연구동향



p62/SQSTM1/Sequestosome-1 is an N-recognin of the N-end rule pathway which modulates autophagosome biogenesis

Nat. Commun., Published online: 24 July 2017, 8,




권용태 교수, 이수현 대학원생
(단백질대사의학연구센터)


 우리나라는 전 세계에서 고령화 인구증가율이 가장 빠른 국가인데, 고령화에 따른 단백질 대사 오작동은 다양한 질병(퇴행성뇌질환, 대사이상, 암, 심혈관계 조절이상, 감염 및 면역 질환)의 핵심 분자적 병인이다. 퇴행성뇌질환(Degenerative brain disease)은 증상과 침범되는 뇌부위를 고려하여 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병, 프리온병/인간 광우병, 다발성 경화증, 근위축성 측삭경화증(루게릭병) 등으로 나눌 수 있다. 대부분의 퇴행성뇌질환은 병인 단백질의 대사가 원활하게 일어나지 않고 응고체 형태로 누적이 되기 때문에 생기며, 따라서 단백질대사 이상 질병(protein misfolding disorder)이다. 단백질 대사 오작동으로 인한 질병의 경우, 변성단백질 응고체가 누적되는 것이 직접적인 원인이 되는데, 현재 이들을 질병세포에서 제거하는 치료제는 모든 퇴행성뇌질환을 통틀어서 전무한 실정이다. 현재 대부분의 퇴행성뇌질환의 의학적인 치료는 대증요법과 신경세포 보호요법으로 진행되며, 질병의 근본 원인의 제거와는 거리가 있기 때문에 치료 효과와 지속성 측면에서 많은 한계점을 가지고 있다. 따라서 질병의 원인이 되는 단백질을 원천적으로 제거하지 않고 신경 전달물질의 공급 및 조절로는 질병의 치료에 한계점을 가지고 있다.

본 연구진의 최근 연구(Nature Cell Biology 17:917-929, 2015)의 후속으로 본 논문에서는 퇴행성뇌질환의 원인이 되는 돌연변이 헌팅틴(mutant huntingtin), 알파 시뉴클네인(α-synuclein) 등 변성 단백질 응고체(misfolded protein aggregates)를 효과적으로 제거하는 방법을 제시하고 있다. 구체적으로, 본 연구진은 오토파지 어뎁터, 즉 기질을 모아서 오토파고좀(autophagosome)에 전달하는 단백질인 62/SQTSM/Sequestosome-1를 신규 약물 타겟으로 발굴하였다. 또한 이 타겟을 활성화하는 리간드로 N-엔드룰 경로(N-end rule pathway)라고 불리는 단백질 대사 회로의 분해신호, 즉 N-말단 잔기 (아르기닌, arginine)를 발굴하였다. 그림 1에서 나타나듯이, N-말단 아르긴닌 잔기가 p62의 ZZ 도메인데 결합하면 평소에 닫혀있는 불활성 p62가 열린 형태로 바뀌면서 구조적인 활성화가 유도됨으로서(단계 ⑧), PB1 및 LC3-결합 도메인이 노출된다. PB1 도메인에 의한 올리고머화(⑨)를 기반으로 헌팅턴 및 알파 시뉴클레인 단백질 응고체과 결합하면서 오토파지 분해가 가능한 응고체, 즉 p62 바디(body 혹은 sequestosome)로 농축이 된다(⑩). 이후 p62가 오토파고좀 막에 돌출되어 있는 LC3와 결합을 통해 오토파지 타겟팅(⑪)과 리소좀 단백질 분해가 완료된다. 젊은 신경세포는 ⑤-⑪로 이루어진 오토파지 단백질분해가 강력해서 세포독성 단백질 응고체(①-⑤)가 누적되지 않지만, 노화된 신경세포는 단계 ⑤-⑪의 이 과정이 약화됨으로서 단백질 응고체(①-⑤)가 누적이 되면서 악순환에 빠지게 되다. 본 연구진은 p62 ZZ 도메인의 저질량 리간드를 이용하여 p62를 인위적으로 활성화함으로서(⑫, ⑬) 헌팅턴 및 알파 시뉴클레인 단백질 응고체 등을 효과적으로 제거하는 원천기술을 개발하였다.

본 연구는 서울의대 노벨상수상자 초청사업을 통해 석좌교수로 임용되어 활동하고 있는 아론 시카노버(Aaron Ciechanover) 박사와의 공동연구의 결과이며, 단백질대사의학연구센터 주소로 출판된 시카노버 박사논문와의 공동연구 논문은 이외에도 15‘ Nature Cell Biology (17:917), 15‘ Cell (161:333), 16’ Autophagy (12:426), 16‘ PNAS (113:E4639), 16‘ PNAS (113:E7490) 등 10여 편에 달한다.





그림 1. N-말단 분해경로가 p62의 활성을 조절하여 autophagy를 증가시키는 기작을 보여주는 모식도.




세포질에 변성 단백질과 그 응고체는 일반적으로 유비퀴틴화되어 프로테아좀(proteasome)으로 분해된다(Steps 1 and 2). 헌팅턴병을 유발하는 mHTT와 같은 몇몇 변성단백질은 자체 응결화가 잘 되기때문에 (Step 3), 이들은 프로테아좀으로 분해되기 어렵다. 퇴행성 뇌질환의 경우, 이러한 프로테아좀 저항성을 가지는 응고체들이 섬유화되거나 큰 덩어리(inclusions)를 형성하는 것을 볼 수 있다 (Steps 4 and 5). 세포내에 이러한 변성 단백질들이 증가되면 N말단 아르기닌화가된 소포체 단백질들이 세포질로 나오게 된다 (Steps 6 and 7). 특히 세포질의 R-BiP의 경우 변성 단백질과 결합할 수 있는 능력을 가지고 있으며 (Step 8), N말단 아르기닌을 이용하여 p62의 ZZ 도메인과 상호 결합하게 된다 (Step 9). N말단 아르기닌과 p62가 결합하게되면, p62는 3차 구조 변화를 가지게 되어 PB1 도메인과 LIR 도메인이 도출되게 된다 (Step 10). 이러한 구조적 변화는 p62 자체의 올리고머를 유발시키고, 그 결과 ‘변성 단백질-R-BiP-p62’ 응고체가 형성되며 (Step 11), 이는 이 복합체가 Autophagosome으로 운반되기 쉽게 된다. 이번 연구에서는 p62의 ZZ 도메인에 라이간드(ligand)로 작용하는 저분자 물질을 개발하였고, 이 저분자 물질은 Autophagosome 형성을 증가시킴으로써 Autophagy를 증가 시킨다 (Steps 14 and 15).



https://www.nature.com/articles/s41467-017-00085-7



Multifunctional nanoparticles as a tissue adhesive and an injectable marker for image-guided procedures

Nat. Commun., Published online: 19 July 2017, 8



김효철 교수(영상의학교실)


 서울대학교 화학생물공학부 현택환 교수, 국민대학교 신소재공학부 이노현 교수와 서울대학교병원 영상의학과 김효철 교수의 공동연구로, 다양한 영상장비에 동시로 조영효과를 주는 영상기반 시술에 적합한 나노접착제를 개발하였다. 본 연구에서는 X선 투시영상에 조영효과를 가지는 탄탈륨 옥사이드와 조직 표면 접착 성질이 있는 실리카 나노입자를 이용하여, 새로운 형태의 나노입자 접착제를 개발하였다. X-ray선 투시 영상과, 초음파 영상, 그리고 형광을 띄어 실시간으로 시술 부위를 확인하면서 적용이 가능하여 안전하게 시술을 진행할 수 있다. 기존의 강력접착제를 기반한 합성고분자와 비슷한 수준의 강한 접착성질을 갖고 있어 내출혈을 즉각적으로 지혈할 수 있으며, 적은 양으로도 조영효과가 뛰어나고, 조직내 접착성질이 우수하여, 종양의 수술 전 표지 혹은 방사선 치료를 위한 표지물질로도 활용이 가능하다. 이번 연구성과는 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)”에 7월 19일 게재되었다.



http://www.nature.com/articles/ncomms15807



Ceria–Zirconia Nanoparticles as an Enhanced Multi-Antioxidant for Sepsis Treatment

Angew. Chem.-Int. Edit., Version of Record online: 5 JUL 2017



이승훈 교수(신경과학교실)


 서울대학교병원 신경과 이승훈 교수 연구팀은 패혈증 동물에서 생존률을 향상시키는 항산화, 항염증 작용이 탁월한 나노 입자를 처음 개발하였다. 패혈증은 세균이나 바이러스에 감염된 후, 전신적으로 일어나는 과도한 면역 반응에 의해 치명적인 장기 손상이 발생하는 질환이다. 우리나라에서는 뇌졸중이 인구 10만 명당 206건이 발생하고 사망률은 9%이나, 패혈증은 인구 10만 명당 347명이 발생하고 사망률이 31%이다. 이처럼 패혈증은 뇌졸중이나 심근경색보다 더 흔하고, 더 심각한 질환이다. 패혈증의 사망률이 높은 이유는 근본적인 치료제가 없기 때문이다. 항생제는 원인균의 치료에 필수적이지만, 원인균을 정확히 진단하기가 매우 어렵고, 안다고 해도 항생제 내성균인 경우가 많다. 따라서 원인균과 무관하게 패혈증에 의한 염증을 억제하는 치료제가 필수적이지만, 이런 치료제는 아직 개발된 사례가 없는 실정이다.

이승훈 교수 연구팀은 패혈증 초기에 과도하게 발생하는 활성 산소가 패혈증 진행의 주요 원인이라는 점에 주목했다. 이승훈 교수 연구팀은 2012년부터 항산화 효과가 있는 세리아 나노입자를 뇌경색, 뇌출혈 등의 동물실험에 적용하여 그 치료 효과를 입증했던 바 있다. 이번 연구에서는 나노입자의 생체 독성을 최소화하고 효과를 극대화하기 위한 방법을 고안하여 세리아-지르코니아 나노입자를 개발했다. 세리아 나노입자가 지르코늄 이온(Zr4+)과 결합하면 활성산소를 제거하는 세륨 3가 이온(Ce3+)의 비율이 높아지고 유지력은 길어진다. 세리아-지르코니아를 7:3의 비율(Ce0.7Zr0.3O2)로 합성하면 세포 내 활성산소의 제거와 염증 반응 완화에 가장 탁월한 성능이 나타남을 확인했다. 이를 패혈증 동물 모델에 적용하였을 때 손상된 장기 주변으로 나노입자가 다량 유입되어 치료 효과를 나타내었고, 염증 반응을 억제하여 최종적으로 생존률을 2.5배 증가시키는 것을 확인하였다. 본 연구성과는 화학분야 최고 권위의 논문 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) (인용지수: 11.994)’ 온라인판에 7월 5일에 게재 됐고, 그 중요성을 인정받아 속표지(Inside Cover) 논문과 ‘가장 주목받는 논문(Hot Paper)’으로 선정됐다.



http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/anie.201704904/abstract



Antiplatelet therapy and the risk of hepatocellular carcinoma in chronic hepatitis B patients on antiviral treatment

Hepatology, Accepted manuscript online: 15 June 2017



이정훈 교수 (내과학교실)


 간암의 위험요소를 가지고 있는 환자에서 항혈소판제제의 사용이 간암 발생의 위험을 낮출 수 있다는 연구 결과가 발표되었다. 대부분의 경우 간암은 간 내 만성적인 염증과 그로 인한 간섬유화, 간경변을 거쳐 발생하게 된다. 전임상 연구에서 항혈소판제는 T 세포 매개성 염증반응을 감소시켜 간섬유화의 진행 속도를 늦추고 간암의 발생 위험을 감소시키는 것으로 알려져 있지만, 그 동안 임상연구에서는 그 효과를 증명하지 못하여 왔다.

이에 소화기내과 이정훈 교수 연구팀은 서울대학교병원에서 2002년 1월부터 2015년 5월 사이에 항바이러스제를 사용해서 혈청 B형간염 바이러스 농도가 2,000 IU/mL 이하로 잘 억제된 환자 1,674명의 자료를 이용하여 항혈소판제(아스피린, 클로피도그렐, 아스피린/클로피도그렐)의 효과에 대해서 분석하였다. 항바이러스제만 투여한 1,116 명과의 비교에서 항혈소판제와 항바이러스제를 모두 투약한 558 명이 연구에 포함되었다. 연구 기간동안 63명(3.8%)에게서 간암이 발생했다. 항혈소판제는 그 종류에 상관 없이, 간암의 발생 위험을 약 56% 줄였다(위험비 0.44, 95% 신뢰구간 0.23-0.85, P=0.01) (그림 1). 전체적인 항혈소판제군에서 출혈의 위험성이 약 3배 증가하였지만, 항혈소판제로서 아스피린을 사용한 경우에는 출혈의 위험성이 유의하게 증가하지는 않았다(위험비 1.11, 95% 신뢰구간 0.48-2.54, P=0.81).

그 동안 간암의 발생 위험을 낮출 수 있는 약제는 항바이러스제 이외에 밝혀진 것이 없었으나, 흔히 사용되는 아스피린이 출혈의 위험도를 높이지 않으면서 간암 발생 위험을 낮출 수 있는 가능성이 확인되었다. 본 연구는 아스피린을 항바이러스제에 추가적으로 사용하였을 경우 간암 발생의 위험을 경제적이고 효과적으로 더욱 낮출 수 있는 가능성을 제시할 수 있는데 큰 의의가 있다.

이 연구 결과는 ‘미국 간학회지(Hepatology; IF =13.246)’에 6월 15일자 온라인 논문으로 게재되었다.




그림 1. 항바이러스제 치료군과 항혈소판제/항바이러스제 병합치료군 사이의 간암 발생 위험 비교



http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/hep.29318/full