바이오인

갈색지방 열 생성에 관여하는 신규 단백질 규명

LETMD1 단백질의 갈색지방 열 생성 제어 기전을 새롭게 규명…단백질 위치도 밝혀내

열 생성을 통해 에너지 소모를 촉진시켜 비만 등 대사성 질환 치료에 활용 기대

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연)은 대사제어연구센터 김원곤‧배광희 박사와 카이스트 서재명 교수 공동연구팀이 갈색지방의 열 생성을 제어하는 새로운 단백질을 규명하는 데 성공했다고 밝혔다.

ㅇ 이를 통해 향후 열 생성을 통한 에너지 소모를 촉진하게 해 비만 등 대사성 질환 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 갈색지방조직은 지방 저장 기능을 가진 백색지방조직과 다르게 지방을 연소시켜 체온을 유지하고 추위를 견디게 하는 작용을 한다.

ㅇ 추위에 노출되면 인체는 골격근이 수축, 이완하며 열을 만들어 내지만 이것만으로는 체온 유지가 어려워 골격근, 내장근, 갈색지방조직 등이 추가로 열을 발생시키며 체온을 유지해 나간다.

ㅇ 때문에 갈색지방조직은 겨울잠을 자는 동물에서 풍부하게 나타나며, 인간은 신생아 때는 많다가 성인이 되면 사라지는 것으로 알려졌으나, 최근 연구 결과에 따르면 성인이 되어도 일부 남아있는 것으로 파악되었다.

□ 특히, 갈색지방조직은 나이나 대사적 활성 특히, 비만과 반비례 관계인 것으로 나타나 비만이나 대사질환 제어의 새로운 타겟으로 떠오르고 있지만 열 생성을 통한 에너지 소모에 관한 연구가 부족한 실정이다.

□ 연구팀은 LETMD1(LETM1 Domain Containing 1) 단백질이 에너지를 열로 전환하는 조절인자라는 사실을 새롭게 밝혀내었다.

ㅇ LETMD1 단백질은 다양한 암세포에서 많이 발견되어 종양 억제와 관련된 유전자로 알려져 있다.

ㅇ 연구팀은 유전자 발현 분석 결과와 단백체 분석 결과를 기반으로 LETMD1 단백질이 갈색지방조직의 발달 과정에서 선택적으로 발현하고 있다는 사실을 발견하였다.

ㅇ 그리고 이에 착안하여 LETMD1 단백질을 제거한 마우스를 추위에 노출시키자 기존 갈색지방조직의 열 생성 유전자로 알려진 UCP1 (Uncoupling Protein 1)의 발현이 억제되면서 체온과 호흡을 유지하지 못한다는 결과를 통해 LETMD1이 UCP1보다 상위에서 열 생성에 관여함을 최초로 규명하였다.

□ 연구팀은 나아가 LETMD1 단백질이 갈색지방 내 미토콘드리아 기질에 위치한다는 사실도 알아내었다.

ㅇ 그동안 LETMD1 단백질은 미토콘드리아 외막에 위치하는 것으로 알려졌으나, 근접 표지 효소를 이용해 분석한 결과 미토콘드리아 기질에 위치하는 것을 확인하였다.

□ 연구책임자인 김원곤 박사는 “이번 연구성과는 착한 지방인 갈색지방조직의 열 생성 조절인자로 널리 알려진 UCP1보다 LETMD1 단백질이 상위에서 작용함을 최초로 밝혀낸 것.”이라며,

ㅇ “향후 LETMD1 단백질 제어를 통해 비만과 같은 대사성 질환의 치료와 예방 연구에 활용될 수 있을 것이다.”라고 말했다.

□ 또한, 제1저자로 이번 연구를 주도한 박안나 박사는 “LETMD1 단백질의 기능과 미토콘드리아 내 새로운 위치가 확인된 만큼 관련 분야의 중요한 과학적 기초자료로 사용될 것으로 기대한다.”라고 말했다.

□ 한편 이번 연구성과는 6월 23일 바이오 분야의 세계적인 국제 학술지인 Nature Communications(IF 16.6) 온라인 판에 게재되었으며,

(논문명 : Mitochondrial matrix protein LETMD1 maintains thermogenic capacity of brown adipose tissue in male mice / 교신저자 : 생명연 김원곤‧배광희 박사, 카이스트 서재명 교수 / 제1저자 : 생명연 박안나 박사, 카이스트 김광은 박사)

ㅇ 과기정통부 중견연구자 지원사업, 산업자원부 알키미스트사업, 국가신약개발사업, 생명연 주요사업, 카이스트 주요사업의 지원으로 수행되었다.

연구 결과 개요

□ 연구배경

○ 갈색지방조직은 백색지방조직과는 달리 열 생성을 통해 에너지를 소모할 수 있어 비만과 대사 질환의 새로운 표적 장기로 떠오르고 있다.

○ 이 과정에서 갈색지방조직 미토콘드리아 내의 짝 풀림 단백질(UCP1)이 핵심 인자로 여겨지고 있으나, 다른 인자에 관해서는 많이 알려지지 않았다.

○ 본 연구에서는 오믹스 분석과 유전자 결핍 마우스를 통해 신규 인자의 기능을 규명하고자 하였다.

□ 연구내용

○ 본 연구팀은 유전자 발현 분석과 단백체 분석 결과를 활용하여 1) 갈색지방조직에 풍부하고, 2) 미토콘드리아에 있으며, 3) 추위 자극에 반응하는 단백질을 선별하였다. 그 중 LETMD1이라는 단백질이 갈색지방조직의 분화 및 발달단계에서 선택적으로 발현되고 있음을 발견했다.

○ 이후 근접 표지 기법을 통해 LETMD1 단백질이 기존 보고와는 달리 미토콘드리아 기질에 위치하고 있음을 새롭게 확인했다.

○ LETMD1 유전자 결핍 마우스를 제작하여 추위에 노출 시킨 결과, UCP1 단백질의 발현이 억제되어 있어 체온과 호흡을 유지하지 못한다는 결과를 관찰했으며, 기전 연구를 통해 LETMD1이 UCP1에 상위에 존재하면서 호흡복합체의 발현과 기능에 영향을 준다는 사실을 밝혔다.

□ 연구성과의 의미

○ 본 연구팀은 갈색지방조직에서 에너지 항상성을 조절할 수 있는 새로운 인자를 규명했다. 열 생성을 통해 에너지를 소모할 수 있으므로 비만 등 대사성 질환을 제어하는데 이바지할 수 있을 것으로 기대한다.

연구 결과 문답

용어 설명

1. 갈색지방조직(Brown adipose tissue, BAT)

◦ 지방 저장을 주요 기능으로 하는 백색지방조직과 다르게 갈색지방조직은 지방을 연소함으로써 열을 생성함으로 체온을 유지하는 대표적인 기능을 가지며, 백색지방과 비교해 더 작은 지방 방울과 훨씬 많은 미토콘드리아를 포함함.

◦ 갈색지방조직은 체온 유지를 위해 특히, 신생아와 동면하는 포유류에 풍부하다고 알려졌으며, 최근에는 성인에게도 존재한다는 것이 알려졌으며 나이 또는 대사적 활성, 특히 비만과 반비례 관계를 보인다고 보고됨.

2. 미트콘드리아(Mitochondria)

◦ 미토콘드리아는 진핵세포 안에서 세포호흡을 담당하는 세포소기관으로 에너지를 만들어 생명을 유지시키는 기능을 함. 미토콘드리아는 세포막과 같은 형태가 내막과 외막으로 2중으로 겹쳐진 이중막 구조를 가지며, 내막 내부를 기질(matrix)라고 부르며, 내막과 외막 사이를 막간 공간 (intermembrane space)라고 한다.

3. 골격근

◦ 뼈에 붙어서 인체의 골격을 움직이는 작용을 하는 근육

4. 내장근

◦ 소화 기관이나 심장과 같이 신체의 내장기관을 구성하는 근육과 그 밖에 의자와 관계없는 자율적인 운동에 관여하는 근육

5. 근접 표지 효소 활용 분석 기법

◦ 이웃 단백질 효소를 통해 근처의 단백질을 체내에서 공유결합으로 표지하여 일시적으로 단백질–단백질 상호 작용을 통해 표적 단백질을 확인하는 방법

그림 설명

그림 1. LETMD1 단백질이 갈색지방에서 특이적으로 발현함을 확인

(A) 갈색지방(BAT), 피하 백색지방(iWAT), 내장 백색지방(eWAT), 간(Liver), 종아리 근육(GAS)에서 LETMD1 단백질 발현을 확인한 결과, 갈색지방에서만 특이적으로 발현함

(B) 갈색지방조직 발달단계별 LETMD1 유전자 발현을 마우스 모델에서 출생 1일(P1), 7일(P7), 14일(P14) 경과 시점에 확인한 결과, 갈색지방조직의 발달에 따라 LETMD1의 발현 또한 증가함을 확인

그림 2. LETMD1의 갈색지방 열 생성 제어기전 확인

(A) LETMD1 단백질이 정상적으로 발현하면 UCP1도 정상적으로 발현(WT)하지만 LETMD1 단백질의 발현을 억제하면 UCP1의 발현도 억제됨(KO)

(B) LETMD1 단백질이 정상적으로 발현한 마우스는 추위 노출 시 체온을 유지하지만(WT), LETMD1 결핍 마우스는 추위노출 시 체온 유지를 못함(KO)

(C) LETMD1 단백질이 정상적으로 발현한 마우스는 추위 노출 시 호흡을 유지하지만(WT), LETMD1 결핍 마우스는 추위노출 시 호흡량이 감소함(KO)

(D) LETMD1 단백질이 정상적으로 발현한 마우스는 추위 노출 시 갈색지방을 유지하지만(WT), LETMD1 결핍 마우스는 추위노출 시 갈색지방이 백생지방화됨(KO)

그림 3. 미토콘드리아 내 LETMD1 단백질 위치 확인

(A) 근접 표지 효소(APEX2)를 이용해 라벨링 된 단백질이 미토콘드리아 기질에 있는 경우 미토콘드리아 안쪽으로 전반적 염색되거나(왼쪽), APEX2에 의해 라벨링된 단백질이 미토콘드리아 내막과 외막 사이에 있을 경우 미토콘드리아 끝부분으로 염색(오른쪽)되도록 설정

(B) APEX2-LETMD1의 결합이 미토콘드리아 안쪽으로 염색되어 LEMD1은 미토콘드리아 외막이 아니라 기질에 있음을 확인

(C) 면역침강법을 이용해 LETMD1의 미토콘드리아 기질에 존재함을 추가로 검증