세포가 언제, 어떻게 자신의 운명을 알게 되는지에 대해, 이전 연구에서는 여러 가지 사이토카인 및 성장인자가 세포의 분화 및 운명을 제어하는 것으로 알려져왔다. 이번에 오사카대학 연구진은 면역과 관련하여 대식세포(Macrophage)계 세포의 하나이며, 관절 류머티즘 등 만성염증의 뼈를 파괴 및 흡수하는 파골세포가 만들어지는 과정이 사이토카인뿐만 아니라 그 세포를 둘러싼 환경 (특히 대사상태)이 세포 내의 후천적 유전을 조절한다는 새로운 사실을 밝혀내었다.
세포를 둘러싼 외부환경의 자극은 세포의 생존, 증식 및 분화에 결정적 영향을 미친다. 예를 들어 골흡수활성을 통해 뼈의 항상성을 유지하고, 만성염증 시 과잉 골파괴를 유도하는 대식세포계 세포인 파골세포의 형성에는 골아세포나 주변 면역세포에서 발현된 RANKL이나 M-CSF 등의 사이토카인에 의해 제어된다. 한편, 세포주변의 영향환경(산소 및 당)도 세포에게 있어 매우 중요하다. 대사경로를 통해 생산되는 영양소 등 에너지는 여러 가지 세포의 구성성분(대사물질)에서 세포의 종류에 관계없이 보편적으로 중요하다고 알려져 있지만, 이것이 단지 에너지적인 면만 중요한 것인지에 대해서는 알려지지 않았다. 본 연구에서는 세포의 운명을 결정하고 기능을 변화시키는데 그 세포가 놓여있는 대사상대가 깊이 관여한다는 것을 최초로 밝혀내었다. 이번 파골세포의 분화에 관련된 새로운 메커니즘을 이해한 연구는 향후 새로운 골파괴 억제제 개발과 연결될 것으로 기대된다. 최근 일본 국민의 1/4이 65세 이상인 초고령사회로 진행되면서 고령화에 따른 골다공증 환자수가 증가하고 사회적 문제가 되고 있다. 특히 후천적면역 제어효소 Dnmt3a의 저해제 TF3를 이용한 본 연구성과는 이 메커니즘이 골질환에 새로운 신약개발의 목표로 유망하다는 것을 보여준다. 또한 TF3은 식품유래인자이기 때문네 식사나 보조제로 골파괴를 예방할 수 있을 것으로 기대된다.
구체적인 연구내용은 다음과 같다:
1. 대식세포계 파골세포에서 호기성 대사의 역할
미토콘드리아는 산소를 소비하는 대사경로(호기성 대사)를 담당하는 중요한 에너지 생산기관이다. 생체 내 세포 중 에너지 수요가 높은 세포는 미토콘드리아를 생합성하여 풍부하게 가지고 있으면 세포 내 대사 프로그램이 변화한다고 알려져 있다. 그 세포 중 하나는 파골세포로 실제 미토콘드리아가 풍부한 파골세포의 호기성 대사는 매우 높다고 알려져 있다. 이 파골세포에 특화된 호기성 대사의 역할을 밝혀내기 위해 파골세포의 종합적 메타볼리즘 해석을 수행하여 파골세포 분화에 따라 상승하는 대사 생성물을 동정하였다. 그 결과 메타오닌 대사생성물인 S-아데노실메티오닌(SAM)이 상승한다는 것을 발견하였다. ([그림 1]) 미토콘드리아의 전자전달계에 따라 전해제를 이용한 실험을 한 결과 파골세포의 호기성 대사를 통해 SAM의 생산이 높아진다는 것을 밝혀내었다. 또한 SAM 합성효소에 대한 저해제를 이용한 실험에서 SAM의 생산이 파골세포 분화에 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.
2. 파골세포의 분화와 세포내 대사를 연결하는 후천적 면역(epigenetics)의 제어
SAM과 관련된 분자 메커니즘을 밝혀내기 위해 SAM의 표적분자를 동정하였다. 파골세포의 분화정도에 따라 취득한 전사체(transcriptome) 데이터를 이용하여, 파골세포의 분화에 따라 표현을 유도하는 SAM 대사효소를 검색한 결과 DNA상의 시토신잔기에 메틸기를 전이하는 효소 Dnmt3a를 동정하였다. Dnmt3a는 지금까지는 배발생이나 신경세포의 분화에 관련된 역할을 한다고 알려져 있었으며, 골대사에 관련된 기능은 밝혀지지 않았다. 이어 conditional knockout법을 이용하여 파골세포 특이적 Dnmt3a 유전자 파괴 마우스를 조사하여, 파골세포 수와 골흡수가 감소할 때, 골량이 현저히 증가하는 것을 확인하였다. ([그림 2]) 이는 Dnmt3a가 움직이지 않으면 파골세포의 분화촉진이 일어나지 않는 것이라고 생각된다. 실험결과를 상세하게 해석한 결과 연구진은 파골세포 분화에서 Dnmt3a의 역할을 밝혀냈다. 즉, Dnmt3a는 1) 자신이 가진 DNA 메틸기 전이 효소활성을 통해 DNA 메틸화에 의해 유전자 발현제어와 관련되어 있으며, 2) 그 중에서도 파골세포 분화 억제와 관련된 전사인자 Irf8의 발현의 억제하는 것으로 파골세포의 분화를 촉진시킨다는 것, 3) Irf8의 발현제어에 관련된 DNA 메틸화 제어에서 Dnmt3a와 SAM가 협조적으로 작용하는게 중요하다는 것을 밝혀내었다.
3. 파골세포의 대사를 후생유전학(epigenetics) 제어를 통한 골파괴 억제치료
최근 암치료제의 개발연구에서 후생유전학(epigenetics) 제어를 위한 신약개발이 진행되고 있다. 이에 본 연구성과에서 밝혀진 파골세포 분화에 관한 DNA 메틸화 제어에 주목하여 신약개발의 가능성을 검토하였다. 골다공증은 파골세포의 이상활성화로 인한 만성질환의 하나로 알려져있다. 이에 본 연구는 난소를 적출한 후 골다골증을 발증시킨 폐경 후 골다공증 모델마우스를 이용하여 치료시험을 수행하였다. 난소 적출 후, 모델마우스는 골흡수가 저해되어 골량이 감소됨이 확인되었다. 이를 통해 골파세포 특이적인 Dnmt3a 유전자를 파괴한 마우스에서는 골파괴가 억제하는 것이 밝혀졌다. ([그림 3]) 이 결과는 Dnmt3a가 골파괴 억제치료의 신약개발로 이어질 가능성이 있다는 것을 의미한다. 이어 Dnmt3a의 표소활성을 저해하는 화합물을 탐색한 결과 홍차에 포함된 Theaflavin-3,3`-digallate (TF3)가 유력한 후보화합물로 검출되었다. 실제로 TF3을 이용한 치료실험을 수행한 결과, 골파괴를 유의하게 개선한다는 것이 밝혀졌다.
본 연구는 Nature Medicine지에 “DNA methyltransferase 3a regulates osteoclast differentiation by coupling to an S-adenosylmethionine–producing metabolic pathway” (doi: 10.1038/nm.3774)라는 제목의 논문으로 게재되었다.
