연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

트랜스지방의 생산과 소비는 매년 크게 증가하고 있으며, 건강에 해로운 것은 일반적으로 알려져 있다. 당뇨와 심혈관질환, 유방암, 대장암 등의 위험, 그리고 기형유발 등이 증가하는 것은 보고되어 있지만, 발병원인과 전신으로 독성이 나타나는 이유에 대해서는 알려진 바가 없다. 트랜스지방이 지단백질의 대사에 미치는 영향은 아직 불분명하다. 섭취된 트랜스지방은 장에서 흡수된 후 혈류를 통해 운반되므로 지단백질과 트랜스지방의 상호작용이 연구되어야 한다. 특히 HDL은 트랜스지방과 같은 외부 분자들에 의해 기능과 구조가 변형될 가능성이 크다. 본 연구는 트랜스지방의 다양한 독성이 몸 전체의 여러 장기에서 나타나는 이유를 규명하기 위해 시작되었다.

2. 연구방법

본 연구에서는 18개의 탄소를 가지는 세 가지 유형의 지방산인 스테아르산 (포화지방), 올레산 (불포화지방, 시스), 엘라이드산 (불포화지방, 트랜스) 의 생리적인 기능을 비교하였다. 본 연구팀은  HDL을 구성하는 주요 단백질인 apoA-I(apolipoprotein A-I)을 이용하여 각 지방산을 다양한 분자비로 결합된 재조합 HDL(rHDL)을 합성하여 구조와 기능의 변화를 관찰하였다. 세 가지 유형의 지방산은 같은 탄소수와 유사한 구조를 가지고 있지만 지단백질 대사에서의 생리적인 기능과 배아 발달에 미치는 영향은 다를 가능성이 있다.

트랜스지방을 포함하는 HDL을 합성하여 혈관 세포와 피부세포에 처리하여 염증 유발 및 세포 독성, 노화 유발정도를 비교하였다. 제브라피쉬를 이용하여 트랜스지방을 20주간 섭취시켜, 흡수되어 혈액으로 노출되면 혈액의 단백질들 그중 특히 고밀도지단백질(HDL)과 만나게 되는 상황을 재현하였다. 트랜스지방이 혈청의 HDL을 변형시켜 혈관을 타고 이동하여 배아 사멸 및 발달지연 등의 독성을 나타내며 지방간의 악화를 유발한다는 것을 제브라피쉬를 이용하여 분자 수준에서 증명하였다.

3. 연구결과

(1) 트랜스지방을 포함하는 재조합 HDL 합성

세 종류의 각각 다른 지방이 결합된 재조합 고밀도지단백질을 합성하였고, 입자의 크기를 비교한 결과 결합된 지방의 분자비가 증가할수록 HDL 입자 크기(89-94Å)와 알파 헬릭스 구조가 감소하였다. 트랜스지방인 엘라이드산의 결합 분자비가 증가함에 따라 rHDL에서 78Å의 작은 입자가 가장 많이 관찰되었다. 결합된 지방의 분자비 증가에 따라 HDL의 입자크기가 감소하였는데, 특히 트랜스지방인 엘라이드산에서 HDL의 입자크기가 가장 많이 감소하였다.

(2) 과당에 의한 혈관 대식세포의 염증유발 악화 비교

혈관 대식 세포에 과당을 처리한 후 dihydroethidium(DHE) 염색법을 통하여 생성된 염증을 붉은색의 강도로 비교하였다. 정상의 HDL과 올레산이 결합된 HDL을 처리하면 과당에 의한 염증의 생성이 감소함을 붉은 형광의 감소로 확인하였다. 하지만 트랜스지방인 엘라이드산이 결합된 HDL은 과당에 의한 염증을 오히려 악화시키는 것을 관찰하였다. 이는 HDL의 항염증 활성이 트랜스지방의 결합에 의해 손상되었음을 뜻한다.

(3) 트랜스지방에 의한 사람피부섬유세포의 노화 촉진

사람피부섬유세포를 배양하면서 각각의 rHDL을 처리하였고 노화의 정도는 SA-beta-gal 염색법으로 확인하였다. 푸른색으로 염색된 세포는 노화가 일어났음을 뜻한다. 불포화지방산인 올레산이 결합된 rHDL과 정상의 rHDL을 처리한 세포는 노화가 거의 일어나지 않았다. 하지만 트랜스지방인 엘라이드산이 결합된 rHDL을 처리한 세포에서 가장 많은 노화가 유발되었다.

(4) 트랜스지방에 의한 제브라피쉬 배아의 염증 유발 및 사멸 증가

제브라피쉬 배아에 산화된 LDL과 각각의 HDL을 혼합한 시료를 미세주입하여 배아독성과 염증유발 및 발달속도를 조사하였다. 트랜스지방인 엘라이드산이 결합된 HDL을 미세주입한 그룹(생존율 : 52%)에서 정상의 HDL과 올레산이 결합된 HDL을 미세주입한 그룹(생존율 : 69%, 65%)에 비해 배아의 사멸이 촉진되었다. 또한 배아의 발달속도가 느리고 산화된 LDL에 의한 염증유발을 오히려 증가시킴을 DHE 염색을 통해 확인하였다.

(5) 트랜스지방 급여에 의한 제브라피쉬의 지방간 및 간 염증 유발

제브라피쉬 (10주령) 모델을 이용하여 20주 동안 트랜스지방을 급여하였을 때, 지방간이 촉진되는지를 비교하였다. 정상적인 식이(normal diet, ND)에서 포화지방산(스테아르산)보다 트랜스지방(엘라이드산)이 훨씬 더 지방간이 심함을 발견하였다. 동시에 산화물의 증가도 트랜스지방을 섭취한 그룹에서 가장 많이 일어났다. 고지혈식이를 급여한 그룹에서는 트랜스지방인 엘라이드산을 섭취한 제브라피쉬 그룹에서 혈청 콜레스테롤과 혈청 중성지방, 간염증 수치가 가장 많이 증가하였다.

고지혈식이(high cholesterol diet, HCD)를 섭취하면 지방간이 생기는데(대조군) 트랜스지방을 동시에 섭취하면 더욱 심각한 지방간이 유발됨을 확인하였다(빨간색으로 지방간이 염색됨). 또한 간 조직에서 염증을 일으키는 산화물의 축적이 가장 증가함을 빨간 형광 발색을 통해 확인하였다.

4. 기대효과

본 연구를 통해 트랜스지방의 생산과 소비에 경각심을 주는 자료로 활용될 수 있기를 기대한다. 특히 액상과당이 많은 탄산음료와 트랜스지방이 많은 인스턴트 식품의 동시 섭취가 염증유발과 지방간을 악화시키는 경고자료로 활용될 수 있을 것이다.

연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가		막연히 해롭다고만 알려진 트랜스지방의 구체적 유해성을제브라피쉬에서 증명, 기존 심혈관 독성 뿐만 아니라, 피부 독성, 배아 독성, 지방간 독성을 밝힌 것이다.
어디에 쓸 수 있나		보건복지부, 식약청 등의 식품안전관리기준이나 1일 섭취량 권고 기준 마련 등에 기초자료로 활용될 수 있기를 기대한다. 트랜스 지방의 새로운 부작용 유해성 권고기준 작성에 활용될 수 있기를 기대한다.
연구를 시작한 계기는		트랜스지방이 해로운 줄 알면서도 즐겨 먹기 때문에 어디에 어떻게 해로운지를 구체적으로 밝히는 것이 중요하다.
신진연구자를 위한 한마디		영남대 생명공학부 1기 입학생이 박사과정을 마무리하면서 제1저자로 게재한 최상위 논문이다. 지역 대학 학생이 자신감과 긍지를 갖는 계기가 되면 좋겠다.

용 어 설 명

1. Molecular Nutrition & Food Research지

○ 독일에서 발행하는 영양생화학, 분자영양학 및 영양유전체학 임상 및 기초 연구 학술지

(2012년 Impact Factor 4.310)  당해분야 1위 원저 논문 학술지

2. 트랜스지방

○ 탄소와 탄소와의 이중결합을 포함하는 불포화지방산은 건강에 이로운데 이중결합 옆의 두 탄소의 위치가 같으면 시스(cis-), 다르면 트랜스(trans-)로 부른다. 흔히 시스형은 건강에 이롭지만 트랜스지방은 해롭다고 알려져 있다. 그러나 어디에 어떻게 해로운지는 구체적으로 알려져 있지 않았다.

○ 트랜스지방은 일반적인 시스구조의 불포화지방산에 수소를 첨가, 트랜스구조로 변형시켜 만드는데, 액체상태인 불포화지방과 달리 트랜스지방이 되면 고체상태로 되어 보관이 용이하고 맛이 좋아져 장기보관 식품제조, 인스턴트 음식제조에 자주 사용된다. 특히 엘라이드산은 탄소 18개를 가지며 이중결합이 하나 있는 가장 흔한 형태의 대표적인 트랜스지방이다.

○ 트랜스지방은 몸에 좋은 HDL(high-density lipoprotein) 콜레스테롤의 수치를 낮추고 몸에 나쁜 LDL(low-density lipoprotein) 콜레스테롤 수치를 높게 하여 관상동맥심장질환 위험도를 증가시킨다고 알려져 있으나 구체적인 기작은 아직 알려진 바 없다.

3. 제브라피쉬(zebrafish)

○ 잉어과에 속하는 인도산 소형 어류로 척추동물이기 때문에 유전체 구조가 사람과 닮아 유전체의 기능 연구가 가능하며 체외 수정으로 한 번에 200여개의 알을 낳기 때문에 대량의 유전체 기능 분석이나 신약 또는 독성물질 검증에도 적합하다.

○ 본 연구팀에서는 제브라피쉬를 고지혈증, 당뇨 모델로 사용할 수 있음을 증명하고 또한 염증유발 물질 스크리닝에도 제브라피쉬 배아가 유용하게 사용 될 수 있음을 증명해왔다.

4. 지단백질(lipoprotein)

○ 혈청에 있는 단백질 가운데 하나로 지단백질은 밀도와 크기에 따라 저밀도지단백질(LDL, low-density lipoprotein)과 고밀도지단백질(HDL, high-density lipoprotein)이 있다.

○ 정상적인 HDL은 유익한 단백질로 항산화, 항염증, 항감염 활성 등을 갖는다. HDL은 주변세포에서 사용하고 남은 콜레스테롤을 수거하여 간세포로 되돌려 담즙산으로 분해하여 배설하고 혈관벽에 쌓인 동맥병변 노폐물을 제거하는‘혈관청소기’역할을 한다. 최근에는 재조합된 HDL을 동맥병변제거 및 동맥경화 치료제로 개발하려는 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

○ LDL은 혈액 내에서 약 75%의 콜레스테롤을 영양이 필요한 주변세포로 수송해 주는 역할을 한다. 따라서 LDL은 원래 나쁜 것이 아니나 혈중에서 산화에 더욱 민감하여 산화된 LDL(oxidized LDL, oxLDL)로 쉽게 변화한다. oxLDL이 동맥경화·당뇨의 주범이며 건강에 해로운 것으로 알려져 있다. 한편 HDL은 LDL의 산화를 억제한다.

그 림 설 명

그림 1. 과당에 의한 사람 혈관 대식 세포의 염증유발 악화 비교

본 연구진은 액상과당의 염증유발 위험을 발표한 바 있고 그 결과를 토대로 트랜스지방과 같이 있을 경우 염증이 더욱 악화되는지 비교하였다. 사람 혈관 대식 세포에 과당을 처리한 후 dihydroethidium(DHE) 염색법을 통해 생성된 염증을 붉은색의 강도로 비교할 수 있다.

정상 HDL과 올레익산이 결합된 HDL을 처리하면(아래 가운데 패널) 과당에 의한 염증의 생성이 감소함을 붉은 형광의 감소로 확인하였다. 하지만 트랜스 지방인 엘라이드산이 결합된 HDL(아래 오른쪽 패널)은 과당에 의한 염증을 악화시키는 것을 알 수 있다.

그림 2. 트랜스지방에 의한 피부섬유세포의 노화 촉진

사람 피부섬유세포를 배양, 자연적인 노화를 진행시키면서 정상 HDL과 트랜스지방이 결합된 HDL(EA-HDL)을 각각 처리하며 노화의 정도를 SA-beta-gal염색법으로 확인하였다. 푸른색으로 염색된 세포는 노화가 일어났음을 뜻한다. 각 지방산을 처리하고 2주 이상 배양하여 노화정도를 비교하였을 때 트랜스지방이 결합된 HDL을 처리한 세포(아래 오른쪽 패널)에서 가장 많은 노화가 유발됨을 확인하였다.

그림 3. 트랜스지방에 의한 제브라피쉬 배아의 염증 유발 및 사멸 증가

제브라피쉬 배아에 산화된 LDL과 트랜스지방이 결합된 HDL을 혼합한 시료를 미세주입하여 배아의 염증유발 및 발달속도를 비교하였다. 트랜스지방에 의해 변형된 HDL을 미세주입한 제브라피쉬 배아에서 정상 HDL을 미세주입한 그룹에 비해 배아의 사멸이 현저히 증가하였다. 또한 배아의 발달속도가 느리고 염증을 일으키는 산화물(빨간색 형광 염색)이 현저히 증가함을 확인하였다.

그림 4. 트랜스지방 급여에 의한 제브라피쉬의 지방간 및 간 염증 유발 악화

제브라피쉬(10주령) 모델을 이용하여 20주 동안 트랜스지방을 급여하였을 때 지방간이 촉진되는지를 비교하였다. 정상적인 식이(normal diet, ND)에서 포화지방산(스테아르산) 보다 트랜스지방(엘라이드산)이 훨씬 더 지방간이 심했다. 동시에 산화물의 증가도 트랜스지방을 섭취한 그룹에서 가장 많이 일어났다.

고지혈식이(high cholesterol diet, HCD)를 섭취하면 지방간이 생기는데(대조군), 트랜스지방을 동시에 섭취하면 더욱 심각한 지방간이 유발됨을 확인하였다(빨간색으로 지방간이 염색됨). 또한 간 조직에서 염증을 일으키는 산화물의 축적이 가장 증가함을 빨간 형광 발색을 통해 확인하였다.

조경현 교수[교신저자]  이력사항

1. 인적사항

○ 소 속  : 영남대학교 생명공학부 교수

BK21plus 혈청바이오메디칼 사업팀장

영남대 단백질센서연구소 소장

○ 전  화 : 053-810-3026

○ 이메일 : chok@yu.ac.kr

2. 학력

○ 1987 – 1991 : 경북대학교 학사

○ 1992 – 1994 : 경북대학교 이학석사 (유전공학)

○ 1994 – 1998 : 경북대학교 이학박사 (유전공학)

3. 경력사항

○ 1998 – 2000 : 미국 일리노이 주립대 어바나-샴페인 의대 생화학과 포스닥

○ 2000 – 2001 : 미국 클리블랜드 클리닉 재단 러너연구소 전임연구원

○ 2001 – 2005 : 한국생명공학연구원 선임연구원

○ 2005 – 현재 : 영남대 생명공학부 조교수, 부교수, 정교수

4. 전문 분야 정보

○ 질병진단 혈청 바이오 마커 개발 연구

○ 혈청 단백질 치료제 개발 연구

○ 생활환경 물질(가습기 살균제, 환경호르몬, 중금속, 담배연기)의 유해성 연구

○ 식품 성분의 유해성 연구 (액상과당, 아스파탐 등 인공감미료)

5. 수상 경력

○ 제22회 한국과학기술우수논문상, 한국과학기술단체총연합회 2012.07.06

○ 생화학분자생물학회 동천신진과학자상 2012.06.29

○ 생화학분자생물학회 학술지 공로상-EMM, BMB reports 2012.05.31

○ 영남대학교 우수연구상 2012.05.15

○ 한국 분자 세포생물학회 우수포스터상 2011.10.7

○ 2011 글로벌 보건산업 기술 유공자 보건복지부 장관 표창 2011. 9. 28

○ 한국지질동맥경화학회 Basic research award 2011. 9. 3

○ 생화학분자생물학회 학술지공로상 2011. 5