바이오인

핵심내용

면역세포 미토콘드리아가 당뇨병 유발한다
인체 호르몬으로 미토콘드리아 조절 및 당뇨 치료 기대

□ 면역세포의 미토콘드리아를 타겟으로 하여 당뇨병을 치료할 수 있는 가능성이 제시되었다. 송민호 교수(충남대학교) 연구팀이 면역세포인 대식세포의 미토콘드리아 기능 이상으로 만성 염증이 발생하며, 이것이 당뇨병의 발병 원인임을 규명했다고 한국연구재단은 밝혔다.

□ 당뇨병 환자수는 매년 증가하고 있지만, 아직까지 근본적인 치료법이 제시되지 못했다. 세포 속에서 포도당을 이용하여 에너지를 생산하는 기관인 미토콘드리아가 당뇨병과 밀접한 연관이 있다는 최근 연구결과들이 보고되었다. 그러나 구체적인 발병 과정이나 이를 이용한 당뇨 치료 가능성은 여전히 명확하지 않았다.

□ 연구팀은 대식세포에서 미토콘드리아 기능 이상이 생기면 지방 내 염증과 인슐린 기능 저하가 악화된다는 사실을 규명했다. 당뇨병 환자에게서 염증이 증가되어 있다는 역학 연구들의 근본적인 기전을 밝혀낸 것이다.

□ 또한 미토콘드리아 기능 이상에 대한 방어 기작으로 인체 호르몬인 GDF15가 분비된다. 이 호르몬은 미토콘드리아의 지방산 산화 반응을 도움으로서 기능을 개선시킨다.

 ㅇ 동물실험 결과, GDF15 투여 시 지방 내 염증 대식세포가 37%에서 30%로 감소하고, 몸무게도 6% 정도 눈에 띄게 줄어들었다. 이를 통해GDF15은 지방 내 염증의 완화, 전신 당뇨병의 치료 효과를 보인 것을 확인했다.

□ 송민호 교수는 “이 연구를 통해 면역세포의 미토콘드리아의 기능 이상이 당뇨병의 원인임을 밝혀냈다”라며, “혈당 감소에만 초점이 맞추어진 기존 당뇨병 치료제의 한계를 극복하고, 인체 내 호르몬에 의해 미토콘드리아의 기능을 조절함으로써 염증 완화, 당뇨병을 치료하는 새로운 비전을 제시했다”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(글로벌연구실, 중견연구)의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 4월 19일 게재되었다.

상세내용

■ 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Reduced oxidative capacity in macrophages results in systemic insulin resistance

저자
송민호 교수(교신저자, 충남대학교), 정샛별 박사(제1저자, 충남대학교)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성

  ○대표적 대사질환인 당뇨병은 현대인의 건강을 위협하는 무서운 질병 중 하나이다. 우리나라에서도 과식, 운동부족, 스트레스 증가 등으로 인하여 당뇨병 인구가 늘고 있으며, 2010년 350만 명, 2030년에는 500만 명 이상의 당뇨병 환자가 발생할 것으로 예측되고 있다.
  ○당뇨병의 근본적인 발생원인은 인슐린 저항성에 있다. 인슐린 저항성은 제2형 당뇨병의 주요 병인일 뿐 아니라, 포도당 대사의 장애를 일으켜 혈당의 상승을 유도하고, 고인슐린혈증을 초래하여 혈압이 상승시키고 이로 인해 고혈압 및 심혈관 질환, 협심증을 유발한다.
  ○비만이 발생하면, 근육과 지방세포, 간에서 기능 이상이 생기며, 각각의 조직으로 대식세포의 유입이 일어나 대식세포 수가 증가하는 현상이 나타난다. 이는 각 조직의 인슐린 저항성을 증가시키며, 결국 몸 전체의 인슐린 저항성과 염증반응을 유도한다. 지속적인 연구를 통해, 인슐린 저항성과 지방 내의 대식세포의 축적이 관련이 있음이 밝혀지고, 지방세포에서 분비하는 사이토카인 등이 대식세포의 유입과 축적에 중요한 요인으로 밝혀지고 있다.
  ○국내의 당뇨병 연구는 최근 매우 활발히 진행되고 있으나 당뇨병 병인의 복잡성, 고유 병인 모델의 부재 등으로 독창적 연구방법 및 질병치료를 위한 창의적 해석 방법이 없는 실정이다.

 2. 연구내용

  ○ [배경 및 선행결과]
   -CRIF1 : CRIF1단백은 2003년도 클로닝 되었으며, whole body knockout을 할 경우 embryonic lethality를 보인다.
   -Hippocampus (대뇌 해마) 특이적 미토콘드리아 결손 모델 : 연구팀은 2012년에 해외 학술지에, CRIF1 f/f 마우스를 이용하여, 대뇌특이적 CRIF1 결손 마우스를 제작하고 표현형을 분석하여 발표한 바가 있다. 대뇌특이적 CRIF1 결손마우스는 정상적인 발생을 하지만 12주령 때부터 행동의 이상을 보이며 13주에서 22주 사이에 개체의 생존율이 현저히 감소하는 특성을 보였다. 특히 대뇌 특이적 CRIF1 결손 마우스는 12주령에서부터 뇌의 해마 영역에 존재하는 신경세포들의 세포사멸이 나타났으며, 시간이 지날수록 그 정도가 심해지는 퇴행성 뇌 질환의 특성을 보였다. 더불어 마우스 뇌의 대뇌 피질과 해마 영역에서 분리한 미토콘드리아의 OXPHOS complex가 심각한 손상을 받았다. 이 결과를 바탕으로 뇌 특이적 CRIF1 결손에 의한 대뇌 조직 미토콘드리아 결손 마우스가 뇌 조직을 구성하는 세포들, 특히 대뇌 피질 및 해마 구성 세포의 미토콘드리아 OXPHOS complex에 심각한 손상을 받았음을 알 수 있었다.

  ○이후, 연구팀은 인간 당뇨병 병인으로 제시되는 대식세포 특이적 미토콘드리아 OXPHOS 기능저하 동물모델을 제작하였다. Myeloid cell lineage 특이적으로 원하는 단백질의 결손을 가져오는 LysM-Cre 마우스와 Crif1 f/f 마우스를 교배하였다. 이를 MacHO라고 명명하고, 이 마우스에서 대식세포를 분리하여 미토콘드리아 OXPHOS의 기능에 이상이 온 것을 화인하였다.

  ○대식세포에서 CRIF의 결손으로 인한 미토콘드리아의 기능 이상이 유발되면 고지방식이를 시행하였을 때, 당 불내성(glucose intolerance)과 함께 인슐린 저항성이 유발됨을 알 수 있었다. 또한, 대식세포의 성향을 확인해 본 결과 M2의 활성은 감소되고, M1의 활성 및 염증반응이 증가됨에 따라, 미토콘드리아 내 OXPHOS 복합체가 대식세포에서 염증반응과 함께 전신의 인슐린 저항성을 조절하는 중요한 인자임을 알 수 있었다.

  ○보유한 모델(MacHO)을 대상으로 염증 반응을 완화할 수 있는 여러 물질을 확인하였고, 치료물질 후보 중, Growth differentiation factor15 (GDF15)이 대식세포에서 발생하여 염증을 억제하는 것을 확인하였다. 염증을 억제하는 기전으로는 GDF15이 미토콘드리아에 작용하여 Fatty acid oxidation을 증가시킴으로서 대식세포의 성향을 항염증(M2)으로 바꾼다는 것을 확인하였다.

  ○더불어, 고열량 식이를 수행한 MacHO나 유전적으로 비만 형질을 보유한 ob/ob 마우스에 GDF15을 처리하여 인슐린 저항성의 개선, 당뇨질환의 개선을 확인하였다. 이러한 현상은 이미 염증반응이 존재하는 조직에서 대식세포의 항염증 반응(M2 like polarization)을 유도하며, 이는 GDF15이 염증 반응을 억제하여 생체 내 항상성을 유지하는 단백이며, 당뇨병 치료 물질의 가능성이 있음을 제시하였다.

 3. 연구성과/기대효과 

  ○현재의 당뇨병 치료제는 질병의 원인을 해결하는 치료법이 아니며, 혈당 감소효과에 주된 초점이 맞춰져 있다. 또한 현재의 치료법은 당뇨병 환자의 주 사망원인인 대혈관 합병증의 발생을 억제하지 못하는 실정이다. 따라서 당뇨병의 미충족 의료수요(unmet needs)를 해결하기 위해서는 독창적 병인 개념을 확립하고, 이를 기반으로 치료법을 도출함으로써 당뇨병의 발생 및 진행을 억제하는 것이 필수적이다.

  ○미토콘드리아 기능이상에 의해 발병하는 다양한 질병은 미토콘드리아 질병 모델의 부재와 함께 정확한 발병 기작을 모르는 경우가 많다. 이에 따라 연구팀이 개발한 대식세포 특이적 CRIF1 결손 세포 및 동물 모델은 미토콘드리아 질병을 연구하는데 유용한 모델로 사용될 수 있을 것이다.

  ○여러 선도 물질 중, GDF15에 의한 당뇨병의 전환, 진행에 관여하는 미토콘드리아 기능개선 효과를 확인하였고, 이로 인해 대식세포의 염증 진행을 막음으로써, GDF15의 분자생물학적 역할을 확립하여 인슐린 저항의 새로운 치료 패러다임을 확립했다고 할 수 있겠다.

  ○생활의 수준 향상과 노령화로 인한 대사성 증후군의 폭발적인 증가로 인하여 대사성 질환의 근본 원인인 미토콘드리아 기능이상의 기전연구와 새로운 표적 발굴이 시급한 시점에 있어 이 연구가 크게 기여할 것이라 생각된다.

■ 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 1) 염증반응을 유발시키는 정확한 기작과 더불어 2) 대사질환 발병의 분자 수준에서의 미토콘드리아의 역할과 3) 생체 내 항상성을 유지하고자 하는데 필요한 기작에 대한 연구가 필요하다고 생각했다. 따라서 4) CRIF1의 감소에 의해 유도된 미토콘드리아 기능이상에 의하여 증가되는 단백을 분석하여 특정 단백이 대식세포의 미토콘드리아 기능이상에 따른 염증반응 및 인슐린 저항성에 미치는 영향을 연구하고자 하였다. 또한, 5) 대식세포에서 분비되는 여러 단백 중 인슐린 저항성을 개선 즉, M2와 같은 표현형(M2 like phenotype)으로 분극화(polarization) 되도록 유도하는 단백을 찾아보고자 하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 가장 먼저 설정한 연구방향은 대식세포에서 미토콘드리아 기능이상이 대식세포에 미치는 영향을 이해하고 당뇨병을 유발하는지를 확인하는 것이었다. 연구를 진행하면서 획득한 마우스 모델에서 고지방식이를 시행하였을 때, 당 불내성(glucose intolerance)과 함께 인슐린 저항성이 유발됨을 알 수 있었다. 이때의 대식세포의 성향을 확인해 본 결과 M2로는 활성화가 되지 못하고 M1 쪽으로 더 많이 활성화 되는 것을 알 수 있었다. 따라서 대식세포의 미토콘드리아 내 OXPHOS 복합체의 기능이상이 염증반응을 유발시키는 원인임을 확인할 수 있었고, 이를 바탕으로 당뇨병 치료에 사용 가능한 선도 물질을 획득할 수 있었다.

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

 연구 과정 중 어려웠던 점은 GDF15 단백에 대한 연구가 많이 진행 되지 않아서, 신뢰할 만한 GDF15 ELISA Kit, 웨스턴 분석을 위한 항체(antibody)나 재조합(recombinant) GDF15 단백을 구하는 일이었다. 초기 구매하여 사용한 ELISA kit, 웨스턴 데이터를 폐기하고, 시간이 흐른 후, 재구매 하여 다시 동일한 실험을 시행하였었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 1) 대식세포에서 CRIF의 결손으로 인한 미토콘드리아의 기능 이상이 유발되면 고지방식이를 시행하였을 때, 당 불내성(glucose intolerance)과 함께 인슐린 저항성이 유발됨을 알 수 있었다. 또한 이때의 대식세포의 성향을 확인해 본 결과, 염증반응으로 유도될 수 있는 가능성이 커지는 경향을 보였다. 이를 통해 미토콘드리아 내 OXPHOS 복합체가 대식세포에서 인슐린 저항성을 조절하는 중요한 인자임을 최초로 밝혔다.
 2) 또한, 앞선 연구에서 대식세포의 미토콘드리아 내 OXPHOS의 기능을 향상시켜 M2 like 대식세포로의 활성화가 가능하면, 인슐린 저항성의 치료가 가능함을 보여주었으나, 정확한 마우스 모델이 결여되어 있었다. 우리 연구팀이 보유하고 있는 대식세포 특이적 미토콘드리아 결손 모델을 이용하여 그 기전을 정확히 밝혔으며, 당뇨병 치료에 가능성이 있는 물질을 찾아볼 수 있는 적합한 모델을 제시하였다.
 3) 여러 선도 물질 중, GDF15이 항염증의 기능을 가지고 있어, 당뇨병의 전환 및 진행에 관여하는 미토콘드리아 기능개선 효과를 밝혔다. 따라서 미토콘드리아 스트레스에 의해 분비되는 호르몬인 GDF15의 분자생물학적 역할을 확립하였고, 인슐린 저항성 및 당뇨 치료 가능성을 제시하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 생활의 수준 향상과 노령화로 인한 대사성 증후군의 폭발적인 증가로 인하여 대사성 질환의 근본 원인인 미토콘드리아 기능이상의 기전연구와 새로운 표적발굴이 시급한 시점에 있어 이 연구가 크게 기여할 것이라 생각한다. 대사성 증후군에 의한 경제적 부담은 각국마다 GDP의 약 1.3-3.8%를 차지하는 막대한 규모이므로 이 연구에 따른 원천기술 확보는 국내는 물론 나아가 세계 인류건강복지의 방향정립에 기여할 것으로 확신한다.
 또한, 미토콘드리아 기능이상으로 유발되는 대사증후군에 대한 기본 지식을 확보하여 국제적 경쟁력을 갖추며 이에 준하는 연구 인력을 양성할 수 있으리라 생각한다. 학제간의 융합기술개발을 통하여 국내 미토콘드리아 산업을 촉진하고 의료산업의 활성화를 기대할 수 있을 것이다. 이 연구를 통해 발굴 된 단백은 대사증후군 치료에 있어 새로운 선도 물질이 될 수 있으며, 이는 추후의 연구를 통해 치료제 시장을 개척할 수 있을 것이다.
 마지막으로 미토콘드리아 질환 모델 제작 및 미토콘드리아 질병 환자의 진단에 활용할 수 있을 것이라 생각한다. 미토콘드리아 기능이상에 의해 발병하는 다양한 미토콘드리아 질병이 있으나 아직 정확한 원인을 모르는 경우가 많은 실정이다. CRIF1 결손 세포 및 유전자 결손 동물 모델은 미토콘드리아 질병을 연구하는데 사용되어질 수 있는 유용한 동물 모델로 사용될 수 있을 것이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

 미토콘드리아 스트레스에 의해 생성되는 물질에는 GDF15이외에도 다양한 단백이 존재한다. 우리 연구팀은 GDF15이외에도 다양한 물질에 관심을 기울여 당뇨병 치료를 이끌어내는 다양한 선도 물질을 확인해 보고자 한다.
 더불어, Crif1 f/f 마우스 모델을 이용하여 여러 다양한 조직에서 미토콘드리아 기능이상 모델을 확립하고, 각 조직별 미토콘드리아 기능이상이 다른 조직에 미치는 영향을 분석해 보고자 한다.

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