질환을 연구하려는 시도도 있었으며(치매- Alzheimer’s Disease), 이와 함께 제약 개발에 접목하려는 시도를 볼 수 있다[17].

그림 5. 높은 지방의 다이어트를 제공한 실험용 쥐의 지질체 변화. A. 왼쪽의 Heatmap은 여러 가지 지질체가 어떤 상관 관계를 보이는지 메트릭스 형태로 보여준다. 붉은 색은 지질 종류의 Positive한 상관관계를 가지며, 파란 색은 Negative 상관관계를 가짐으로써 특정 지질들 사이에도 어떤 형태로 변하는지 확인해 볼 수 있다. B. 가운데의 지질체의 네트워크는 HeatMap를 그래프 형태로 변환시킨 표현법으로 LpSEA (Lipid Set Enrichment Analysis Tool, Manu in preparation) 지질체 분석툴의 결과이다. Tissue #2에서 많은 지질체들이 반대되는 상관관계를 보이는 특징을 보이고 있다. C. 오른쪽의 그림은 폭포 형태의 그림(Water Fall Diagram)으로써 다양한 종류의 지질체를 실험군과 대조군에서 어떤 변화를 보이는지 보여준다 (x-axis: log2 Fold change). 예를 들어, TG의 경우 많은 부분이 실험군에서 증가되지만 몇몇 TG는 줄어드는 결과를 보인다. [출처: B Park et al. Epigenetic Marks of Air Pollution and Insulin Resistance, 2017 American Diabetes Association Symposium]

하지만 지질체연구도 한계점이 있다. 대사체학 전체에 해당하는 내용으로써 대사체는 환경과 시간에 영향을 받으며 매일매일 대사체가 많이 변한다는 점이 연구를 진행함에 있어서 큰 한계점에 속한다[1]. 심지어 쥐를 이용한 실험의 경우 언제, 어디에서 샘플을 채취 했느냐에 따라 많은 차이를 보이기도 한다(복잡성 요인: Circadian Rhythm, Microbiome Variations). 이런 제약으로 인해서 아직은 집단 수준(Population-level)에서 시스템적인 연구가 쉽지 않을 수 있다. 데이터를 해석하는 부분도 생물정보학적인 발전과 표준화가 필요하다. 처음 지질체학이 도입 되었을 때 보다 지금은 많은 부분에 있어서 표준화가 이루어져 있다고 보아야 할 것이다. 하지만, 더욱더 보급화가 이루어진 유전체, 전사체에 비해 생물정보학적인 연구가 계속 진행되어야 할 부분이 남아있다. 특별히 다르게 변화된 지질체학 부분은(Differentially Enriched Lipidomics) 아직 통계적인 정규화(Normalization)과 실험 재현도(Reproducibility)대한 연구가 활발히 진행될 필요가 있다. 마지막으로, 지질체학과 다른 오믹스 데이터와의 통합 분석 분야는 이제 시작되는 단계에 있으며, 더욱 정밀한 분석 방법론과 전문 지식을 갖춘 연구자가 필요한 실정이다.

3. 결론과 맺는 말

지질체(Lipidomics)는 최근 다양한 분석 기법의 향상과 더불어 많은 연구자들이 관심을 가지고 지켜보는 오믹스 자료가 되었다. 유전체, 전사체에 더해 지질체의 결과를 복합적으로 분석함으로써 다양한 연구 방법론을 도출해 낼 수 있을 것이다. 또한, 암과 대사 질환에서 지질체를 이용한 다양한 시도들이 계속해서 이루어 질 것으로 예상된다. 무엇보다도 지질체를 활용하는 연구를 통해 제약 개발을 앞당기고, 질병을 예측하는데 유용한 바이오 마커를 찾는데 쓰일 수 있을 것이다.

4. 참고문헌

==> PDF 참조

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