바이오인

핵심내용

성호르몬의 성체 근육 줄기세포 형성 과정 규명
 - 근육 질환 관련 치료제 개발에 기여할 것으로 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 성체 근육 줄기세포*의 형성 과정을 세계 최초로 규명하였다고 밝혔다.

* 골격근섬유 주변에 존재하는 단핵세포로, 근육 재생을 담당하는 성체 줄기세포  

□서울대학교 자연대 공영윤 교수팀은 사춘기에 분비된 성호르몬이 Mib1-Notch 신호*를 조절하여 성체 근육 줄기세포를 형성시킨다는 연구결과를 국제학술지인 네이쳐 셀바이올로지(Nature Cell Biology, IF: 20.001) 온라인판 8월 23일자에 게재하였다.

   - 논문명 : Sex hormone establish a reserve pool of adult muscle stem cells
   - 저자정보 : 공영윤(교신저자, 서울대 교수), 김지훈(제1저자, 박사과정생)
* ‘Notch’라는 막단백질을 통해 인접한 세포로 신호를 전달하는 체계. 이때, Mib1(Mind bomb1)은 신호를 전달하는 세포 안에서 신호 전달을 조절하는 핵심적인 단백질

□기존 연구를 통해 근육 줄기세포의 분화와 유지가 미세환경* 및 근섬유로부터 영향을 받는다는 것은 이미 알려진 바 있다.
* 줄기세포를 유지하기 위하여 필수적으로 요구되는 환경적 요소로써 다양한 호르몬, 세포, 혈액, 기관 등을 말한다.
 ㅇ 하지만 근육 줄기세포가 구체적으로 언제, 어떻게 분화 및 유지되는지에 대한 이해는 부족한 실정이다.

□ 이에 대해 공영윤 교수팀은 사춘기 시기에 집중적으로 근육이 발달하므로 이 시기에 분명 성체 근육 줄기세포의 형성이 일어날 것이라는 가설을 세우고 연구를 하게 되었으며,

 ㅇ 사춘기에 증가한 혈중 성호르몬이 ‘유아기 활성 근육 줄기세포(Juvenile Satellite Cells)’를 ‘성체 휴지 근육 줄기세포(Adult Quiescent Satellite Cells)'로 바꾸고, 이렇게 형성된 줄기세포는 일생동안 유지 되어 근육이 손상되거나 질병이 생겼을 때 근육 재생에 도움을 준다는 사실을 확인한 것이다.

□본 연구 결과는 성호르몬이 근육 줄기세포의 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 마우스 모델을 활용하여 생체 내에서 증명함으로써, 현재까지 알려져 있지 않았던 근육 줄기세포와 호르몬의 새로운 연결 고리를 찾았다고 평가된다.

 ㅇ 공영윤 교수는 “이번 연구를 통하여 근육 줄기세포의 형성에 대한 새로운 기전을 제시함으로써 근육 소실 및 근이영양증과 같은 근육 질환에 대한 치료법 개발의 가능성을 높였다”고 연구 의의를 밝혔다.

□ 이번 연구는 미래창조과학부 바이오·의료기술개발사업(국가마우스표현형분석 기반구축사업/단장 서울대 성제경 교수)의 지원을 받아 수행되었다.

상세내용

논문의 주요 내용 및 연 구 결 과  개 요

1. 연구의 필요성
◯   일생을 살아가는 동안 우리 몸을 구성하는 각 장기들은 필요한 세포들을 줄기세포로부터 끊임없이 공급받음으로써 그 기능을 하고 있다. 이러한 줄기세포가 일생동안 유지되지 못하거나 필요한 세포로의 분화에 이상이 일어나게 되면 각 장기에 치명적인 손상을 주게 된다. 따라서 줄기세포의 유지 및 분화과정에 대한 이해가 현대 생명과학과 임상의학에 있어 매우 중요한 과제이다.

◯   여러 동물모델 (꼬마선충, 초파리, 마우스)을 이용하여 다양한 조직 (근육, 생식기, 골수, 피부, 신경, 장관, 췌장, 간 등)에서 줄기세포의 은신처인 미세환경의 존재여부는 많은 연구에서 밝혀져 왔으며, 줄기세포의 임상응용 가능성이 제기 되면서 미세환경 자체의 존재 및 기능에 관한 연구가 급속히 진척되고 있다. 그러나 미세환경을 이루고 있는 세포의 구성과 이들이 어떻게 줄기세포의 유지 및 분화를 조절하는지에 대한 기능 분석에 관한 연구나 관련 기작에 대한 이해는 부족한 실정이다.

 2. 발견 원리
◯  현재까지 미세환경으로써 근육 섬유의 기능은 그 가능성만 제시되었을 뿐 직접적으로 규명되지는 못하였다. 특히 근육 줄기세포를 인위적으로 조작하거나, 특정 신호들을 막을 수 있는 저해제를 이용한 기존의 연구들은 각 유전자의 기능만을 제시할 뿐, 근원적으로 생체 내에서 줄기세포의 형성, 유지, 증식, 분화 등에 관련한 세포내 신호전달이 어느 시기에 어떻게 활성화 되는지에 대한 구체적인 기작을 제시하지는 못하였다.

◯  본 연구팀은 근육섬유를 구성하는 세포들이 전달하는 신호인자의 중요성에 주목해 왔으며, 이에 대한 기능을 규명하기 위하여 유전자 변형 마우스를 이용해 신호인자의 각 세포 특이적 기능을 개체 수준에서 규명하고자 하였다.

 3. 연구 성과
◯  근섬유로부터 전달되는 Notch 신호를 특이적으로 제거할 수 있는 유전자 변형 마우스 및 성호르몬 수용체와 성호르몬 결핍 마우스를 이용하여 사춘기에 성체 근육 줄기세포의 형성을 조절하는 근섬유의 기능을 규명하였다. 

◯  사춘기시기 성호르몬의 작용이 근육 섬유에서 줄기세포로 전해지는 Notch 신호에 영향을 주고, 그 결과 줄기세포의 군집 크기를 조절 할 수 있다는 사실을 밝힘으로써 근육 줄기세포 형성에 관여하는 ‘Sex hormone-Mib1-Notch 신호축’을 최초로 규명하였다.

◯  본 연구를 통하여 근육 줄기세포의 형성에 대한 새로운 메커니즘을 제시함으로써 근육 소실 및 근이영양증과 같은 근육 질환에 대한 치료법 개발의 가능성을 높였다.

□ 연구배경
  ㅇ 근육의 재생 과정은 휴지(quiescence) 상태를 벗어난 위성세포(Satellite cell; Muscle stem cell)가 세포 분열을 통해 근아세포(myoblast)를 만들고, 이러한 근아세포들이 손상된 근섬유나 다른  근아세포와 융합함으로써 이루어지게 된다. 활성화된 위성세포 중  일부는 완전히 분화하지 않고 자가 재생(self-renewal)을 통해 새로운 휴지기 위성세포 (Quiescent satellite cells) 집단을 형성하고 유지 되는데, 이렇게 유지되는 위성세포 즉, 성체 근육 줄기세포가 근육 전체의 핵을 가진 세포 가운데 2% 미만인 것으로 알려져 있다. 하지만 근육 재생에 필수적으로 작용하는 이러한 성체 근육 줄기세포가   어느 시기에 형성 되는 지에 대해서는 잘 알려져 있지 않았다.

  ㅇ  위성세포에 대한 기존의 정의 및 이해는 해부학적 근거에 기초한 것으로, 위성세포 중에서도 다양하게 나타나는 분화·재생 능력, 조직에 따른 분포 및 분자적 특징 등의 이해는 미미한 실정이다. 특히 위성세포 자체의 분자적 특징을 분석한 최근의 연구들은, 전통적으로 위성세포라고 알려진 세포들의 뚜렷한 재생 능력(Regeneration capacity)에 주목하고 있으며, 이러한 특징의 규명 및 성체 근육 줄기세포의 형성 과정에 대한 이해는 향후 연구의 중대 사안이 될 것을 시사하고 있다.

  ㅇ 이에 대해 공영윤 교수팀의 이번 논문은 사춘기 시기 급격하게 증가하는 혈중 성호르몬의 증가가 정상적인 근육 발생을 지나온 유아기 활성 근육 줄기세포(Juvenile Satellite cells)의 군집을 성체 휴지 근육 줄기세포(Adult quiescent satellite cell)의 군집으로 형성되도록 하고 일생동안 유지 되어, 근육 손상 및 질병 환경에서 근육을 재생 할 수 있도록 한다는 사실을 밝혀냈다.

□ 연구내용
▶ 성호르몬 주입을 통한 근육 줄기세포 내부의 Notch 신호 활성과 근육 줄기세포의 휴지성(Quiescence) 획득 메커니즘 발견
- 정상적인 근육의 발생과정을 지나온 근육 줄기세포는 대부분 세포 분열 주기의 관점에서 활성화(Actively cycling)된 상태로 존재한다. 이후 성체(생후 8~12 주령의 마우스)가 되면서 휴지기(Quiescence) 상태로 생에 동안의 여러 발달적, 질병적, 환경적 영향에 의하여 다시 활성화 될 때 까지 근육재생과 관련하여 중요한 일정수의 세포 비축풀(Reserve pool)을 유지하게 된다. 우리는 이러한 근육 줄기세포들이 사춘기 시기 (생후 3~4주령의 마우스) 이후로 활성화 된 상태에서 휴지성(Quiescence) 한 상태로 변화함을 발견하고, 성체 근육 줄기세포의 뚜렷한 특징중 하나인 ‘휴지성(Quiescence)이 사춘기 이후 급격하게 증가하는 성호르몬의 영향’이라는 가설을 세웠다. 이를 증명하기 위하여 성숙하지 않은 근육 줄기세포를 가지고 있는 마우스(생후10일)의 피하에 성호르몬을 주사하여 근육 줄기세포 특성의 변화양상을 관찰하였다. 결과적으로 성호르몬이 근육 줄기세포내의 Notch 신호를 활성화 시켜, 미성숙 근육 줄기세포를 성숙된 성체 근육 줄기세포 변화 시킨다는 것을 확인 할 수 있었다.

▶ 근육섬유 내부의 E3 접합 유전자인 Mib1의 Notch 신호의 활성에 대한 기능규명
- 사춘기 동안에 활성화된 근육 줄기세포 내부의 Notch 신호의 기능을 규명하고자, 근육 줄기세포 특이적 Notch1 수용체 조건 적중 마우스를 제작하였다. 흥미롭게도 근육 줄기세포에서 Notch1 신호의 결손이 사춘기시기 근육 줄기세포의 휴지기(Quiescence) 획득에 영향을 주어 성체 근육 줄기세포 비축풀을 크게 감소시키고, 성체 근육 줄기세포의 결핍을 야기하게 된다는 사실을 유전학적으로 확인함으로써 성체 근육 줄기세포 형성에 있어서 Notch 신호가 밀접하게 관련됨을 증명 하였다.
- Notch 신호는 인접한 세포 간 신호전달 체계로, Notch 리간드를 가지고 있는 외부 신호 전달 세포로부터 자극되어 활성화 된다. 우리는 사춘기 동안 활성화 되는 Notch 신호가 주변 환경인 근육섬유로부터의 Notch 신호 자극에 기인 한다는 사실을 근육 섬유 특이적 Notch 신호 조절 E3 접합체인 Mib1 유전자에 대한 근육 섬유 특이적 조건적중 마우스를 통하여 확인 할 수 있었다.
  
▶ 근육 줄기세포 조절 HPG-Mib1-Notch1 axis 규명
- 성체 근육 줄기세포의 형성에 있어서 사춘기 시기의 중요성 규명하고자 사춘기 개시인자의 발현을 조절하는 유전자인 Gonard-trophin-releasing hormone receptor 1 (Gnrh1-/-) 녹아웃 마우스를 제작하였다. 흥미롭게도 사춘기 개시인자의 조절은 근섬유에서 Mib1의 발현을 유전자의 전사 과정에서 영향을 주어 Mib1의 결핍을 유도하고 결국 근육 줄기세포 내의 Notch 신호의 활성을 억제하여 성체 근육 줄기세포의 군집 크기를 작게 만든다는 사실을 확인하였다. 이를 통하여 성체 근육 줄기세포의 형성을 조절하는 커다란 축인 Hypothalamic-Pituital-Gonard (HPG)-Mib1-Notch axis 규명 할 수 있었다. 놀랍게도 성체 근육 줄기세포의 형성은 뇌하수체와 생식선에서 분비되는 호르몬에 의한 이루어진다는 것을 밝힘으로써 개체 내부의 기관들은 끊임없는 상호작용을 통하여 세포의 항상성을 유지하게 된다는 것을 확인 할 수 있었다. 뿐만 아니라 사춘기 시기가 생식선의 발달, 근·골격 발달, 뿐만 아니라 성체 근육 줄기세포의 형성에도 영향을 미치는 매우 중요한 시기임을 시사 하고 있다.   

□ 기대효과
  ㅇ 본 연구 결과는 성호르몬이 근육 줄기세포의 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 개체 수준에서 증명함으로써, 현재까지 알려져 있지 않았던 근육 줄기세포와 호르몬의 새로운 연결 고리를 찾았다. 뿐만 아니라 근섬유가 근육 줄기세포 유지에 필수적인 미세환경임을 직접적으로 증명했다는 데 의미가 있다.
  ㅇ 본 연구를 통해 도출된 결과를 토대로 성체 줄기세포의 형성, 증식, 유지, 분화 과정에 대한 이해를 공고히 함으로써 근육 질환 및 근육 재생관련 질환에 대한 치료법 개발을 가속화할 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 우리 연구실에서 오랜 시간동안 연구해 온 Notch 신호 조절 E3 접합 유전자인 Mib1이 근육 줄기세포를 조절하는 조절 인자로써의 기능을 확인 한 것이 이 연구의 출발이었다. 특히 기존의 연구는 근육에 대한 발생 과정 및 재생 의학적으로 의미가 있는 근육 재생과정에만 초점이 맞춰져 있었다. 그 사이에서 어떻게 성체 근육 줄기세포가 형성이 되는지에 대한 연구가 필요하였고, 특히 사춘기 시기는 2차 성징과 함께 근육발달이 집중적으로 일어나는 시기이므로 이 시기에 분명 성체 근육 줄기세포의 형성이 일어날 것이라는 가설을 세우고 연구를 하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 본 연구의 가설을 검증하기 위하여 6종류의 Knock out 과 Tg 마우스가 사용 되었고 3종류의 Drug treatment 모델, 1종류의 수술적 호르몬 제거 모델을 사용하였다. 단일 연구 주제로는 상당한 수의 동물 모델을 사용한 상대적으로 규모 있는 연구였다. 이를 통하여 뇌하수체-생식선-근육섬유-근육 줄기세포에 이르는 성체 근육 줄기세포 형성 메커니즘을 규명 할 수 있었다.

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

 근육을 구성하는 단핵 세포 중 단 2%정도만이 근육 줄기세포이며, 이를 동정하는데 어려움이 있었다. 관련된 조건을 잡는 것이 많은 시간을 필요로 하였고, 특히 근육 줄기세포 마커인 Pax7을 염색하는 조건을 잡는 데에 2년의 시간이 걸렸다. 관련 전문가의 도움이 절실 하였으나 국내에서 근육 줄기세포의 전문가는 전무한 상황이었고, 국외적으로도 몇몇 그룹만이 관련 노하우를 가지고 있는 상황이었다. 하지만 서두르지 않고 차근차근 조건을 잡았고 결국 염색에 성공 하였다. 그 이후 우리가 세웠던 가설들이 하나씩 증명되어 갔다. 처음 성공하던 그 순간을 지금도 잊을 수 없다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 근육 줄기세포 유지과정과 관련한 본 연구를 통하여, 근육줄기세포의 동정부터 유지 및 분화 조절에 이르기까지의 종합적인 이해를 도모할 수 있다.
  현재까지 미세환경으로서 근육 섬유의 기능은 그 가능성만 제시되었을 뿐 직접적으로 규명되지는 못하였다. 특히 근육 줄기세포를 인위적으로 조작하거나, 특정 신호들을 막을 수 있는 저해제를 이용한 기존의 연구들은 각 유전자의 기능만을 제시할 뿐, 근원적으로 생체 내에서 줄기세포의 형성, 유지, 증식, 분화 등에 관련한 세포내 신호전달이 어느 시기에 어떻게 활성화 되는지에 대한 구체적인 기작을 제시하지는 못하였다. 본 연구는 마우스 모델을 통하여 수행하였으므로 다른 실험적 모델을 이용하였을 경우보다 차후의 임상적 실험에서의 결과와 매우 유사할 것이다. 따라서 생명과학적 결과와 임상적 결과의 일치성이 높고, 생명과학적 연구로 임상적 결과를 예측하는 데 큰 발전이 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 이번 연구결과를 토대로 하여 근육 줄기세포의 노화와 관련된 새로운 주제를 가지고 연구하고 있다. 성체 근육 줄기세포의 형성뿐만 아니라 근육줄기세포의 노화의 비밀을 푸는 것을 다음의 목표로 생각 하고 있으며, 다양한 연구 경험과 여러 연구 파트너들과의 협력을 통하여 아직 시작 단계이지만 박차를 가할 수 있기를 희망한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 본 연구를 마무리하기까지 많은 시간이 걸렸다. 특히 Androgen receptor 및 Estrogen receptor 에 대한 double knock out 마우스를 제작하는 것이 매우 힘들었다. 교배를 통해서 두 유전자 모두의 결손이 있는 마우스를 얻어야하는데, Estrogen receptor Knock out 마우스의 경우 암컷이 불임이라서 16분의 1의 확률로 double knock out 이 얻어지게 된다. 이마저도 실험군과 대조군의 성별을 동일하게 맞추기 위해서는 32분의 1의 확률로 얻어지게 되는 것인데, 이렇게 얻어진 double mutant 마우스에 통계적 유의성을 검증하기 위한 최소한의 실험 표본수를 확보하기 위해서는 많은 시간과 노력이 필요했다. 하지만 여러 동료들의 도움으로 해결 할 수 있었다. 힘들지만 좋은 경험을 했다고 생각된다.

...................(계속)

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