Win Tech - 노화된 조혈줄기세포를 회춘 시키는 기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 최인표 책임연구원
한국생명공학연구원 면역치료제융합연구단
조혈줄기세포는 골수 내에 존재하며 자기복제와 더불어 모든 면역세포로 분화하는 능력을 가지고 있다.
우리 몸이 노화되거나 스트레스를 받으면 조혈줄기세포의 노화도 함께 진행되어 줄기세포로서의 기능은 점차 상실된다.
이와 같은 조혈 기능의 감소 또는 이상으로 인하여 면역 기능이 저하되고 암, 면역 질환 등의 발병이 촉진된다.
조혈줄기세포의 노화가 진행됨에 따라 활성산소의 양은 증가한다. 세포 내 활성산소의 양은 다양한 세포 내 신호전달 경로를 통해 조절되고 있다.
노화나 스트레스 등에 의해 활성산소의 양이 과도하게 증가하면 ‘유전자의 변형, 단백질의 산화, 세포의 사멸과 노쇠’를 유도하는 등 세포에 피해를 주는 것으로 알려져 있다.
따라서 이러한 활성산소를 적절히 제거하여 조혈줄기세포의 항상성을 유지하는 것은 매우 중요하다.
조혈줄기세포는 분화 단계에 따라 Long-term 조혈줄기세포에서 short-term 조혈줄기세포로 변화되며 결국 다양한 면역세포와 혈액세포로 분화된다.
조혈줄기세포의 노화가 진행되면 Long-term 조혈줄기세포의 비율이 증가하고 면역세포 중에 Lymphocyte가 감소하고 Myeloid는 증가하는 쏠림 현상이 일어나며 면역세포증식(Repopulation) 능력과 귀소성이 저하되게 된다.
그러나 어떠한 유전자와의 기작을 통해 조혈줄기세포의 노화를 조절하는가에 대한 연구는 아직 미흡하다.
본 연구자들(최인표, 정해용 박사 등)은 조혈줄기세포의 활성산소의 양을 조절하여 조혈줄기세포의 항상성을 유지하는 데 TXNIP가 중요한 인자임을 보고한 바 있다(Cell Metabolism, Jung, H. et al, 2013).
이를 근거로 이 유전자가 조혈줄기세포의 노화를 조절하는 데 중요한 역할을 할 것이라는 가정을 가지고 그 기능을 살펴보았다.
TXNIP의 조혈줄기세포 노화조절 기능을 살피기 위해 TXNIP가 결핍된 생쥐를 사용하여 조혈줄기세포의 노화 정도를 주령별로 확인해 보았다.
정상 생쥐와 비교하여 TXNIP 결핍 생쥐의 조혈줄기세포에서 Longterm 조혈줄기세포의 비율이 증가했으며, 혈액 내 면역세포의 Myeloid 쏠림, 활성산소의 증가, 노화 관련 유전자의 발현 증가가 확인되었다.
골수이식을 통해 TXNIP가 결핍된 조혈줄기세포를정상 생쥐에 이식한 경우에도 조혈줄기세포의 노화 현상이 동일하게 관찰되었다.
또한 조혈 스트레스를 유도할 경우 정상 생쥐는 100% 생존하였으나 TXNIP가 결핍된 생쥐는 100% 사망하였다.
이러한 TXNIP가 결핍된 생쥐에 항산화제 처리를 하면 100% 생존하는 것을 확인하였다.
TXNIP 결핍에 의한 조혈줄기세포의 노화 원인을 확인하기 위하여 세포의 노화에 결정적인 역할을 하는 것으로 알려진 p38 MAPK의 활성을 조사해본 결과, 정상 조혈줄기세포와 다르게 활성이 증가되어 있음을 확인하였다.
또한 p38 MAPK 활성 조절에 TXNIP의 역할을 확인하기 위하여 상호 결합 여부를 확인해 본 결과, TXNIP가 p38 MAPK와 직접적으로 결합하여 활성을 조절하고 있었으며 이러한 상호작용은 활성산소에 의해 증가됨을 확인하였다.
한편, TXNIP-/-/p38AF/+ 생쥐는 p38AF(Kinase dead mutant) 유전자를 발현하는 생쥐를 교배하여 만든 생쥐이다.
TXNIP가 결핍된 생쥐에 TXNIP-/-/p38AF/+ 생쥐의 조혈줄기세포를 골수이식하여 노화 현상을 관찰하였다.
이를 통해 TXNIP 결핍 생쥐의 조혈줄기세포는 노화 현상이 회복되고 활성산소도 줄어드는 것을 확인하였다.
또한 12개월 주령 생쥐의 혈액 내 Myeloid 쏠림 현상도 정상 생쥐와 유사하게 회복되는 것을 확인하였다.
이러한 조혈줄기세포의 정상회복은 조혈 스트레스 유도 실험을 통하여 다시 한 번 확인할 수 있었다.
TXNIP 결핍 생쥐의 경우 조혈 스트레스에 의해 100% 사망률을 보였으나, TXNIP-/-/p38AF/+ 생쥐는 100% 생존하는 것을 확인하였다(그림 2).
따라서 이러한 결과들은 TXNIP 결핍 조혈줄기세포의 노화가 p38 MAPK의 활성에 의해 조절되고 있음을 보여주고 있다.
이러한 실험결과를 토대로 본 연구진은 p38 MAPK와 상호작용하는 TXNIP 부위 유래의 펩타이드(TN13)을 제작하여 p38 MAPK의 활성조절 여부를 확인하였다(그림 3).
세포에 투과되도록 제작한 TN13 펩타이드는 p38 MAPK의 동형단백질(Isoform) α, β, γ, δ 중에는 p38α를 특이적이며 효과적으로 저해하고 조혈줄기세포 내로 침투하여 효과적으로 p38 MAPK의 활성을 억제하는 것을 확인하였다.
노화된 조혈줄기세포에 TN13 펩타이드를 처리하였을 때, 활성산소를 줄여주고 노화 관련 유전자의 발현을 감소시켰으며 귀소성을 회복시켜 주었다.
더불어 골수이식을 통해 노화된 TXNIP 결핍 또는 정상 조혈줄기세포의 역노화를 유도함을 확인하였다.
또한 조혈 스트레스 유도시 24개월 주령의 노화된 생쥐는 혈액 내 면역세포 수를 회복하지 못하고 100% 사망하였으나 TN13 펩타이드를 복강 주사한 24개월 주령의 노화된 생쥐는 조혈줄기세포의 기능이 회복되어 2개월 주령의 젊은 생쥐보다 빨리 혈액 내 면역세포 수를 회복하였으며 100% 생존하였다(그림 4).
본 연구진은 일련의 동물실험을 통하여 TXNIP가 조혈줄기세포의 노화를 조절하는 새로운 인자임을 확인하였고 나아가 TXNIP 유래의 TN13 펩타이드를 처리하여 노화된 조혈줄기세포를 회춘시키는 데 성공하였다(그림 5).
그동안 줄기세포의 노화 연구를 통해 노화 방지 기술 및 줄기세포의 노화를 억제하는 약물을 개발하는 등의 연구 성과는 있었으나, 조혈줄기세포의 노화를 조절하는 유전자를 발굴하고 이를 이용하여 펩타이드를 개발하여 노화된 조혈줄기세포의 역노화를 유도한 경우는 이번이 처음이다.
본 연구를 통해 조혈줄기세포의 TXNIP와 관련된 노화조절 기작을 밝히고 TXNIP 유래 펩타이드를 통해 노화된 조혈줄기세포를 회춘시켜 조혈줄기세포의 기능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하였다.
이를 계기로 조혈줄기세포 회춘 기술을 이용하여 건강한 조혈줄기세포를 만들어 각종 면역질환 치료, 암 치료, 면역세포 치료제 개발 등에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
우리나라는 2015년 고령자 수는 2015년 기준 660만 명(전체 인구의 13.1%)이며 2060년에는 전체 인구의 약 40%가 될 것으로 예상된다(통계청 2015).
인구고령화로 고령자 진료비는 약 19조 원에 이른다(전체 의료비의 35%, 2015). 전 세계 노인성 만성질환 치료제 시장은 2011년 1,692억 달러에서 연평균 4.3%의 성장률로 2018년 2,272억 달러 이상의 시장을 형성할 것으로 전망된다.
전 세계 골다공증 치료제 시장은 2022년 80억 달러 규모로 예상되고(연평균 성장률 3%, Global Data 2013), 퇴행성관절염 치료제 시장은 2018년 406억 달러 규모로 전망된다(한국보건산업진흥원 2015).
국내 시장은 2012년 3.7조 원에서 2020년에 약 10조 원 시장을 형성할 것으로 전망된다(한국보건산업진흥원 2014).
앞서 살펴본 ‘노화된 조혈줄기세포를 회춘 시키는 기술’은 노화로 인한 암과 다양한 퇴행성질환 치료시장에서 새로운 치료제 분야를 개척할 것으로 기대한다.
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)가 선정한 “2017 출연(연) 우수연구성과 10선” 기술을 선별하여 게재하고 있습니다.