^*PDT(photodynamic therapy): 암에 다량으로 모이는 광감수성 물질을 레이저조사로 반응시켜 암세포를 파괴하는 치료법.

^*프로테오믹스(proteomics): 단백질체(군집)의 기능 이상과 구조변형 유무 등을 가려내는 분석기술. 단백질을 의미하는 protein과 전체를 뜻하는 omics의 합성어.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

미토콘드리아1)는 세포 내부에서 에너지를 생산하는 발전소와 같은 역할을 하는 소기관이다. 세포 내부에서 발생하는 활성산소종2)은 이 미토콘드리아를 쉽게 산화할 수 있는데, 이는 미토콘드리아의 기능 장애와 세포사멸(mitochondria oxidation-induced cell death)을 유발한다. 미토콘드리아의 산화는 신경퇴행성 및 심혈관·대사 질환과 깊게 연관되어 있을 뿐 아니라, 인위적 활성산소종 생성으로 세포사멸을 유도하여 각종 암을 치료하는 의료산업에도 응용될 수 있어 학계에서 활발히 연구되고 있다. 하지만, 미토콘드리아 산화가 기능 저하와 세포사멸로 이어지는 메커니즘은 정확히 밝혀지지 않았다. 이를 알아내기 위해서는 미토콘드리아를 산화하는 동시에 산화에 따른 미토콘드리아의 반응을 관찰할 수 있는 도구가 필요했기 때문이다.

이에 본 연구에서는 미토콘드리아에서 빛을 받아 활성산소종을 강하게 생성하면서 동시에 미토콘드리아 주변 미세환경 변화를 감지할 수 있는 이리듐 금속(Iridium) 광감각제3)를 개발하여 이러한 필요를 충족시키고자 했다. 이 이리듐 광감각제는 미토콘드리아의 막에 위치하면서 강한 산화 스트레스를 가하고 세포사멸을 유발하면서 미토콘드리아 막의 형태, 점도 및 극성 변화를 모니터링하는 분자 도구로 작동한다. 연구진은 개발한 이리듐 광감각제를 이용하여 미토콘드리아 산화에 대한 세포의 반응을 관찰하고 동시에 미토콘드리아 막의 활성산소종이 산화한 단백질을 분석하여 미토콘드리아 산화가 기능 저하 및 세포사멸로 이어지는 메커니즘을 제시했다.

2. 연구내용

이리듐 복합체는 높은 항간교차(intersystem crossing)4) 효율을 보이므로 들뜬 상태의 분자는 쉽게 활성산소종을 생성할 수 있다. 본 연구에서는 이 이리듐 복합체에 에너지 공여자(energy donor)를 도입해서 에너지 전이(energy transfer)5)를 통해 빛에너지를 이리듐 복합체로 전달하도록 하는 이리듐 광감각제를 디자인했다. 그 결과, 이리듐 광감각제의 활성산소종 생성이 크게 증폭되었으며, 분자 주변의 극성과 점성에 따라 각각 발광 파장과 발광 수명이 달라져서 미토콘드리아 막의 극성과 점성을 모니터링 할 수 있었다.

개발된 이리듐 광감각제는 세포막을 투과하여 세포 내 미토콘드리아의 막에 선택적으로 위치했다. 이리듐 광감각제를 투여한 세포에 빛을 조사했을 때, 굉장히 적은 빛에너지(0.08 J/cm2)에도 세포 내 활성산소종이 크게 증가하면서 세포사멸(apoptosis)이 유도되는 것을 확인했다. 이에 연구진은, 미토콘드리아 막에 활성산소종이 다량 생성됐을 때 형태, 점도 및 극성 측면에서 미토콘드리아 막의 변화를 관찰했다. 그 결과, 미토콘드리아의 산화 스트레스가 막의 점도 상승, 탈분극(depolarization), 기질 부풀어 오름(matrix swelling), 미토콘드리아가 분리(fission)되거나 다른 미토콘드리아와 합쳐지는(fusion) 현상이 일어나는 것을 실시간으로 관찰했다.

더 나아가, 연구진은 활성산소종이 어떻게 위와 같은 미토콘드리아의 반응을 유도하는지 알아내기 위해 세포 내 단백질이 활성산소종에 의해 어떻게 화학적으로 변성되는지 확인했다. 세포 내 단백질은 산화 스트레스 하에서 주변 단백질과 가교결합(Crosslinking)이 일어나며, 단백질 표면의 메티오닌(Methionine)의 작용기가 설폭사이드(sulfoxide) 형태로 산화되는 것을 확인했다. 세포 내 모든 단백질 중 메티오닌이 산화된 단백질을 분류하여 분석한 결과 미토콘드리아 막의 ‘OXPHOS complex’, ‘channel’, ‘translocase’ 및 ‘protease’ 단백질들이 주로 산화되었다. 이를 바탕으로 연구진은 미토콘드리아가 활성산소에 의해 산화 스트레스를 받을 때, 세포 사멸로 이어지는 메커니즘을 제시했다.

3. 기대효과

본 연구결과의 핵심은 (1) 미토콘드리아를 산화함과 동시에 미토콘드리아 주변 미세 환경 변화를 실시간으로 관찰할 수 있는 단일 분자를 개발했으며, (2) 산화 단백질 분석과 미세 환경 변화 관찰을 통해 미토콘드리아 산화-유발 세포사멸의 메커니즘을 제시한 데에 있다. 이를 바탕으로 신경 퇴행성 및 심장 질환의 발병 메커니즘을 밝히거나 암세포 사멸을 유도하는 전략을 수립하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 미토콘드리아

진핵생물에서 산소 호흡 과정이 진행되는 세포 소기관. 여러 유기물질에 저장된 에너지를 산화적 인산화 과정을 통해 생리 현상에 필요한 아데노신삼인산(ATP)의 형태로 변환한다.

2. 활성산소종

산소 원자를 포함하는 화학적 반응성이 높은 분자. H2O2, O2·-, ·OH 및 1O2를 포함하며, 세포 내 호흡 과정에서 생성될 수 있다. 생성된 활성산소종은 주변의 단백질, 지방 및 당을 산화하며 세포에 유해한 물질로 작동한다.

3. 광감작제(Photosensitizer)

빛을 받아 특정 작용 및 화학 반응을 일으키는 물질.

4. 항간 교차(Intersystem Crossing)

스핀 다중도(Spin multiplicity)가 다른 두 상태 사이에서 전자 전이가 일어나는 무방사(radiationless) 과정.

5. 에너지 전이

두 종류의 발광성 분자가 아주 가깝게 위치할 때 두 물질 사이에 일어나는 에너지 이동 현상이다. 에너지 공여자(energy donor)와 에너지 수여자(energy acceptor)가 존재하며 에너지 공여자는 반드시 발광 물질이어야 한다.

[붙임] 그림설명

그림2. 개발된 이리듐 광감작제의 미토콘드리아 막 점도 변화 감지. (가) 점도에 따른 이리듐 광감작제의 발광 수명 차이. 점도가 높은 환경일수록 이리듐 광감각제의 발광 수명이 길어짐. (나) 세포 미토콘드리아에 산화 스트레스를 가한 후 미토콘드리아 막의 점도 변화. 평균 발광 수명이 산화 스트레스를 받은 경우 더 길어짐. (다) 미토콘드리아 주변 단백질의 가교결합 정도를 확인하기 위한 웨스턴 블랏 이미지. 왼쪽부터 미토콘드리아, 소포체, 퍼옥시좀, 핵이며 미토콘드리아, 소포체 그리고 퍼옥시좀 단백질은 산화스트레스를 받을 때 가교결합이 일어남.

그림3. 개발된 이리듐 광감작제를 이용한 미토콘드리아의 탈분극 실시간 감지. (가) 이리듐 광감작제의 극성 탐지 원리. 극성이 높은 환경에서는 친유성인 에너지 공여자(donor) 및 수여자(acceptor)가 가까이 위치하여 에너지 전이가 활발히 일어나므로 공여자 대비 수여자의 발광비가 커짐. (나) 극성에 따른 이리듐 광감작제의 발광 그래프. (다) 공여자 대비 수여자의 발광비를 이용한 ratiometric 이미징. 미토콘드리아에 산화 스트레스를 가한 후 막의 극성이 급격히 줄어드는 것을 확인함. (라) 프로테오믹스를 통한 산화 단백질 분석. OXPHOS complex와 채널 및 translocase 단백질이 주로 산화되어 탈분극이 진행됨을 확인함.

그림4. 개발된 이리듐 광감작제를 이용한 미토콘드리아의 형태 변화 감지. (가)산화 스트레스를 가한 후 미토콘드리아 기질(matrix)의 형태 변화. 3분 이내 대부분의 미토콘드리아가 크게 부풀어 오르는 것을 확인함(상단). 또한, 미토콘드리아의 결합(fusion) 및 분열(fission)이 빈번히 일어나는 것을 관찰함(하단). (나) protein quality control (PQC) 관련 단백질의 산화 분석. protease 및 PQC 관련 단백질은 다수 산화되었으나, 미토콘드리아의 분열 및 결합 관련 단백질은 대부분 산화되지 않음. (다) 미토콘드리아가 산화 스트레스를 받을 때 세포 사멸로 이어지는 메커니즘 제시.