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제목 대식세포 생존․증식의 핵심 단백질 발견 등록일 2017.03.08 17:19
글쓴이 에디스젠 조회 1382
대식세포 생존․증식의 핵심 단백질 발견
생명과학  한국연구재단 (2017-03-07 09:24)

한국연구재단은 “염증질환에서 대부분 증가되어 있는 대식세포*가 생존하고, 그 수가 늘어나게 하는 핵심 단백질을 발견했다”고 밝혔다. 
      *대식세포 : 생명체가 세균이나 바이러스에 감염되었을 때 초기 신체방어를 책임지는 대표적인 면역세포이다.

대식세포 (macrophages)는 대표적인 면역세포 중 하나이다. 하지만 비정상적으로 늘어나고 죽지 않을 경우 류마티스 관절염*과 같은 다양한 염증성 질병이 생긴다고 학계에 알려져 있다. 어떤 이유에서, 어떻게 생존하고 늘어나는지는 현재까지 밝혀지지 않았다. 
*류마티스 관절염 : 만성 염증과 함께 관절의 뼈와 연골이 파괴되는 전신성 만성염증성 질환

김완욱 교수(가톨릭의대) 연구팀은 콩팥, 피부세포 등에 분포하는 우리 몸의 삼투압 조절인자로 알려진 NFAT5*라는 단백질이 대식세포의 생존과 증식에가장 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 
    *NFAT5 (Nuclear factor of activated T-cells 5) : 5종류의 NFAT family 전상인자 단백질들 중 하나로 TonEBP (tonicity-responsive enhancer binding protein)라고도 불리며, 신장과 같은 높은 삼투압 (hyperosmolarity) 환경에서 세포를 보호하고 여러 기관에서 세포의 생존, 발달 등에 관련된 기능을 하는 전사 조절 인자로 알려졌다.

이 발견은 류마티스 관절염 환자로부터 대식세포성 활막세포*를 분리하여 유전체의 발현을 광범위하게 조사한 결과가 바탕이 되었다. 실제 류마티스 관절염 모델 동물에서 대식세포 내 NFAT5가 부족할 경우 세포의 생존이 감소하면서 관절염의 발생이 현저히 감소했다. 이 현상은 NFAT5의 타깃 단백질 중 하나인 CCL2* 발현의 조절을 통해 이루어짐을 증명하였다. 
    *CCL2(Chemokine ligand 2) : 케모카인 계통에 속하는 단백질이다. 단핵세포, 기억 T 세포 및 수지상 세포를 조직 손상 또는 감염에 의해 생성 된 염증 부위에 이동하게 하는데 핵심적인 역할을 하며 염증성 질환의 발병에 중요한 인자이다. 
    *대식세포성 활막세포(macrophage-like synoviocytes : 류마티스 관절염 환자의 활막이라 불리는 병든 관절 조직 내 증가되어 있는 세포들 중 한 가지. 대식세포와 유사한 특징을 지니며 비정상적으로 흥분하고 증식하여 뼈와 연골파괴를 주도한다.

김완욱 교수는 “이 연구는 비정상적으로 증식하고 강력한 파괴성을 지닌 대식세포가 류마티스 관절염을 일으키게 되는 핵심 메커니즘을 5년의 연구 끝에 최초로 밝혔다. 앞으로 류마티스 관절염 등 염증성 질환의 표적치료를 위한 신약개발에 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 미래창조과학부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었다. 기초의학 분야 국제적인 학술지인 저널 어브 클리니컬 인베스티게이션(Journal of Clinical Investigation, JCI) 3월 1일자에 게재되었으며 편집장이 선정한 3월의 주요논문으로 소개되었다. 

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자 정보
   - 논문명 : Transcription factor NFAT5 promotes macrophage survival in rheumatoid arthritis

   - 저자 정보 : 김완욱 교수 (교신저자, 가톨릭대) 최수산나 (제1저자, 가톨릭대)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성 
   ○ 류마티스 관절염 (Rheumatoid arthritis)은 전 인구의 1% 내외에서 발생하는 만성 염증성 질환이다. 대식세포성 활막세포 (macrophage-like synoviocytes)가 비정상적으로 생존하고 증식하여 뼈와 연골을 파괴하는 특징을 보인다. 그러나 아직까지 왜?, 어떻게? 대식세포성 활막세포가 이러한 특징을 지니는지는 분명히 밝혀지지 않았다.

 2. 연구 내용 
   ○ 연구팀은 먼저 류마티스 관절염 환자로부터 얻은 대식세포성 활막세포에서 변화하는 유전자들을 광범위하게 조사․분석하였다. 그 결과 평소 우리 몸에서 삼투압을 조절한다고 알려진 세포 내 전사인자 (transcription factor)인 ‘NFAT5’ (Nuclear factor of activated T-cells 5)가 류마티스 관절염 대식세포에서 현저히 증가되어 있으며, 이 세포의 세포주기, 세포사멸 및 증식 등을 조절하는 핵심적인 인자임을 밝혀냈다. 
   ○ 연구팀은 이어 대식세포의 배양을 통한 세포기능연구를 통해 NFAT5가 결핍된 대식세포가 NFAT5가 충분한 대식세포에 비해 세포의 증식과 생존이 크게 감소됨을 발견하였다.  
   ○ 흥미롭게도 연구팀은 대식세포의 이동과 화학주성에 관여하는 ‘케모카인‘으로 널리 알려진 CCL2 (Chemokine ligand 2)가 NFAT5에 의해 그 생성과 분비가 조절되며, NFAT5의 타깃으로서 대식세포의 사멸과 증식 조절을 매개하고 있음을 발견하였다. 
   ○ 연구팀은 동물실험을 통해서도 입증하였다. 류마티스 관절염과 유사한 염증성 관절염을 유도한 생쥐 몸에 NFAT5가 결핍될 경우  관절염이 현저히 감소하였으며 CCL2 발현의 저하와 함께 대식세포의 생존이 감소되었다. 반대로 NFAT5 결핍 마우스의 관절에 CCL2 단백질을 직접 주사할 경우, 대조군에 비해 관절 부위로 대식세포의 생존이 증가, 회복되었으며 이와 더불어 관절 파괴도 유의하게 증가하였다.

    ○ 이상의 연구결과를 통해 류마티스 관절염에서 NFAT5-CCL2 axis가 대식세포의 생존과 관절염 악화에 중요한 역할을 하고 있다는 결론을 내렸다. 
   
 3. 연구 성과  
   ○ 이 연구는 평소 우리 몸의 삼투압 조절인자로 알려진 NFAT5라는 단백질이 본연의 기능인 삼투압 조절과는 무관하게 대식세포의 생존과 증식을 조절하는데 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혀낸 최초의 결과이다. 
   ○ 또한 대식세포 내 NFAT5-CCL2 axis가 세포의 생존과 증식을 증가시켜 만성염증을 결정적으로 일으킬 수 있음을 보여줌으로써 이 axis가 만성 염증성 질환들의 치료를 위한 신규 타깃이 될 수 있음을 최초로 제안하였다. 
   ○ 특히 이러한 성과는 류마티스 관절염을 일으키는 핵심적인 면역세포인 대식세포성 활막세포만을 선택적이고 특이적으로 억제함으로써 부작용을 최소화 하면서 치료를 극대화 시킬 수 있는 새로운 치료전략을 제시하였다는데 중요한 의미가 있다. 


연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
   ○ 류마티스 관절염은 전 인구의 1% 내외에서 발생하는 만성염증성 질환으로 대식세포성 활막세포 (macrophage-like synoviocytes)가 비정상적으로 생존하고 과다하게 증식하여 뼈와 연골이 파괴되는 만성 염증성 질환이다. 현재까지는 치료제로서 다양한 면역조절제가 사용 중이나 그 효과가 불완전하고 비 특이적인 면역억제로 인해 감염 등의 부작용이 생길 수 있다. 그러므로 정상적인 건강한 면역체계에는 손상을 주지 않고 병든 류마티스 염증반응만을 선택적으로 억제하는 치료제의 개발이 필요하다.

2. 연구내용 
   ○ 류마티스 관절염의 가장 잘 알려진 특징 중 하나는 관절의 대식세포의 수가 증가하고, 이 세포의 수가 류마티스 관절염의 활성도 및 중증도와 관련이 있다는 것이다. 연구팀은 류마티스 관절염이 발생하고 심해지는 이유가 대식세포성 활막세포 (macrophage-like synoviocytes)가 관절 내에서 비정상적으로 생존하고 증식하기 때문이라 가정하였다. 이에 이 연구에서는 환자로부터 얻은 대식세포성 활막세포에서 세포의 생존과 증식 및 활성에 기여하는 인자들을 조사하고 그 기능을 연구하였다.

  ○ 연구팀은 먼저 류마티스 관절염 환자로부터 얻은 대식세포성 활막세포에서 변화하는 유전자들을 광범위하게 조사, 분석하였다. 그 결과 평소 우리 몸에서 삼투압을 조절한다고 알려진 세포 내 전사인자 (transcription factor)인 ‘NFAT5’ (Nuclear factor of activated T-cells 5)가 류마티스 관절염 대식세포에서 현저히 증가되어 있으며, 이 세포의 세포주기, 세포사멸 및 증식 등을 조절하는 핵심적인 인자임을 밝혀냈다.

  ○ 연구자들은 이어 대식세포의 배양을 통한 세포 기능 연구를 통해 NFAT5가 결핍된 대식세포가 NFAT5가 충분한 대식세포에 비해 세포의 증식과 생존이 크게 감소됨을 발견하였다. 

  ○ 또한 NFAT5의 조절을 받아 세포 생존 및 증식에 관여하는 유전자를 조사하였고, 여러 유전자들 중 특히 대식세포의 이동과 화학주성에 관여하는‘케모카인‘으로 널리 알려진 CCL2 (Chmokine ligand 2)가 가장 강력한 대식세포의 생존 및 증식을 조절하는 매개 물질임을 확인하였다. 다양한 in vitro 실험을 통해 NFAT5 결핍 대식세포는 생존과 증식이 저하되며, CCL2를 처리하게 되면 세포의 생존과 증식이 회복됨을 밝혔고, 이를 통해 대식세포의 생존과 증식에 NFAT5-CCL2 axis가 결정적인 역할을 하고 있음을 증명하였다. 

  ○ 이와 같은 발견은 다양한 동물실험을 통해 증명하였다. 류마티스 관절염과 유사한 염증성 관절염을 유도한 NFAT5 결핍 마우스는 NFAT5가 충분히 발현되는 정상 마우스에 비해 염증성 관절염이 완화되었으며, 이 마우스의 관절 조직에서는 CCL2의 발현과 대식세포의 침윤이 감소되었다. 이러한 결과는 NFAT5가 부족할 경우 CCL2 생성의 감소되며 대식세포의 생존 및 증식에 영향을 미쳐 마침내 관절염이 완화될 수 있음을 보여준다.

  ○ 흥미롭게도 이 NFAT5 결핍 마우스의 관절에 재조합 CCL2 단백질을 주사할 경우, 대조군에 비해 관절 부위로 대식세포의 침윤이 증가하였고 관절파괴 역시 유의하게 증가하였다. 또한 NFAT5 결핍된 대식세포를 직접 관절 내로 주입 시, NFAT5가 충분한 대식세포를 주입한 경우에 비해 관절염의 증가가 둔화되었다. 이러한 결과들은 대식세포 내 NFAT5-CCL2 axis가 염증성 관절염의 조절에 핵심적인 역할을 하고 있음을 보여준다.

3. 기대효과 
   ○ 이 연구를 통해 연구팀은 NFAT5-CCL2 axis가 대식세포의 생존과 증식을 증가시켜 만성염증을 결정적으로 일으킬 수 있음을 보여줌으로써, 이 axis가 만성 염증성 질환들의 치료를 위한 신규 타겟이 될 수 있음을 최초로 제안하였다.

  ○ 특히 이러한 성과는 류마티스 관절염을 일으키는 핵심적인 면역세포인 대식세포성 활막세포만을 선택적이고 특이적으로 억제함으로써 부작용을 최소화 하면서 치료를 극대화 시킬 수 있는 새로운 치료전략을 제시하였다는데 중요한 의미가 있다. 앞으로 류마티스 관절염의 표적치료를 위한 신약개발에 기여할 것으로 기대되며, 치료제 개발을 통해 류마티스 관절염으로 인한 불구, 사망률의 감소, 사회적 비용의 감소가 기대된다.


★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

이 연구의 연구책임자인 김완욱 교수는 류마티스 내과를 전공하는 임상의사로서 지난 20여년 동안 관절염의 병인과 관련하여 ‘류마티스 관절염의 완전관해 치료법’을 목표로 꾸준히 연구를 진행하였다. 류마티스 관절염에서는 다양한 세포들에 의한 반복적인 염증반응의 결과로 관절 내에서 활막세포 및 염증세포의 활성화와 더불어 비정상적인 성장 및 신생혈관 등으로 이루어진 판누스 구조를 형성한다.  이 때 대식세포성 활막세포는 비정상적으로 과도한 활성화가 유지되며, 또한 죽지 않고 오래 살아남아 관절염을 결정적으로 악화시킨다. 그러나 아직까지 왜?, 어떻게? 대식세포성 활막세포가 이러한 특징을 지니는지는 분명히 밝혀지지 않았다. 이에 “류마티스 관절염 환자의 대식세포가 NFAT5의 활성화에 의해 비정상적인 생존이 유지되어 관절염을 더욱 악화시킨다”는 새로운 가설을 증명하고자 이 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

○ 연구팀은 먼저 류마티스 관절염 환자로부터 얻은 대식세포성 활막세포에서 세포의 생존과 증식 및 활성에 기여하는 인자들을 조사하고 그 기능을 연구하였다. 이를 위해 류마티스 관절염 환자로부터 얻은 대식세포성 활막세포에서 변화하는 유전자들을 프로파일링하였다. 그 결과 평소 우리 몸에서 삼투압을 조절한다고 알려진 세포 내 전사인자 (transcription factor)인 ‘NFAT5’ (Nuclear factor of activated T-cells 5)가 류마티스 관절염 대식세포에서 현저히 증가되어 있으며, 이 세포의 세포주기, 세포사멸 및 증식 등을 조절하는 핵심적인 인자임을 밝혀내었다. 
○ 이어 대식세포의 배양을 통한 세포기능연구를 통해 NFAT5가 결핍된 대식세포가 NFAT5가 충분한 대식세포에 비해 세포의 증식과 생존이 크게 감소됨을 발견하였다.    
○ 이후 NFAT5의 조절을 받아 세포 생존 및 증식에 관여하는 유전자를 조사하였고, 여러 유전자들 중 특히 대식세포의 이동과 화학주성에 관여하는 ‘케모카인’으로 널리 알려진 CCL2 (Chmokine ligand 2)가 가장 강력한 대식세포의 생존 및 증식을 조절하는 매개 물질임을 확인하였다. 
○ 마지막으로 이상과 같은 발견을 동물실험을 통해서도 입증하였다. 류마티스 관절염과 유사한 염증성 관절염을 유도한 생쥐 몸에 NFAT5가 결핍될 경우 관절염이 현저히 감소하였으며 CCL2 발현의 저하와 함께 대식세포의 생존이 감소되었다. 반대로 NFAT5 결핍 마우스의 관절에 CCL2 단백질을 직접 주사할 경우 대조군에 비해 관절 부위로 대식세포의 생존이 증가, 회복되었으며 이와 더불어 관절 파괴도 유의하게 증가하였다.
○ 이상의 연구결과를 통해 류마티스 관절염에서 NFAT5-CCL2 axis가 대식세포의 생존과 관절염 악화에 중요한 역할을 하고 있다고 결론짓게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

이 연구에서는 환자시료를 이용한 실험이 많아 원하는 만큼의 환자시료를 얻는 것에 어려움이 있었다. 특히 관절 내 활막액과 말초 혈액을 동시에 얻어 수행해야하는 실험에서 연구시료를 얻는데 어려움이 가장 컸다. 하지만 이 과정에서 여러 동료 연구자와 의사선생님들, 그리고 환자들로부터 많은 도움을 받게 되었고 이런 도움이 있었기 때문에 폭넓고 심도 깊은 연구를 완성할 수 있었다. 과학적 연구는 혼자만의 결과물이 아니며 서로 하나가 되어 협력할 때 세계적인 성과가 나온다는 진실을 다시 한 번 깨닫게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

○ 이 연구는 평소 우리 몸의 삼투압 조절인자로 알려진 NFAT5라는 단백질이 본연의 기능인 삼투압 조
절과는 무관하게 대식세포의 생존과 증식을 조절하는데 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혀낸 최초의 결과이다.
○ 이 연구를 통해 비정상적으로 증식하고 강력한 파괴성을 지닌 대식세포가 류마티스 관절염을 일으키게 되는 핵심 메커니즘이 세계 최초로 밝혀졌다. 특히, 대식세포 내 NFAT5-CCL2 axis가 세포의 생존과 증식을 증가시켜 만성염증을 결정적으로 일으킬 수 있음을 보여줌으로써 이 axis가 만성 염증성 질환들의 치료를 위한 신규 타깃이 될 수 있음이 최초로 제시되었다. 
○  류마티스 관절염의 치료에는 다양한 면역 조절제가 사용되고 있으나 질병을 완치시키지 못하고비 특이적인 면역억제로 인해 감염 등의 부작용이 증가된다. 그러므로 정상적인 건강한 면역체계에는 손상을 주지않고 병든 류마티스 염증반응만을 선택적으로 억제하는 치료제의 개발이 필요하다. 
이 연구는 류마티스 관절염을 일으키는 핵심적인 면역세포인 “대식세포성 활막세포”만을 선택적이고 특이적으로 억제함으로써 부작용을 최소화 하면서 치료를 극대화시킬 수 있는 새로운 치료전략을 제시하였다는데 중요한 의미가 있으며, 앞으로 NFAT5-CCL2 axis를 표적으로 하는 신약개발에 기여할 것으로 기대된다.  

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

대식세포성 활막세포를 선택적으로 억제하는 치료법이 없어 현재까지 류마티스 관절염의 증상을 완화시킬 수는 있으나, 이를 완치시킬 수 있는 약물은 아직 개발하지 못하고 있다. 앞으로의 연구를 통해 대식세포의 비정상적인 생존과 증식 및 활성을 선택적으로 억제할 수 있는 치료제를 개발하고 이를 통해 관절염이 완전 관해 되는 길이 열리기를 기대한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면? 

이번 연구 성과는 2012년부터 2017년 2월까지 약 5년에 걸쳐서 진행된 연구의 결과이다. 이 기간 동안 다양한 실험기법과 실험재료들이 사용되었는데, 특히 이 중 환자시료를 이용하여 가설을 증명하는 실험이 많아 실험진행에 어려움이 있었고 환자시료의 확보가 연구의 진행에 가장 중요한 변수가 되었다. 환자시료는 주로 환자가 어느 날 갑자기 나빠졌을 때 얻기 되는데, 나빠지는 일에는 정해진 시간이 없이 근무시간 이후에 시료가 갑자기 나오기도 하여 퇴근이 늦어지는 일이 다반사였다. 통증과 변형으로 고통을 겪고 계시는 환자분들께서 연구의 발전을 위해 자기 몸의 일부를 흔쾌히 제공해 주신 고마운 마음을 생각하면서 좌절을 느끼거나 어려움이 있을 때도 포기하지 말아야한다는 생각을 갖게 되었고 어렵게 연구를 한 덕분에 좋은 성과를 낼 수 있지 않았나 생각이 든다.

류마티스 관절염 대식세포성 활막세포에서 NFAT5의 발현의 증가와 그 역할 확인
그림 1. 류마티스 관절염 대식세포성 활막세포에서 NFAT5의 발현의 증가와 그 역할 확인. 
(A 와 B) 류마티스 관절염 대식세포성 활막세포의 전사체 분석(A)과 전사체의 변화를 대변하는 대표적인 10개의 전사인자를 보여 준다 (B). (C) 류마티스 관절염 대식세포성 활막세포에서 변화하는 유전체와 NFAT5가 결핍된 활막세포에서 변화하는 유전체들 간의 공통적인 유전체 302개가 서로 의미 있게 겹치고 있다 (D) 류마티스 관절염 대식세포성 활막세포에서 변화한 유전체의 세포기능 분석결과를 보여 준다. (E) 류마티스 관절염 대식세포성 활막세포에서 NFAT5 발현의 증가를 확인하였다.

NFAT5-CCL2 axis가 대식세포성 활막세포의 관절 내 침윤 및 관절염 악화에 미치는 영향

그림 2. NFAT5-CCL2 axis가 대식세포성 활막세포의 관절 내 침윤 및 관절염 악화에 미치는 영향. 
(A) NFAT5가 결핍된 마우스에서 관절파괴와 염증이 둔화된다. (B 와 C) NFAT5가 결핍된 마우스에서 대식세포의 관절조직 내 침윤 (B) 및 CCL2 발현 (C)이 감소한다. (D) NFAT5가 결핍 마우스에서 CCL2 단백질 주사에 의해 대식세포의 침윤과 관절염 중증도가 회복된다.


출처 : 브릭