미래창조과학부(장관 최양희)는 “체내 신호전달물질로 알려진 S6K1^*이 유전자 발현 변화 과정을 통해 지방세포의 수를 증가시켜 비만을 유도한다는 사실이 국내연구진을 통해 세계 최초로 규명되었다”고 밝혔다.

       

한정환 교수(성균관대) 연구팀은 미래창조과학부(한국연구재단) 기초연구사업(집단연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세포생물학 분야의 세계적 학술지 ‘몰레큘라 셀(Molecular Cell)’ 4월 14일자에 게재되었다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

   

- 논문명 : S6K1 Phosphorylation of H2B Mediates EZH2 Trimethylation of H3: A Determinant of Early Adipogenesis

- 저자 정보 : 한정환 교수 (교신저자, 성균관대), George Thomas (공동교신저자, 바르셀로나 IDIBELL), 이상아 박사 (제1저자, 성균관대)

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

   

비만은 에너지 불균형에 의해 체지방이 과다하게 축적되는 상태를 의미하며 당뇨병, 고지혈증, 심장질환 등 각종 대사질환을 유발하여 건강을 위협한다. 최근 급격히 증가하는 비만 인구의 문제를 해결하기 위해 전 세계적으로 비만 치료를 위한 여러 연구가 진행되고 있다.

지방이 축적되는 기전 중 지방 조직 내 줄기세포가 지방세포로 분화되어 지방세포의 숫자가 늘어가는 ‘지방세포의 과형성’은 비만의 초기단계, 특히 소아비만에서 매우 중요한 단계이다. 소아 때 과하게 생성된 지방세포는 성인이 되어도 없어지지 않으며 잉여 지방의 저장소를 제공하여, 언제든 다시 쉽게 살이 찔 수 있는 체질로 만든다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 오랫동안 지방세포 분화 기전에 대한 연구가 진행되어 왔으나 아직도 완전히 규명되지 않았다.

 

 S6K1은 에너지 자극에 의해 활성화되어 단백질 합성을 유도하는 신호전달물질인데 이것을 인위적으로 결핍시킨 쥐는 항비만 형질을 가지며 각종 대사질환 관련 지표의 수치도 감소된다는 사실을 발견하였다. 이는 기존의 S6K1의 작용으로는 설명할 수 없어 S6K1의 새로운 역할에 대해 실험을 한 결과 지방세포 분화과정에서 S6K1이 활성화 된다는 것을 확인하였다.

 

줄기세포에서 활성화된 S6K1은 히스톤^* 단백질과 결합하는 과정을 통해 지방 세포 분화 억제 유전자인 Wnt 유전자의 발현을 감소시킴으로써 지방세포 분화를 촉진한다는 것을 밝혀냈다. 

         

특히 비만인 사람의 지방조직 뿐 아니라 고지방 섭취를 통해 비만을 유도한 실험용 쥐의 지방조직에서도 S6K1이 활성화 되어 있고 그로 인해 후성유전학^*적 변화가 증가되어 있음을 관찰했다.

         

이번 연구는 S6K1의 후성유전학적 역할을 발견해낸 것으로, 이러한 후성유전학적 변화가 지방세포 분화와 관련된 유전자의 발현을 조절함으로써 지방세포의 수가 증가한다는 사실을 규명한 것이다. 이는 비만 예방 및 치료제 개발에 새로운 가능성을 제시하였을 뿐만 아니라 특히 소아비만의 대표적 양상인 지방세포 과다형성과 그로 인한 만성 대사질환의 치료 연구에 핵심적인 단초를 제공하였다.

또한 세포질의 신호전달물질로만 알려져 있던 S6K1이 세포의 핵 내부에서 후성유전학적 변화를 통해 유전자의 발현을 직접적으로 조절한다는 사실을 세계 최초로 밝힌 연구이다. 

한정환 교수는 “비만 치료제 개발에 있어 지방세포 분화의 원리를 밝히는 것은 매우 중요하다. 이번 연구는 S6K1이 지방세포 분화를 조절한다는 사실을 규명하여, 비만치료에 새로운 이정표를 제시하였다. 특히 소아비만 및 그로 인한 만성대사질환의 예방 및 치료제 개발에 핵심 단초를 제공하였다”고 연구 의의를 밝혔다.

비만은 단순히 체지방이 축적되는 것에 그치지 않고 다양한 만성질환을 유발하기 때문에 1996년 세계보건기구는 비만을 '장기 치료가 필요한 질병'으로 규정하였고, 그 이후로 비만 극복을 위한 다각적인 연구가 진행되고 있다.

지방 조직에 잉여의 지방이 축적되는 기전은 크게 두 가지이다. 첫 번째는 지방 조직 내 줄기세포가 지방세포로 분화되어 지방세포의 숫자가 늘어나는 '과형성 (hyperplasia)'이며, 두 번째는 이미 분화된 지방세포에 지방이 쌓여 크기가 증가하는 '비대 (hypertrophy)'이다.

그 중에서도 지방세포의 과형성은 비만의 초기단계, 특히 소아비만에서 매우 중요한 단계이다. 소아 때 과하게 생성된 지방세포는 성인이 되어도 없어지지 않으며 잉여 지방의 저장소를 제공하여, 언제든 다시 쉽게 살이 찔 수 있는 체질로 만든다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 오랫동안 지방세포 분화 기전에 대한 연구가 진행되어 왔으나 아직도 완전히 규명되지 않았다.

  

본 연구에서는 이러한 비만의 근본적 해결을 위해 후성유전학의 개념을 도입하였다. 후성유전학은 환경에 의해 후천적으로 표현되는 형질을 설명할 수 있으며 그 대표적인 기전으로서 히스톤의 변형을 들 수 있다. 히스톤은 DNA와의 결합 정도를 통해 염색체의 구조를 결정하여 유전자 발현을 조절하는 단백질이다. 본 연구진은 에너지 자극에 의해 활성화되는 신호전달물질 S6K1이 히스톤 단백질의 변형을 통해 줄기세포에서 지방세포로의 분화를 촉진하여 비만을 유도한다는 사실을 밝혔다. 

mTOR-S6K1 신호전달체계는 기존에 세포질에서 단백질 생성을 매개하는 것으로 알려져 있다. 본 연구진은 줄기세포에서 분화자극인자(BMP4)에 의해 활성화된 S6K1이 세포질에서 핵 안으로 들어가 히스톤 단백질 H2B에 결합하여 H2B의 36번째 세린 (H2BS36) 잔기를 인산화시키는 현상을 최초로 관찰하였다. 이렇게 S6K1에 의해 인산화된 H2B는 또다른 히스톤 변형 효소인 EZH2를 불러와 히스톤 H3의 27번째 라이신 (H3K27) 잔기의 메칠화를 유도한다.

         

EZH2에 의한 H3K27 메칠화는 지방세포 분화의 억제 유전자인 Wnt 유전자의 발현을 억제하는 것으로 알려져 있다. 본 연구진은 S6K1에 의한 일련의 후성유전학적 변형들이 결과적으로 지방분화 억제 유전자인 Wnt 유전자의 발현을 감소시켜 지방세포 분화를 촉진하는 것을 확인하였다.

또한 본 연구진은 비만인 사람과 실험용 쥐의 지방조직에서 S6K1이 활성화되어 있고 S6K1에 의한 히스톤의 인산화 및 메칠화가 크게 증가되어 있는 것을 관찰하였다.

현재, 대사질환의 시발점인 비만을 극복하기 위한 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 특히 체지방을 저장하는 공간인 지방세포의 생성 과정을 억제하는 방법에 대한 연구는 비만 연구에서 가장 각광받는 분야이다. 본 연구 결과는 신호전달물질 S6K1에 의한 지방 세포 생성의 새로운 조절 기전을 후성유전학적 측면에서 제시하였으며 이는 신호전달체계와 후성유전학적 변형의 연결고리를 통해 비만을 치료할 수 있는 방법을 모색하는 데에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

특히, 소아비만에서는 지방세포의 생성이 더욱 많이 일어나 성인이 되었을 때에도 지방이 많이 축적될 수 있는 저장소를 제공하므로 소아비만은 성인비만에까지 이어지기 쉽다. 또한 과형성된 지방세포는 염증성 물질을 분비하고 인슐린 저항성을 유도해 각종 만성질환에 걸리기 쉽다. 따라서 본 연구는 소아비만 및 그로 인한 만성 대사질환의 예방 및 치료에 중요한 타겟을 제공할 수 있다.

또한 학문적으로도 신호전달물질인 S6K1이 핵 내부에서 후성유전학적 변화를 통해 유전자 발현을 조절한다는 사실을 세계 최초로 밝힘으로서, mTOR-S6K1 신호전달체계의 후성유전학적 역할에 대한 새로운 지평을 열었다.

S6K1은 세포내 에너지 또는 영양분에 의해 활성화되어 단백질 합성을 유도하는 중요한 신호전달물질인데, 흥미롭게도 S6K1을 인위적으로 결핍시킨 쥐는 항비만 형질을 가지며 각종 대사질환과 관련된 지표들도 감소된다는 것이 발견되었다. 기존에 알려진 S6K1의 역할로는 이러한 현상을 설명할 수 없어, 본 연구진은 S6K1의 새로운 역할에 대해 다양한 가설을 세우고 실험을 진행하였다. 그 결과 지방세포 분화 자극에 의해 S6K1이 활성화된다는 사실을 발견하고 지방세포 분화 과정에서 S6K1의 분자적 역할에 대한 본 연구를 시작하였다. 

본 과제의 책임자인 성균관대학교 약학대학 한정환 교수는 1992년부터 3년 동안 스위스 Friedrich Miescher Institute에서 박사 후 연구원으로서 S6K1에 대한 초기 연구를 수행하였다. 이후 성균관대학교에 교수로 부임한 이래로 S6K1의 새로운 역할에 대한 연구를 계속적으로 수행 중이며, 스위스에서 함께 연구하였던 신호전달 연구의 대가인 George Thomas 연구팀과 교류하며 국제공동연구를 진행하고 있다. 또한 한정환 교수는 한국연구재단 지정 기초의과학연구센터 (MRC, 에피지놈 제어 연구 센터)의 센터장으로서 후성유전을 이용한 질환 제어 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구 센터의 시스템 및 기술을 이용하여 신호전달물질인 S6K1의 후성유전학적 역할을 밝힐 수 있었으며, 수년간 축적된 S6K1 관련 연구 지식들을 통해 S6K1의 후성유전학적 역할에 의한 지방세포 분화 조절 기전을 규명하였다.    

실제로 비만한 사람의 지방조직에서 S6K1의 활성도와 그에 의한 후성유전적 변형의 여부를 확인하기 위해서는 비만 환자의 지방조직이 필요했으나, 본 연구진은 사람 조직을 확보할 시설 및 기술을 보유하지 못한 상황이었다. 그러던 중 카톨릭대 의학대학의 이종원 교수팀에서 지방 조직을 제공해 주기로 하였고, 이를 통해 비만 환자 및 비환자의 지방조직 내 S6K1 활성형 및 후성유전 변형을 비교분석할 수 있었다.

기존에 알려진 S6K1의 역할들은 전부 세포질에서의 역할이었으나, 본 연구에서는 S6K1이 핵 안에서 직접적으로 후성유전 변형을 일으키며 유전자의 발현을 조절한다는 사실을 발견하였다. 이는 S6K1이  세포의 핵 내부에서 어떤 역할을 하는지에 대해 밝힌 세계 최초의 연구이다. 

핵 내에 존재하는 S6K1의 후성유전학적 역할을 이용하여 비만 치료제 개발에 기여하고, 나아가 다른 다양한 난치성 질환들에서 S6K1의 핵 내 역할을 규명하여 난치성 질환 극복에 이바지하고자 한다.

본 연구결과를 Molecular Cell에 처음 투고해서 최종 accept이 되기까지는 약 5개월이 걸렸다. 이는 저명한 학술지의 프로세스 기간 치고는 꽤 적은 시간이 걸린 것이다. 논문의 초안을 본 3명의 리뷰어가 모두 본 연구결과의 중요성과 독창성에 대해서는 인정을 하였지만 명확한 기전 규명을 위한 많은 실험을 요구했다. 분자생물학 연구 분야의 특성상 빠른 시간 안에 실험을 완성해야 연구결과의 중요성과 독창성이 퇴색되지 않기 때문에, 본 연구진은 많은 실험을 최대한 빨리 수행하기 위한 각고의 노력을 하였다. 또한, 함께 연구한 스위스의 George Thomas를 통해 신호전달 및 후성유전학 분야의 세계적인 대가들과 토론을 하고 자문을 구하며 논문을 수정하였고 결국 빠른 시간 내에 리뷰어들의 요구사항을 만족시킬 수 있었다. 

 

Molecular Cell지는 세포생물학분야 최상위 학술지인 Cell지의 자매지 중 하나로 1997년부터 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 산정 14.018점 (2014년 기준)의 높은 영향력 지수를 가지고 있다.

지방조직 내에는 완전히 분화된 지방세포 외에, 지방세포로 분화될 수 있는 가능성을 가진 줄기세포가 함께 존재한다. 이러한 줄기세포가 적당한 분화 자극에 의해 지방세포로 분화되어 잉여 지방을 저장할 수 있게 되는데, 이 과정에 필요한 유전자들이 적당한 시기에 정확한 양을 발현함으로써 정교하게 지방세포의 분화가 일어난다. 

유전자의 기능과 발현에 관한 연구는 수십 년 동안 유전학(genetics)를 바탕으로 한 DNA 염기서열의 변화에 중점을 두었으나, 최근에 DNA 염기서열의 변화 없이 유전자 발현이 조절되는 현상이 알려졌다. 이처럼 DNA의 염기서열이 변화하지 않는 상태에서 이루어지는 유전자 발현 조절 기전에 관해 연구하는 학문을 후성유전학 (epigenetics)이라 하며 이 기전으로는 크게 두 가지가 주축을 이루고 있다. 첫 번째는 DNA에 메칠기가 붙는 DNA 메칠화이고, 두 번째는 DNA와 결합하여 염색체를 이루는 히스톤 단백질에 메칠기나 아세틸기, 인산기 등이 붙거나 떨어지는 히스톤 공유변형이다. DNA 메칠화 또는 히스톤 공유변형이 일어나면 DNA와 히스톤의 결합이 바뀌며 염색체의 구조가 변화되어 유전자 발현이 조절된다. 

mTOR-S6K1 신호전달체계는 에너지 자극에 의해 활성화되며 세포의 성장, 노화, 증식 등 다양한 생명현상에 중심적인 역할을 한다. 활성화된 mTOR가 S6K1의 389번째 threonine 잔기를 인산화 함으로써 S6K1을 활성화시키고, 활성화된 S6K1은 다른 여러 하위분자들을 인산화 함으로써 다양한 현상을 매개한다.

                 

      

유전적 변이를 통해 인위적으로 S6K1을 결핍시킨 마우스 (S6K1-/-)는 일반 마우스 (WT)에 비해 몸집이 더 작으며, 지방조직의 양 또한 반 이상 적은 것을 관찰할 수 있다 (왼쪽). 또한 S6K1 결핍 마우스와 일반 마우스의 지방조직에서 단백질의 양을 검출하는 western blot 실험을 수행한 결과, S6K1 결핍 마우스의 지방조직에는 S6K1에 의한 히스톤 H2B의 인산화 (H2BS36p) 및 그에 의한 히스톤 H3의 메칠화 (H3K27me3)가 사라져 있다 (오른쪽).

본 연구에서 밝힌, S6K1에 의한 지방세포 분화 조절 기전을 설명하는 그림이다. 지방세포 분화를 일으키는 자극인자에 의해 활성화된 S6K1은 핵 안으로 들어간 후, DNA와 결합하여 염색체를 이루고 있는 히스톤 단백질 H2B의 36번째 세린 잔기를 인산화시킨다. 메칠화 효소인 EZH2가 이것을 인지하여 히스톤 H3의 27번째 라이신 잔기를 메칠화시키고 지방분화 억제 유전자인 Wnt6, Wnt10a, Wnt10b 유전자의 발현을 억제시켜 지방세포 분화를 유도한다.