한국연구재단은 최흥식 교수(전남대) 연구팀이 간의 전사^*조절 물질인 이알알감마(ERRγ) 단백질^**의 당 수식화 과정이 체내 혈당 조절에 영향을 미치는 핵심 메커니즘임을 규명하였다고 밝혔다.

 

당 수식화는 세포 내에서 합성된 단백질이 특정 효소에 의해 탄수화물과 결합하는 과정이다. 단백질은 인체에 흡수되면 제 기능을 하기 위해서 형태가 바뀌어야 하는데, 이 당 수식화로 인해 적정 형태가 되어 제 기능을 한다.

췌장에서 분비되는 인슐린과 글루카곤^*은 음식물 섭취에 의한 혈당 변화에 따라, 간에서의 포도당을 생성·억제함으로서 체내 혈당 조절을 한다. 그러나 이처럼 생체 호르몬의 분비를 통한 혈당 조절 기전이 잘 알려진 것에 비해, 특정한 단백질의 당 수식화 과정을 통한 혈당 조절 기전은 잘 알려지지 않았다.

  

ERRγ단백질은 음식물 섭취로 인한 혈당 변화에 따라 발생량이 조절됨으로서 정상 혈당을 유지한다. 이번 연구에서 연구팀은 ERRγ이 당 수식화 과정을 통하여 간의 포도당 생성과 억제에 영향을 주어 체내 혈당 조절에 영향을 미치는 것을 새롭게 밝혀냈다. 

이는 정상 혈당을 유지하기 위해 ERRγ의 발생과 ERRγ 당 수식화가 동시에 일어나는 것을 뜻한다.

절식 상태에서 혈당이 떨어질 경우 ERRγ이 많이 발생되어 부족한 단백질이 채워져 혈당이 올라간다. 또한 동시에 ERRγ의 당 수식화가 일어나서 ERRγ이 분해되는 것을 막아 혈당이 올라간다.

반면 섭식상태에서 혈당이 높아질 경우 ERRγ의 발생이 억제되며, ERRγ의 당 수식화가 일어나지 않으므로 단백질이 분해가 되어 혈당이 낮아진다.

이는 당 수식화가 일어날 때 ERRγ과 함께 발생되는 당 수식화 효소(OGT)^*가 ERRγ을 분해하지 않도록 당 수식화를 진행시키는 까닭이다. 이는 ERRγ이 과다 발생되었으나 절식상태에서도 당 수식화가 일어나지 않는 돌연변이 쥐를 통해 밝혀낸 것이다.

  

비정상적으로 ERRγ의 당 수식화가 지속되면 간에서의 포도당 생성이 지속됨으로서, 혈당을 낮추기 위해 분비되는 인슐린 조절 기능에 문제가 발생할 수 있다. 

최흥식 교수는 “인슐린 저항성이 원인인 제2형 당뇨병 및 대사질환은 세포 내 ERRγ단백질의 당 수식화가 정상적으로 조절되지 않아 나타난다고 할 수 있다”며 “ERRγ단백질의 전사활성을 조절하는 물질이 추후 인슐린 저항성을 개선하는 신약후보 물질이 될 수 있다”라며 연구의 의의를 밝혔다.

 - 논문명 : O-GlcNAcylation of Orphan Nuclear Receptor Estrogen -Related Receptor γ Promotes Hepatic Gluconeogenesis 

- 저자 정보 : Jagannath Misra, Don-Kyu Kim, Yoon Seok Jung, Han Byeol Kim, Yong-Hoon Kim, Eun-Kyung Yoo, Byung Kyu Kim, Sunghoon Kim, In-Kyu Lee, Robert A. Harris, Jeong-Sun Kim, Chul-Ho Lee, Jin Won Cho, and Hueng-Sik Choi

   

지속적인 간의 포도당 생성은 혈당을 증가시키고 이로 인해 인슐린 저항성을 유발하여 대사질환의 원인으로 알려져 있다.

   

체내 혈당 변화에 반응하여 일어나는 세포 내 단백질 당 수식화와 관련된 조절기전은 잘 알려져 있지 않았다.

 

절식상태에서 부족한 포도당을 보충하기 위해 ERRγ 단백질의 당 수식화가 일어나고 ERRγ 단백질 안정화되어 간의 포도당 합성을 증가시키는 반면, 섭식 상태에서는 당수식화가 일어나지 않아 ERRγ 단백질이 불안정하여 분해되고 간의 포도당 합성을 억제하는 메카니즘을 확인하였다.

  

체내 혈당변화에 반응하여 세포 내에서 ERRγ 단백질의 당수식화 정상적으로 조절되지 않을 경우 지속적인 간의 포도당 생성으로 인해 인슐린 저항성을 유발하게 된다.

따라서 ERRγ 단백질의 전사활성을 억제하는 물질 및 세포내 당 수식화를 조절하는 물질이 인슐린 저항성을 인해 발생하는 대사질환 치료제의 후보물질이 될 수 있음을 확인하였다.         

섭식과 절식에 따르는 우리 몸의 혈당변화는 췌장에서 분비되는 인슐린과 글루카곤에 의해서 조절되는 것으로 잘 알려져 있다. 특히 지속되는 절식에 따른 혈당 감소는 간에서 만들어지는 포도당 생성의 증가를 통해 보충하게 된다. 반면 섭식으로 인해 혈당이 증가할 경우 혈당을 감소시켜야 하므로 근육 및 말초 조직으로 포도당 흡수를 촉진하고 간에서는 포도당 생성을 억제하여 정상혈당을 유지하게 된다. 그러나 지금까지 인슐린과 글루카곤에 의해서 조절되는 세포내 다양한 전사조절인자들이 보고되고 있지만 혈당변화에 반응하여 세포내에서 일어나는 당수식화 조절 기전은 거의 알려지지 않았다. 

본 연구진은 이전 연구에서 핵수용체 ERRγ가 간의 포도당 생성을 촉진하는 핵심 전사조절 인자임을 규명한 바 있다. 따라서 먼저 정상 쥐를 절식 (fasting 6h)과 섭식 (feeding 2h)을 시킨 후, ERRγ 단백질의 당 수식화를 확인한 결과 절식 상태에서는 간의 ERRγ 단백질의 당 수식화가 증가하여 단백질이 안정화된 반면, 섭식 상태에서는 당 수식화가 감소하고 단백질이 분해되었다. 그러므로 본 연구진은 절식 상태에서 간의 포도당 생성의 증가가 ERRγ 단백질의 당 수식화에 기인하는 것으로 판단하고 추가 세포 및 동물 실험을 이용하여 분자기전 연구를 진행하였다. 그 결과, 절식 상태에서는 세포 내 당 수식화 효소인 OGT(O-GlcNAc transferase)가 활성화되고 이는 ERRγ 단백질의 317과 319째 아미노산인 세린(serine)을 당 수식화시켜 분해되지 않도록 안정화시키는 방법으로 간의 포도당 생성을 촉진시키는 새로운 세포내 포도당 생성 조절 메카니즘을 규명하였다. 생쥐 실험을 통해 OGT에 의해서 당 수식화가 되지 않는 돌연변이 ERRγ 단백질[S317A와 S319A: 317번과 319번 세린(Serine)을 알라닌(Alanine)으로 치환함]을 정상 쥐에 과발현 시켰을 경우 대조군은 당 수식화되고 안정화되어 혈당이 증가한 반면 돌연변이 ERRγ 단백질은 대조군과 비교하여 당 수식화가 형성되지 않아 혈당이 증가하지 않음을 확인하였다. 따라서 간세포 내 ERRγ단백질의 당 수식화가 지속될 경우 간의 포도당 생성이 증가된 상태로 유지되고 이는 인슐린 저항성이 유발되어 당뇨병 및 대사질환으로 이어질 가능성이 높다는 것을 확인하였다. 

혈중에 포도당의 농도가 비정상적으로 높은 상태로 유지될 경우 인슐린 저항성을 유발하고, 결국 당뇨병 및 대사질환으로 이어지는 것으로 알려져 있지만 그 핵심 원인은 잘 알려져 있지 않았다. 본 연구에서는 체내 혈당 변화에 반응하여 이루어지는 정상적인 ERRγ 단백질의 당 수식화 과정이 혈중 포도당 항상성 조절에 핵심 기전임을 규명하였다. 따라서 비정상적인 ERRγ 단백질의 당 수식화 과정으로 발생하는 인슐린 저항성의 경우, ERRγ 단백질의 전사활성을 억제하는 물질 및 세포 내 당 수식화를 조절하는 물질이 새로운 대사질환 치료제로 활용할 수 있음을 확인하였다.

 

급격한 경제성장과 더불어 노인인구 증가와 서구화된 생활양식으로 인해 폭발적으로 증가하는 제 2 형 당뇨병 및 대사증후군은 우리 사회에 심각한 문제로 대두되고 있음. 현재 이러한 대사 증후군은 인슐린 저항성으로 인한 만성적 고혈당이 여러 가지 대사증후군을 초래하는 것으로 알려져 있음. 따라서 인슐린 저항성을 유발하는 근본적인 원인 및 분자기전 규명은 인슐린 저항성을 극복하는 새로운 치료제 개발의 핵심기술을 제공할 것으로 생각함. 

본 연구와 관련하여 이전에 핵수용체 ERRγ가 간의 포도당 생합성 대사를 촉진하는 결과를 보고한 바 있음. 그 연구에서는 섭식과 절식 상태와 같은 혈당 변화에 따라 ERRγ의 유전자 발현이 조절되는 분자기전을 규명하였음. 이번 연구에서는 ERRγ의 유전자 발현도 중요하지만 ERRγ 단백질의 안정화가 포도당 생합성 대사에 중요할 것으로 판단하고 연구를 진행하였음. 특히 세포 내에서 수많은 단백질들은 전사후 번역{Post-translational modification, 주로 인산화 (phosphorylation)}을 거치고 이로 인해 단백질의 기능이 변화되는 것으로 알려져 있음. 그러나 특이하게도 절식 상태에서 활성화되는 당 수식화 효소인 OGT(O-GlcNAc transferase)를 통해서 ERRγ는 유전자 발현과 더불어 당 수식화라는 전사 후 번역과정을 겪음으로써 안정화되고 결국 간의 포도당 생합성을 촉진하는 새로운 세포 내 조절기전을 규명하였음.

본 연구를 통해 규명한 핵심 기전인 ERRγ의 당 수식화 기전은 본 연구진이 기존에 연구하지 않았던 생소한 분야기 때문에 연구를 진행하는데 여러 가지 어려움이 있었음. 그러나 국내 당 수식화 전문가인 연세대 조진원 교수님과 단백질 구조분야 전문가인 전남대 김정선 교수님, 그리고 생명연의 이철호 박사님과의 공동연구를 진행하면서 일이 빠르게 진행되었음. 특히 본 연구단에서 진행하기 어려운 동물실험, LC/MC 연구를 통한 ERRγ단백질의 당 수식화 아미노산 규명 및 단백질 수식화된 ERRγ의 3차구조를 확인하면서 여러 가지 어려움을 잘 극복할 수 있었음.

포도당 항상성 조절과 관련된 여러 가지 기전들이 알려져 있지만, 세포 내 당 수식화 효소를 통한 전사조절 단백질의 수식화가 간의 포도당 생성 조절과 관련된 기전은 잘 알려져 있지 않았음. 본 연구에서는 절식 상태가 유지될 경우 간에서 ERRγ단백질의 당 수식화와 안정화를 통해 포도당 생합성을 증시키고 그로 인해 정상 혈당이 유지되는 새로운 세포내 포도당 항상성 조절 핵심 기전을 규명하였음.

현재 본 연구단에서 진행하고 있는 핵수용체에 의한 간 대사 조절 네트워크 연구 중에 하나로 핵수용체에 의한 포도당 대사 조절 뿐만 아니라 박테리아 감염 조절 연구를 진행 중에 있음. 핵수용체의 특성상 리간드에 의해서 특이적으로 전사활성이 조절되므로 핵수용체의 리간드를 이용하여 간 대사질환 및 감염질환을 개선할 수 있는지 검증하는 연구를 진행할 예정임.    

당뇨병 분야 국제학술지로 내분비학 및 대사(ENDOCRINOLOGY & METABOLISM)분야에서 상위 10%(9위/131개) 이내(피인용지수: 8.784) 

 

세포 내 유전자발현 변화를 통해 세포의 발생이나 성장, 분화를 조절하기 위해 호르몬에 반응하는 호르몬 수용체가 필요한데 크게 세포막 수용체와 핵 수용체가 있다.

 

핵수용체는 호르몬(리간드)과 결합하여 활성화되어 수용체 스스로 전사조절 인자로서 작용하여 유전자의 발현을 조절한다. 결합하는 리간드가 밝혀지지 않은 경우 고아핵수용체(orphan nuclear receptor)라고 부르는데 ERRγ 역시 고아핵수용체 중의 하나이다.

ERRγ가 간에서의 포도당대사를 조절하는 핵심유전자임을 규명한바 있다. (Orphan nuclear receptor estrogen-related receptorγ(ERRγ) is key regulator of hepatic gluconeogenesis. J Biol Chem. 2012;287(26):21628-39)

그림1. 포도당 저항성(Glucose tolerance test) 검사. 

당 수식화가 되는 wt-ERRγ (검정색)와 당 수식화가 되지 않는 돌연변이 ERRγ(파란색) 그리고 대조군 (빨간색)을 정상 쥐의 간에 과발현 할 경우, 당 수식화가 되는 wt-ERRγ는 고농도 포도당(1g/kg)에 대한 체내 저항성이 대조군 및 당 수식화가 되지 않는 돌연변이 ERRγ에 비해 현저히 증가되었음은 나타내는 결과다. 

그림2. ERRγ단백질의 당 수식화 조절 모식도. 

절식상태에서는 ERRγ단백질의 당 수식화는 ERRγ단백질을 안정화시키고 그로 인해 간의 포도당 생성을 촉진시키는 반면, 섭식상태에서는 ERRγ단백질의 당 수식화가 일어나지 않아 분해된다. 당뇨병과 같은 질환의 경우 ERRγ단백질의 당 수식화가 지속적으로 유지되어 포도당 생성을 촉진하고 결국 인슐린 저항성을 유발하게 된다.