바이오인

핵심내용

비만과 지방간 억제하는 새로운 신호경로 규명
- 비만, 비알코올성 지방간에 대한 유전적 치료제 개발 가능성 열어 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 백성희 교수(서울대), 황성순 교수(연세대) 공동연구팀이 “알오알 알파(RORα) 핵수용체*가 간 내 지방 대사를 조절해 비만과 비알코올성 지방간을 억제할 수 있는 새로운 기전을 규명했다”고 밝혔다.

  * RORα 핵수용체 : 핵수용체는 세포 내에서 스테로이드 호르몬 등과 결합한 뒤 DNA에 직접 결합해 유전자의 발현을 조절하는 단백질로, RORα(Retinoic-acid related Orphan Nuclear Receptor α)는 다양한 대사와 생리학적인 경로에 관여하는 핵 수용체

□ 비만은 비알코올성 지방간, 제2형 당뇨병, 심혈관계 질환 등 각종 대사 질환들을 일으킬 수 있는 질병이다. 잘못된 생활습관과 식습관 뿐만 아니라 유전적 요인 역시 비만을 유발하는 중요 인자라는 사실이 밝혀지면서, 어떤 유전자에 의해 비만이 조절되는지에 대한 연구가 증가하고 있다.

□ 기존에 RORα는 지방 대사를 촉진시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있었다. 그러나 이번 연구에 따르면 정반대로 RORα가 간 내 지방 대사를 억제시킨다는 사실이 밝혀졌다. 비만은 물론 비알코올성 지방간을 억제할 수 있는 새로운 신호 전달 경로를 발견한 것이다.

  ㅇ 연구팀은 RORα를 간 조직에서만 없앤 ‘간 특이적 RORα 유전자 결핍 생쥐*’에 고지방식을 먹여본 결과, 정상 생쥐에 비해 비만과 비알코올성 지방간이 더욱 심하게 발생되었음을 확인하였다.

    * 간 특이적 RORα 유전자 결핍 생쥐(Liver-specific RORα conditional knockout mouse) : 간에서만 RORα 유전자가 결핍된 유전자 변형 생쥐

  ㅇ 연구팀은 이어 RNA 시퀀싱*을 통해 RORα 결핍 생쥐에서 피피에이알 감마(PPARγ)** 신호 전달체계가 활성화된 것을 확인했다. 또한 RORα 결핍 생쥐에 PPARγ 억제제 GW9662***를 먹이면, 비만과 비알코올성 지방간이 발병하지 않음을 확인했다. 이를 통해 RORα가 PPARγ 활성을 조절함으로서 지방 대사의 항상성을 유지하는 역할을 한다는 사실을 규명해냈다.

    * RNA 시퀀싱(RNA-sequencing) : 전체 RNA의 염기서열을 확인하는 차세대 염기서열 분석법

    ** PPARγ : 비만이 일어날 때 간에서 지방 대사를 촉진하는 역할을 하는 핵수용체

    *** GW9662 : PPARγ의 활성을 억제하는 합성억제제.

□ 백성희 교수는 “RORα가 PPARγ 활성화를 억제함으로써 간에서의 지방 대사를 조절해 비만을 억제하는 기전을 규명했다”며 “비만과 비알코올성 지방간을 위한 신개념 치료제 개발에 새로운 전기를 마련할 것”이라고 이 연구의 중요성과 의의를 밝혔다.

□ 이 연구는 과학기술정보통신부ㆍ한국연구재단 기초연구사업(개인연구) 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 7월 31일자에 게재됐다.

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : RORα controls hepatic lipid homeostasis via negative regulation of PPARγ tranional network
   - 저자 정보 : 백성희 교수 (공동교신저자, 서울대 생명과학부), 황성순 교수 (공동교신저자, 연세대 의과대학 의생명과학부), 김경규 박사과정 학생 (공동 제1저자, 서울대 생명과학부), 부경진 박사 (공동 제1저자, 서울대 생명과학부)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

  ○ 비만은 대한민국 성인의 3명 중 1명이 비만 환자일 정도로 흔한 질병이다. 또한 비만은 비알코올성 지방간, 당뇨병, 심혈관계 질환 등 여러 대사 질환을 일으키는 원인이기 때문에 비만 치료의 필요성이 사회적으로 점차 부각되고 있다. 

  ○ 핵수용체는 세포내에서 스테로이드 호르몬 등과 같은 리간드와 결합한 뒤, DNA에 직접 결합하여 유전자의 발현을 조절함으로서 다양한 생명 현상을 조절한다고 알려졌다. 핵수용체 중 결합하는 리간드가 알려지지 않은 핵수용체를 고아 핵수용체라고 한다.

  ○ 고아 핵수용체 중 RORα (알오알 알파)는 소뇌 발달 과정과 생체 리듬을 조절하고 암 발생을 억제하는 역할이 알려져 있으나, 대사 과정에서의 기능은 잘 알려지지 않았다.

 2. 연구 내용

  ○ 연구팀은 대사 과정에서 RORα의 기능을 정확히 연구하기 위해 RORα을 간 조직에서만 특이적으로 없앤 (간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스)를 제작하였다.

  ○ 고지방식을 먹여서 비만을 유도한 결과, 정상 마우스에 비해 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스에서 비만이 더욱 심하게 유도됐을 뿐만 아니라, 비알코올성 지방간 또한 더욱 심하게 유발되었음을 확인하였다.

  ○ 비만이 유도되는 상황에서 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스에서 PPARγ (피피에이알 감마) 신호 전달체계의 활성도가 정상 마우스에 비해 많이 증대되어 있음을 RNA-sequencing* (RNA 시퀀싱)을 통해 확인하였다.

    * RNA-sequencing : 전체 RNA의 염기서열을 확인하는 차세대 염기서열 분석법
    * PPARγ : 비만이 일어날 때, 간에서 지방 대사를 촉진하는 역할을 하는 핵수용체

  ○ RORα는 PPARγ와 DNA에 결합하는 서열이 유사하다는 특성을 이용해 PPARγ가 결합하는 DNA 서열에 경쟁적으로 결합하여 PPARγ가 활성화되는 것을 막는 역할을 하는 것을 밝혀내었다.

  ○ PPARγ의 억제제인 GW9662를 정상 마우스와 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스에 고지방식과 같이 먹였을 경우, 정상 마우스와 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스에서 비만과 비알코올성 지방간의 발병이 일어나지 않음을 확인하였다.

3. 연구 성과

  ○ 대사 과정에서 RORα의 기능은 정확하게 정의되지 않았는데 이번 연구를 통해 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스를 제작하여 RORα가 간에서 지방 대사를 억제하는 역할을 수행함을 규명하였다.

  ○ RORα는 간에서 또 다른 핵 수용체인 PPARγ과 동일한 DNA 영역에 결합할 수 있는 능력을 이용해서, 비만이 일어나는 상황에서 활성화되어야 하는 PPARγ를 억제하여 비만 대사의 항상성을 유지하는 역할을 수행함을 규명하였다. 이를 통해서 RORα가 간에서 비만 대사를 조절하는 기전을 심도 있게 밝혀내었다.

  ○ 또한 PPARγ의 억제제인 GW9662를 고지방식과 같이 마우스에 먹였을 경우 비만 및 비알코올성 지방간의 유발이 일어나지 않음을 통해, RORα가 PPARγ의 활성을 조절하여 간에서 비만 대사를 조절함을 마우스를 이용한 생체 내 실험으로 증명하였다.

상세내용

연구 개요

 1. 연구배경

  ㅇ 비만은 체내에 지방이 과도하게 축적된 상태를 이르는 질병이다. 2016년 대한비만학회가 건강보험공단 데이터 분석을 통해 밝힌 결과에 따르면 대한민국의 비만율은 성인 32.4%로, 3명 중 1명이 비만 인구에 속할 정도로 대중적인 질병임이 보고되었다. 또한 비만 환자의 58~74%에서 비알코올성 지방간이 유발되는데, 이 지방간이 악화될 경우 간경화, 간암에 이르기도 한다. 최근 10년간 고도비만율이 78% 증가했을 정도로 유병율 또한 빠르게 높아지고 있어 비만 치료의 필요성 또한 매우 높아진 상황이다.

  ㅇ 기존에는 식이요법이나 운동 등 환경적인 요인을 조절함으로써 비만을 완화시키는 치료법이 주로 사용되어 왔으나, 최근 연구결과에 따르면 유전적인 요인 역시 비만을 유발하는 주요 인자로 보고되고 있다. 이에 따라 어떤 유전자에 의해 비만이 조절되는지에 대한 보고가 폭발적으로 증가하고 있다.

  ㅇ RORα는 리간드가 알려져 있지 않은 고아 핵 수용체이다. RORα 결손 마우스에서는 비만이 억제되는 것으로 알려져 대사 과정에서 RORα는 지방 대사를 촉진하는 역할을 하는 것으로 알려져 있었으나 최근 연구에서는 반대되는 역할을 하는 것으로 보도되었다. 즉, 현재까지 대사 과정에서의 RORα의 역할은 정확하게 규명되지 않은 상태이다.

 2. 연구내용

  ㅇ 이 연구에서는 고아 핵 수용체 RORα의 대사과정에서의 기능을 확립하기 위해 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스를 제작하여 대사과정에서 RORα의 기능을 알아보고자 하였다.

  ㅇ 마우스에서 비만을 유도하기 위해 정상 마우스와 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스에 고지방식을 먹여본 결과, 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스에서 정상 마우스에 비해 비만이 더 심하게 유도되는 결과를 확인하였다. 뿐만 아니라 비알코올성 지방간 역시 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스에서 정상 마우스에 비해 더욱 심하게 유발되었음을 확인하였다.

  ㅇ 이러한 마우스 표현형의 관찰한 이후, 이 연구팀은 간에서 RORα가 대사 과정을 조절하는 기전을 자세히 연구하기 위해 마우스의 간 조직을 적출하여 RNA-sequencing을 진행하였다. 그 결과 RORα의 결핍에 의해 PPARγ 신호 전달 체계가 활성화됨을 확인하였고 이를 통해 RORα가 PPARγ를 억제하는 역할을 함을 확인하였다. RORα가 PPARγ를 억제하는 역할을 할 때, HDAC3 라는 히스톤 탈아세틸효소를 보조 억제 인자로서 작용함을 추가로 밝혀내었다.

  ㅇ 흥미롭게도 RORα는 PPARγ와 직접적으로 결합을 하지 못한다는 것을 확인하였다. 그 이후 DNA상의 RORα의 결합영역 (RORE)과 PPARγ의 결합영역 (PPRE)의 염기서열의 일부 겹치는 사실을 통해 RORα가 PPRE에도 결합할 수 있음을 밝혀내었다. 이를 통해 RORα는 PPARγ가 활성화가 될 때, 일부 PPRE에 결합하여 PPARγ가 완전하게 활성화되지 못하게 막는 역할을 통해 PPARγ신호를 조절함을 확인하였다.

  ㅇ 즉, 마우스에서 비만이 일어나는 상황이 되면 간에서 PPARγ 신호가 활성화되어 지방 대사가 활발해지는데, 이때 RORα에 의해 PPARγ의 활성이 과도하게 증대되는 것을 막아 지방 대사가 과도하게 활발해지는 것을 막게 되어 지방 대사의 항상성을 유지하게 되는 것이다.

  ㅇ PPARγ의 억제제인 GW9662를 고지방식과 같이 먹였을 때, 정상 마우스뿐만 아니라 간 특이적 RORα유전자 결핍 마우스에서도 비만과 비알코올성 지방간의 발병이 일어나지 않음을 통해 RORα는 PPARγ의 활성을 경유해 과도한 비만 및 비알코올성 지방간의 발병을 억제함을 확인하였다.

3. 기대효과

  ㅇ 이 연구는 비만이 일어나는 상황이 유도되었을 때, RORα 유전자의 결핍에 의해 비만이 더욱 과도하게 일어난다는 것을 확인하였다. 이를 통해 RORα가 간 내 지방 대사를 억제하는 역할을 한다는 것을 확립하였다. 또한 RORα는 PPARγ라는 또 다른 핵 수용체를 억제하는 역할을 통해 지방 대사를 억제한다는 것을 확인하였다. 이러한 구체적인 RORα의 지방 대사에서의 작동 기전 규명을 통해 비만이 일어나는 상황에서 더욱 과도한 비만이나 비알코올성 지방간의 발병을 억제할 수 있는 새로운 타겟 유전자를 제시할 수 있다.

 연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

이 연구실은 고아 핵수용체 RORα의 생체 내 여러 기능을 밝히는 것에 관심을 가지고 꾸준히 암을 억제하는 기능에 대한 논문을 발표해 왔다. 최근까지 RORα의 중요한 기능 중 하나로서 지방 대사의 촉진이 알려져 있었다. 이것은 RORα 유전자 결핍 마우스를 이용해 밝혀낸 결과이다. 하지만 RORα 유전자 결핍 마우스는 소뇌 발달 이상으로 행동에 제약이 많아 섭식이 원활하지 못하다는 한계가 있었고 때문에 지방 대사 촉진이라는 RORα 기능이 맞는지에 대한 의문이 있었다. 이 연구실은 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스를 제작하여 이러한 기존 연구의 한계를 극복하고, 대사 과정에서의 RORα의 생리적 기능을 확인하고 어떤 조절 기전을 가지는지에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

RORα 유전자 결핍 마우스의 한계를 극복하기 위해 부경진 박사와 국립암센터 이호 교수, 전윤 연구원이 RORα의 조직 특이적인 결핍 마우스 시스템을 만든 것이 연구의 시발점이었다. 김경규 박사과정 학생이 간 특이적인 RORα 유전자 결핍 마우스에서 과도한 비만과 비알코올성 지방간이 유도되는 것을 확인하였다. 그리고 DGIST 황대희 교수의 도움을 받아 RNA-sequencing을 통해 간에서 RORα가 PPARγ를 억제하는 역할을 수행함을 확인하였다. 이후 HDAC3가 RORα의 전사 억제인자로 작동하여 같이 PPARγ의 활성을 억제하는 것을 확인하였으나 그 세부 기전을 밝히는 것에 어려움을 겪고 있을 때 연세대학교 황성순 교수의 도움을 받아 RORE와 PPRE의 유사성을 통해 RORα가 PPRE에 결합하여 PPARγ의 활성을 억제하는 기전을 가짐을 확인하였다. 마지막으로 PPARγ의 억제제인 GW9662를 마우스에 먹여 비만 및 비알코올성 지방간의 발병 억제를 통해 RORα의 작동 기전을 확인할 수 있었다.

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

마우스의 대사 과정 표현형 분석은 연구실에서 한 번도 다루지 않았던 시스템이었기 때문에 대사 과정 자체에 대한 심도 있는 공부가 부족해 실험을 하는 데 많은 어려움이 있었다. 다행히 이 프로젝트의 가능성에 대해 확신을 가지고 적극적 지원을 해주신 교수님 및 국내의 저명한 교수님들과의 공동 연구를 통해 난관을 돌파할 수 있었다. 특히 공동 교신저자 연세대학교 황성순 교수의 대사 과정에 대한 통찰력을 통해 RORα의 작용 기전에 대한 연구를 짜임새 있게 진행하여 수준 높은 연구를 수행할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

현재까지 RORα는 지방 대사를 촉진하는 역할을 한다는 것이 우세한 상황이었다. 하지만 이러한 결과는 섭식을 제대로 하지 못하는 RORα 유전자 결핍 마우스를 이용한 연구에 바탕을 둔 것이라 정확한 생체 내 연구결과가 필요한 상황이었다. 이번 연구는 간 특이적 RORα 유전자 결핍 마우스의 제작을 통해 기존의 문제점을 완벽하게 해결한 상황에서 RORα의 대사 과정에서의 정확한 기능이 지방 대사의 억제임을 증명한 것이다. 또한 주로 전사활성에 관여하는 전사인자로 알려진 RORα가 PPARγ라는 또 다른 핵 수용체의 전사 활성을 억제하는 역할을 한다는 새로운 기전을 가진다는 것을 밝혀내어 핵 수용체가 다양한 조절 기전을 가진다는 것을 보여주었다. 마지막으로 PPARγ의 억제제를 이용해 비만 및 비알코올성 지방간 발병을 억제함을 통해 RORα 및 PPARγ의 억제를 통해 비만을 억제할 수 있는 가능성을 보여주었다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

RORα 유전자 결핍 마우스를 이용하여 RORα의 다양한 기능을 생체 내에서 증명하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구의 마우스 실험은 대부분 국립암센터에서 진행했기 때문에 서울대학교와 국립암센터를 오고 가는 것이 많이 힘들었다. 그리고 랩에서 해보지 못한 실험들을 직접 진행하거나 국내의 다른 연구진에 의뢰를 해야 되는 경우가 많았는데 그때마다 공동교신저자인 백성희 교수의 지원이 매우 큰 힘이 되었다. 특히  RORα의 작용 기전을 밝히는 데 많은 어려움이 있었는데 연세대학교의 황성순 교수와의 공동 연구가 정확한 시점에서 진행되어 천운으로 연구가 잘 마무리 될 수 있었다.

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