당뇨 치료제 개발 토대 마련,혈당조절에 관여하는 단백질의 새로운 작용 메커니즘 규명, 새로운 당뇨치료제..개발 혈당조절..단백질 새로운 메커니즘 - 새로운 당뇨 치료제 개발 토대 마련 -당뇨치료제◇ 최흥식, 구승회 교수 팀, 당뇨 분야 권위 있는 학술지 ‘다이어비티즈’에 논문 게재, 당뇨치료제◇ 인슐린에 의해 발현된 스마일(SMILE) 단백질의 당 농도 억제 기능 밝혀

 

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 인슐린에 의한 혈당 조절에 관여하는 단백질의 새로운 기능을 발견하고 그 조절 기전을 규명했다고 밝혔다. 

 

 □ 전남대 최흥식 교수 연구팀과 고려대 구승회 교수 연구팀은 인슐린에 의한 새로운 당 조절 메커니즘 규명에 관한 연구를 미래창조과학부가 지원하는 리더연구자지원사업과 중견연구자지원사업을 통해 공동 수행하였으며, 연구 결과는 당대사 및 당뇨 분야에서 권위 있는 학술지인 다이어비티즈(Diabetes) 온라인판 9월 4일자에 게재 되었다. 

 

  당뇨치료제o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

 - 논문명 : Insulin-inducible SMILE inhibits hepatic gluconeogenesis.

 - 저자 정보 : 최흥식 교수(공동 교신저자, 전남대), 구승회 교수(공동 교신저자, 고려대), 이지민 박사(공동 제1저자, 전남대), 서우영 박사 (공동 제1저자, 성균관대)

  

 □ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 당뇨치료제 1. 연구의 필요성

 ○ 인슐린은 혈액 내의 포도당을 글리코겐 형태로 저장하거나, 간의 당신생합성*을 억제함으로써 체내 당 균형을 유지하는 호르몬이다. 인슐린 분비에 이상이 생겨 포도당이 적절히 제거 혹은 저장되지 못하고 소변으로 배설되는 병인 당뇨는 각종 합병증을 일으키는 심각한 대사질환이다. 

*당신생합성(糖新生合成, gluconeogenesis) : 당은 음식물 섭취 후 분해과정을 통해 만들어지기도 하지만, 필요시 간에서 탄수화물 이외의 물질로부터 새롭게 합성되기도 하며 이를 당신생합성이라 함 

○ 인슐린은 간에서 당신생합성에 필요한 효소인 지식스피에이즈(G6Pase)와 펩시케이(PEPCK)의 유전자 발현을 조절하는 폭소1 단백질을 억제함으로써 당 농도를 조절한다고 알려져 있으나 더 자세한 메커니즘은 알려지지 않았다. 

 

당뇨치료제 2. 발견 원리

 ○ 절식 후 다시 먹이를 먹인 쥐에서 인슐린 분비가 증가하자, 분비된 인슐린에 의한 스마일(SMILE)이라는 단백질의 유전자 발현의 증가와 함께 당을 증가시키는 효소인 지식스피에이즈(G6Pase)와 펩시케이(PEPCK)의 유전자 발현이 스마일에 의해 현저히 감소하는 사실을 확인하였다. 

* 스마일 (SMILE : Small heterodimer partner interacting leucine zipper protein) : 유전자 발현을 위해선 DNA에 있는 정보를 RNA로 옮기는 전사라는 과정을 거쳐야 하는데 이 때 보조조절 혹은 억제하는 역할을 하는 단백질

 ○ 간세포주*나 쥐의 간으로부터 분리한 1차 배양세포에서도 같은 결과를 확인할 수 있었으며, 반면에 유전적으로 인슐린 수용체가 손상된 쥐 혹은 비만 모델 쥐에서는 스마일 단백질이 증가되지 않아 당 합성이 억제되지 못하고 혈당이 높아지는 것을 확인했다. 

* 간세포주: 간에서 유래된 세포로, 본 연구에서는 분화된 간세포의 특성을 유지하면서 무한정으로 계속 배양되는 불멸화된 세포를 의미

  

 당뇨치료제 3. 연구 성과

 ○ 섭식 활동 후 분비된 인슐린에 의해 발현된 스마일(SMILE)이라는 단백질이 당을 생성하는 효소의 유전자 발현을 억제하여 당 농도를 조절한다는 새로운 메커니즘을 밝혀냄으로써, 스마일 단백질을 제어할 수 있는 물질을 개발한다면 새로운 당 조절 및 당뇨병 치료제 개발에 응용할 수 있을 것으로 보인다.

 

□ 최흥식 교수는 “이번 연구 결과를 통해 인슐린의 당 조절에 대한 새로운 기전을 규명함으로써 인슐린의 기능과 관련된 기초 지식을 제공하고 향후 새로운 당뇨병 치료제 개발에 중요한 토대를 마련하였다”고 연구 의의를 밝혔다.

 

당뇨치료제 혈당조절에 관여하는 단백질의 새로운 작용 메커니즘 규명

 - 새로운 당뇨 치료제 개발 토대 마련 -

 

 

당뇨치료제 연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경

ㅇ 인슐린의 작용기전을 구체적으로 살펴보면, 췌장으로부터 분비된 인슐린은 혈액을 타고 순환하다가 근육세포나 간세포와 같은 표적세포의 표면에 존재하는 인슐린 수용체(insulin receptor)에 결합한 후, 세포 내 하위 매개 물질인 insulin receptor substrate 1, 2 (IRS1, IRS2)의 티로신(tyrosine) 부위를 인산화 (phosphorylation) 시킴으로써 시작된다. 이 후 또 다른 단백질 PI3K, Grb2, SHP2 등이 IRS에 결합함으로써 하위 신호전달이 활성화 된다. 근육에서는 PI3K에 의해 활성화된 Akt와 aPKCs에 의해 당이 이동할 수 있는 통로 단백질인 GLUT4가 세포의 원형질 막 (plasma membrane)으로 이동, 인슐린 자극에 의한 당 유입을 유도하고, 간에서는 PI3K에 의해 활성화된 Akt에 의해 당 분해와 당 신생합성을 억제함으로써 혈액 내 당 농도를 조절한다. 한편, 인슐린에 의한 당신생합성 조절에는 다양한 전사 조절인자들이 관여하고 있으며, 이들 조절인자의 비정상적인 작용은 당뇨와 같은 대사질환을 야기 한다.

ㅇ 지금까지는 인슐린은 간에서 당신생합성에 필요한 효소인 G6Pase, PEPCK의 유전자 발현을 조절하는 Foxo1이라는 단백질의 전사활성을 억제함으로써 당 농도를 조절한다고 알려져 왔으나, 여타 새로운 메커니즘은 아직 밝혀 지지 않았다. 

 

 2. 연구내용

ㅇ 본 연구에서는 섭식활동 후 분비된 인슐린에 의해 발현된 SMILE이라는 단백질이 당신생합성에 필요한 효소의 유전자 발현을 억제함으로써, 당 농도를 조절한다는 새로운 메커니즘을 규명하였다.

 

ㅇ 구체적으로, 절식 후 다시 먹이를 준 쥐에서 인슐린분비 증가와 함께 간에서 SMILE이라는 전사조절인자의 유전자 발현이 증가하였으며, SMILE에 의해 G6Pase, PEPCK의 유전자 발현이 현저히 감소한다는 사실을 확인하였다. 이러한 결과는 AML12와 같은 간 세포주(liver cell line)나 쥐의 간으로부터 분리한 1차 배양세포 (primary cell)에서도 같은 결과를 나타내었다. 한편, 유전적으로 인슐린 수용체가 손상된 쥐 혹은 인위적으로 고지방식을 통해 비만을 유도한 쥐에서는 이러한 현상이 일어나지 않음을 확인하였다. 

 

3. 기대효과

ㅇ 이러한 결과는 인슐린에 의한 간의 당신생합성 억제에 SMILE 이라는 단백질 역시 중요한 기능을 한다는 사실을 밝힘으로써 인슐린 기능과 관련된 기초지식을 제공함과 아울러, 향후 새로운 당뇨병 치료제 개발에 응용이 가능할 것으로 사료된다. 

 

 ★ 당뇨치료제 연구 이야기 ★

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

Insulin은 체내 혈당을 조절하는 중요한 호르몬으로, Insulin에 의해 발현되는 당신생합성관련 유전자의 전사를 억제하는 조절인자는 아직까지 알려지지 않았다. 이번 연구에서는 흥미롭게도 섭식활동 후 분비된 insulin에 의해 SMILE이라는 단백질이 증가됨을 발견하였으며, insulin 신호가 손상된 동물모델에서는 SMILE이라는 단백질의 발현이 섭식활동 후 변화가 없음을 발견하였다. 이러한 결과를 토대로 본 연구진은 insulin에 의해 조절되는 SMILE 단백질의 발현이 체내 혈당을 조절하는 역할이 있지 않을까하는 질문을 가지게 되었고, 분석결과 SMILE 단백질 발현이 insulin에 의한 체내 당대사 조절에 관여하고 있음을 발견하고 본 연구를 진행하였다. 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

본 과제의 책임자인 전남대학교 최흥식 교수와 고려대학교 구승회 교수는 2009년부터 공동연구를 통해 많은 연구결과를 얻었다. 두 대학의 연구진들은 효율적이고 특화된 공동연구 수행으로, 전남대학교 최흥식 교수 연구진에 의해 밝혀진 전사조절 메커니즘을 고려대 구승회 교수 연구진에 의해 동물모델에서 확인함으로써 공동연구 수행의 효과적인 조화를 보여주었다. Insulin에 의한 SMILE 단백질이 체내 혈당조절에 중요함을 밝힌 본 연구 또한 이러한 공동연구를 통해 얻어진 결과물 중 하나이다. 

 

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

 

SMILE 유전자에 관련된 보고는 2000년 처음 발표되었으나 현재까지 30편 정도의 관련 논문이 보고된 전부이다. 또한 SMILE 유전자에 대해 연구하는 국내연구진이 없어서 연구 진행과정에서 기본적인 모든 발현유전자들을 준비했고 연구에 필요한 동물실험과 형질전환 동물모델 구축에 애를 먹었다. 그러던 중 미국의 Dr. Biddinger와 스위스 Dr. Hemmings 그룹의 도움으로 insulin receptor와 PKB가 결손 된 동물의 샘플을 받아 실험을 진행하고 원했던 결과를 얻을 수가 있었다.

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

체내 혈당 조절에 필수적인 호르몬인 insulin에 의해 발현이 증가되어 포도당 신생합성에 핵심적인 역할을 하는 유전자들의 전사를 저해하는 전사조절인자인 SMILE이라는 단백질을 발견하였다. 즉 insulin이 혈당을 조절함에 있어 지금까지 알려진 번역 후 변형(post-translational modification) 메커니즘이 아닌 유전자발현 억제를 통한 혈당조절에 SMILE 단백질이 중요한 활성을 가진다는 결과를 발견하였다. 또한 비만이나 당뇨 동물에서 SMILE 단백질 발현에 의한 혈당저하 효과를 발견하였다. 이는 insulin의존 또는 비의존적 당뇨에 SMILE 유전자 발현 유도물질이 당뇨병 치료제 개발에 쓰일 수 있음을 시사한다. 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 

SMILE 유전자 연구를 통해 효과적인 당뇨병 치료제 개발에 기여하고 관련된 다양한 대사질환 치료에 기여하고 싶다.

 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 

본 연구결과를 Diabetes에 처음 투고하고 리뷰어가 세세한 실험을 요구했다. 동물모델 실험은 리뷰어들이 제시한 기간 내에 수행할 수 없는 실험이었다. 하여 본 연구진은 editor에게 review가 요구하는 사항이 revision 기간 안에 수행할 수 없음을 설명하는 편지를 보냈고, 그것이 받아들여져서 revision기간이 연장되는 끝에 본 논문이 나올 수가 있었다. 

 

 

용 어 설 명

 1. 다이아베티스 (Diabetes) 誌

  ○ 다이아베티스 (Diabetes) 誌는 대사관련, 특히 당뇨와 관련된 연구결과를 발표하는 학술지로서 1952년 American Diabetes Association에 의해 창간되어 매달  발표되는 의학저널이다. 학술지표 평가기관인  Journal Citation Reports에 의하면 2014년 기준 저널 영향지수 (impact factor) 8.095로서 내분비 및 대사 해당 분야 128개 저널 중 8번째 랭크되어 있는 영향력 높은 저널이다.

 

2. 인슐린(Insulin)

우리 몸의 대사조절에 중요한 호르몬 중 하나로, 섭식활동 후와 같이 체 내 당 농도가 증가하게 되면 췌장을 구성하는 랑게르한스 섬 베타 세포에서 분비되어, 혈액 내의 포도당을 세포 내로 유입시켜 다당류인 글리코겐 형태로 저장하거나, 간에서 당을 새로 만드는 과정인 당신생합성(糖新生合成, gluconeogenesis)을 억제함으로서 체 내 당 균형을 유지하는 역할을 한다. 따라서 인슐린 수용체가 손상되면 당뇨와 같은 당 조절 장애가 발생한다. 당 조절 이외에도 인슐린은 표적세포에 따라 여타 복잡한 신호전달체계를 통해 세포의 성장, 대사관련 유전자 발현, 섭식조절 등 다양한 기능을 수행한다.  

 

3. 당신생합성(糖新生合成, gluconeogenesis)

당은 탄수화물과 같은 음식물을 섭취한 후 분해과정을 통해 만들어지기도 하지만, 저혈당의 상황처럼 필요시 간에서 pyruvate, lactate, glycerol과 같은 탄수화물 이외의 물질로부터 새롭게 합성되기도 한다. 이렇게 새롭게 당이 만들어지는 과정을 당 신생합성이라 한다.

 

4. PEPCK(Phosphoenolpyruvate carboxykinase), G6Pase(Glucose 6-phosphatase)

  ○ 당신생합성에 필요한 필수 효소.

 

5. SMILE(Small heterodimer partner interacting leucine zipper protein)

  ○ 유전자 발현에 필요한 전사조절인자에 대한 보조조절인자(coactivator), 혹은 억제조절인자(corepressor) 역할을 하는 조절단백질.

 

 SMILE에 의한 혈당 강하 효과와 당신생합성 유전자 조절. 

당뇨병 모델 쥐에 SMILE을 발현시킨 결과 체 내 혈당을 낮추는 결과를 확인하였다. 또한 당신생합성에 필수적 효소인 PEPCK 혹은 G6Psae 유전자 발현이 당뇨병 모델 쥐에서 SMILE에 의해 현저히 감소하였다.

 

 당뇨치료제 연구를 통한 섭식상태에서의 SMILE에 의한 새로운 당 조절 메커니즘.

먹이를 먹지 않은 절식 상태에서는 췌장에서 분비된 glucagon이라는 호르몬에 의해 보조전사조절인자인 PGC-1a의 발현이 증가, 당신생합성에 필수적 효소인 PEPCK 혹은 G6Psae 유전자 발현을 유도하는 전사조절자 HNF4a 단백질의 전사활성을 도와 간의 당신생합성을 증가시킴으로써 체 내 당 농도를 높인다. 

 

한편, 먹이를 섭취한 섭식 상태에서는 체 내 당 농도가 올라가 있으므로, 췌장에서 분비된 인슐린에 의해 SMILE이 증가, HNF4a에 대해 보조전사조절인자인 PGC-1a와 경쟁적으로 결합함으로써 PEPCK, G6Psae 유전자 발현을 방해함으로서 당신생합성을 억제한다. 

 

참고로, 기존의 이론에 의하면 섭식 상태에서는 분비된 인슐린이 PEPCK, G6Psae 유전자 발현을 조절하는 또 다른 단백질인 FoxO1을 인산화 시켜 세포의 핵 밖으로 내 보냄으로써 당신생합성을 억제하여 당을 조절한다고 알려져 있다.     

본 연구에서는 인슐린에 의해 발현되는 SMILE이라는 단백질이 G6Pase, PEPCK의 유전자 발현을 억제함으로써 당 신생합성을 제어, 당 농도를 조절한다는 새로운 메커니즘을 규명하였다.

 

 

최흥식 교수[교신저자] 이력사항

 1. 인적사항

 ○ 소  속 : 전남대학교 생명과학기술학부

 ○ 전  화 : 062-530-0503

 ○ 이메일 : hsc@chonnam.ac.kr

 

2. 학력 

 ○ 1985년 : 경희대학교 생물학 학사

 ○ 1990년 : Rutgers Unbiversity & UMDNJ Medical School, USA 세포발생학 박사

 

3. 경력사항 

 ○ 2011년 ~ 현  재 : 한국연구재단 창의연구사업 핵수용체연구단 단장

 ○ 1996년 ~ 현  재 : 전남대학교 교수

 ○ 2009년 ~ 2013년 : 전남대학교 의과대학 의생명과학교실 전임겸임교수

 ○ 1994년 ~ 1995년 : 한국생명공학연구소(KRIBB) 해외초빙과학자

 ○ 1990년 ~ 1994년 : Harvard Medical School(MGH) 박사후연구원

 ○ 1990년 ~ 1991년 : Harvard Medical School(Dana-Farber Cancer Institute) 박사후연구원

 

4. 전문분야정보

 ○ 핵수용체, 전사조절, 간 대사질환

 

5. 기타실적 

 ○ SCI급 논문 170여편

 ○ Journal of Biological Chemistry (JBC) 편집위원

 

 구승회 교수[교신저자] 이력사항

 1. 인적사항

 ○ 소  속 : 고려대학교 생명과학과

 ○ 전  화 : 02-3290-3403

 ○ 이메일 : koohoi@korea.ac.kr

 

2. 학력 

 ○ 1992년 : 서울대학교 화학과 학사

 ○ 1995년 : 서울대학교 화학과 석사

 ○ 2000년 : University of Minnesota, Minneapolis, USA 생화학 박사

 

3. 경력사항 

 ○ 2013년 ~ 현  재 : 고려대학교 생명과학과 교수

 ○ 2005년 ~ 2013년 : 성균관대학교 의과대학 조교수, 부교수

 ○ 2002년 ~ 2005년 : Salk Institute, USA, Research Associate

 ○ 2001년 ~ 2002년 : Stanford University, USA, Postdoctoral Associate

 ○ 2000년 ~ 2001년 : University of Minnesota, USA, Postdoctoral Associate

 

4. 전문분야정보

 ○ 간 포도당 대사, 유전자 발현 조절, 대사 질환

 

5. 기타실적 

 ○ SCI급 논문 65편 (H-index: 22, 총인용수: 3782회)

 

 

 이지민 박사[제1저자] 이력사항

 1. 인적사항

 ○ 소 속 : 전남대학교 생명과학기술학부

 ○ 전 화 : 062-530-0501

 ○ e-mail : jmajw@hanmail.net

 

2. 학력 

 ○ 2006년 2월 : 목포대학교 생물학과 (생물학 전공, 이학사)

 ○ 2008년 2월 : 전남대학교 분자내분비협동과정 (이학석사)

 ○ 2012년 2월 : 전남대학교 생명과학기술학부 (이학박사)

 

3. 경력사항 

 ○ 2012년 ~ 현재 : 전남대학교 생명과학기술학부 박사후연구원

 

 

4. 전문 분야 정보

 ○ 핵 호르몬 수용체, 전사조절, 간 대사질환, 

 ○ SCI급 논문 10여편

 

 서우영 박사[제1저자] 이력사항

 1. 인적사항

 ○ 소 속 : 서울대학교 의약바이오컨버젼스 연구단

 ○ 전 화 : 031-888-9295

 ○ e-mail : swy435@biocon.re.kr

 

2. 학력 

 ○ 2006년 2월 : 국립공주대학교 생명과학과 (생물학 전공, 이학사)

 ○ 2008년 2월 : 성균관대학교 의학과 (이학석사)

 ○ 2012년 2월 : 성균관대학교 의학과 (이학박사)

 

3. 경력사항 

 ○ 2012년 ~ 2015.5월 : 삼성서울병원 박사후연구원

 ○ 2015년.5월 ~ 현재 : 서울대학교 의약바이오컨버젼스연구단 항체팀장

 

4. 전문 분야 정보

 ○ 유전자발현조절, 대사질환, 항체&항체

 ○ SCI급 논문 9편