[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

생명체가 노화과정을 겪으며 자연스럽게 쇠퇴하듯이 생물체를 구성하는 각 세포도 ‘세포노화(cellular senescence, 세포가 분열이 완전히 정지됨)’라는 퇴화과정을 겪게 된다. 퇴화과정을 거친 정상세포는 노화세포가 된다. 이들은 염증반응 등을 통해 생체항상성(homeostasis)을 조절할 수 있는 노화세포 분비활성인자(SASP, Senescence-associated secretory phenotype)들을 분비해 몸의 균형을 맞추며 다양한 생리학적인 역할을 수행한다.

주어진 역할을 마친 후에 노화세포는 보통 체내의 면역시스템에 의해 제거된다. 하지만 나이가 들어감에 따라 신체 생리기능과 면역력이 저하돼 생물체의 주요 조직과 장기 기관에 있는 노화세포가 정상적으로 제거되지 못한 채 축적되고 만다. 이렇게 축적된 노화세포들은 만성 염증반응 환경을 지속시킨다. 이런 환경은 주위 조직과 세포들이 손상시켜 생체 재생능력을 떨어뜨린다. 결국 암, 당뇨, 치매 등 각종 노인성(퇴행성) 질환들의 발병 가능성을 높이게 되는 것이다.

축적된 노화세포들을 인위적으로 제거하면 수명을 최대 35%까지 증가시킨다고 알려졌다. 또 노화세포 제거로 몇 가지 퇴행성 질병들을 완화시킬 수 있다는 가능성도 보고되긴 했다. 그러나 아직까지 퇴행성 관절염에 대해서 노화세포가 어떤 병리학적 역할을 하는지에 대해서는 자세히 알려지지 않았다.

또 노화세포를 제거하는 약물에 관한 현재까지의 연구들은 유전자 변형 동물 모델을 사용하거나, 스트레스를 가해 인위적으로 만든 노화세포를 이용한 실험이라는 점에서 한계를 가지고 있다. 이들 약물이 정상적인 노화 과정을 겪는 쥐에게도 동일한 효과를 나타낼지, 또 자연적으로 형성된 노화세포에 대한 약물의 효과 여부 등에 대한 연구가 절실하게 필요한 상황이었다.

2. 연구내용

정상세포가 내‧외부에서 스트레스를 받아 노화세포로 변하는 것은 근본적으로 항-암 기작(anti-cancer mechanism) 작용에 따른다. 보통 노화세포는 정상세포에 비해 항-세포자살(anti-apoptotic) 경로에 관련된 다양한 유전자(p53, p16, bcl-2 families)들이 활성화돼 있다. 이번 연구에서는 항-세포 자살경로에 관여하는 단백질들의 생리활성 작용을 저해하는 화합물들을 이용했다. 이들 화합물을 노인성 질환 환자에서 나온 노화세포에 적용해 2D와 3D 배양법을 적용해 약물평가를 수행했다. 그 결과 노화세포만 선택적으로 사멸시키는 의약후보 물질을 발굴했다. (그림1).

연구진은 특히 노화세포가 퇴행성 관절염에서 어떤 병리학적 역할을 하는지 파악하는 데 집중했다. 이를 위해 대표적 노화세포 마커 p16 단백질이 발현되는 세포를 생체발광 기술을 통해 검출하거나, 특이적 약물을 통해 제거할 수 있는 p16-3MR 과 INK-ATTAC 유전자변형 생쥐들을 이용했다. (그림2)

p16-3MR 유전자변형 생쥐의 경우, 전방십자인대 절단 수술을 수행해 퇴행성 관절염 모델로 만들었다. 이때 노화세포들이 관절 부위에 축적돼 있는 것이 확인됐다. 이 모델에 특이적 약물(Ganciclovir, GCV)를 투여하자 노화세포가 제거됐고, 병세도 완화됐음이 확인됐다. 동일한 시험을 야생형 정상 생쥐에서 스크리닝해 얻은 후보 의약물을 투여해 수행했을 때도 노화세포가 제거됐다. 그 결과 생체조직 재생능력이 향상돼 병세가 완화됐다. (그림1)

연구징는 또 고령(2년 안팎)의 INK-ATTAC 유전자 변형 생쥐에 특이적 약물(AP20187)을 투여해 노화세포를 제거해봤다. 그 결과 대조군에 비해 관절 내 골격근에서 연골조식 상태가 훨씬 건강했다. 이는 노화세포가 퇴행성 관절염 증세를 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 증거가 된다. 이번 연구결과는 ‘노화세포를 효율적으로 제거한다면 노인성(퇴행성) 질환의 병세가 완화될 수 있음’을 다시 한 번 확인시켜 줬다. (그림 3)

2. 연구내용

정상세포가 내‧외부에서 스트레스를 받아 노화세포로 변하는 것은 근본적으로 항-암 기작(anti-cancer mechanism) 작용에 따른다. 보통 노화세포는 정상세포에 비해 항-세포자살(anti-apoptotic) 경로에 관련된 다양한 유전자(p53, p16, bcl-2 families)들이 활성화돼 있다. 이번 연구에서는 항-세포 자살경로에 관여하는 단백질들의 생리활성 작용을 저해하는 화합물들을 이용했다. 이들 화합물을 노인성 질환 환자에서 나온 노화세포에 적용해 2D와 3D 배양법을 적용해 약물평가를 수행했다. 그 결과 노화세포만 선택적으로 사멸시키는 의약후보 물질을 발굴했다. (그림1).

연구진은 특히 노화세포가 퇴행성 관절염에서 어떤 병리학적 역할을 하는지 파악하는 데 집중했다. 이를 위해 대표적 노화세포 마커 p16 단백질이 발현되는 세포를 생체발광 기술을 통해 검출하거나, 특이적 약물을 통해 제거할 수 있는 p16-3MR 과 INK-ATTAC 유전자변형 생쥐들을 이용했다. (그림2)

p16-3MR 유전자변형 생쥐의 경우, 전방십자인대 절단 수술을 수행해 퇴행성 관절염 모델로 만들었다. 이때 노화세포들이 관절 부위에 축적돼 있는 것이 확인됐다. 이 모델에 특이적 약물(Ganciclovir, GCV)를 투여하자 노화세포가 제거됐고, 병세도 완화됐음이 확인됐다. 동일한 시험을 야생형 정상 생쥐에서 스크리닝해 얻은 후보 의약물을 투여해 수행했을 때도 노화세포가 제거됐다. 그 결과 생체조직 재생능력이 향상돼 병세가 완화됐다. (그림1)

연구징는 또 고령(2년 안팎)의 INK-ATTAC 유전자 변형 생쥐에 특이적 약물(AP20187)을 투여해 노화세포를 제거해봤다. 그 결과 대조군에 비해 관절 내 골격근에서 연골조식 상태가 훨씬 건강했다. 이는 노화세포가 퇴행성 관절염 증세를 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 증거가 된다. 이번 연구결과는 ‘노화세포를 효율적으로 제거한다면 노인성(퇴행성) 질환의 병세가 완화될 수 있음’을 다시 한 번 확인시켜 줬다. (그림 3)

3. 기대효과

기존 노화세포 제어 약물 발굴 연구에서는 유전자 조작, 방사선이나 화학물질을 이용해 인위적으로 만든 노화세포를 이용했다. 하지만 이번 연구에서는 노인성 질환을 겪는 환자에게서 직접 추출한 노화세포를 이용해 2D, 3D 약물효능 시험 결과의 유효성을 증명할 수 있게 됐다. 향후 노화세포만 표적으로 삼는 다양한 의약 후보 물질을 발굴하고, 임상학적으로 의미가 있는 결과를 얻는 데 기여할 기대된다.

이번 연구결과는 재생의학 분야의 연구 패러다임을 줄기세포에서 노화세포 제어 쪽으로 전환시키는 계기가 될 것으로 보인다. 노화세포 제어를 통해 생체 재생능력을 회복시켜, 퇴행성 질환을 치료하는 새로운 연구 패러다임이 가능성을 보인 것이기 때문이다.

이번에 밝혀진 연구결과는 기존에 노화세포 제거를 통한 건강, 수명 연장 가능성 이론을 뒷받침하는 것이기도 하다. 향후 암, 치매, 당뇨병, 심장질환과 같은 다양한 노인성 질환에 적용할 수 있는, 새로운 항-노화 신약 연구 개발 분야로의 가능성 발판을 마련했다고 볼 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 세포노화(cellular senescence)

세포가 더 이상 분열하지 않는 상태로 정의된다. 정상세포는 세포 분열시 염색체 말단의 염기서열 부위인 텔로미어 길이를 소진해 세포가 더 이상 분열하지 않는 복제노화(replicative senescence)를 겪는다. 자외선이나 바이러스 감염, 화학물질 등 외부 자극이나 스트레스에 의한 암 발생을 억제하는 기작으로 나타나는 ‘스트레스에 유도된 세포노화(stress or oncogene-induced cellular senescence)’도 있다. 후자의 경우 세포주기 전환 조절이 불가능해 더 이상 세포분열이 이뤄지지 않는다.

2. 노화세포 분비 활성인자(SASP, Senescence-associated secretory phenotype)

노화세포가 분비하는 특정 성장인자(growth factors)나 사이토카인(cytokines) 등 생리활성 물질들을 지칭하는 것이다. 이 인자들은 노화세포가 정상세포보다 더 많이 분비한다고 알려졌다. 이들은 인접 세포조직이나 세포외 기질(extracellular matrix)의 미세환경에 영향을 미치면서 염증반응과 생체항상성(homeostasis) 등 다양한 생리활성 반응에 관여한다.

3. p16—3MR 유전자변형 생쥐

대표적인 노화세포 표지마커인 p16 프로모터에 3가지(3MR) 융합 단백질, 루시퍼라제(Luc), 적색 형광 단백질 (mRFP), 절두된(truncated) 헤르페스 심플렉스 바이러스 티미딘 키나제 (tTK)가 발현될 수 있게 장착돼 있다. 이 생쥐에서 노화세포가 발현되면 생체발광 기술을 통해 검출할 수 있다. 전구약물 겐사이클로비어(Ganciclovir, GCV)에 노출시키면 노화세포를 선택적으로 사멸시킬 수 있다.

4. INK-ATTAC 유전자변형 생쥐

대표적인 노화세포 표지마커인 p16  프로모터에 FKBP-Casp8(케스페이즈 8)가 발현될 수 있게 장착돼 있다. 노화세포가 발현될 경우 세포막에 결합된 미리스토일화된 FKBP-Casp8 융합 단백질도 발현된다. 이량체화를 유도하는 합성 약물인 AP20187를 노출시키면, FKBP-Casp8 융합 단백질이 활성화돼 노화세포는 프로그램화된 세포 사멸을 겪게 된다.

[붙임] 그림설명