노화된 조혈줄기세포 회춘 기술 개발
- 12월 8일 Nature Communications 온라인 판에 게재
- 면역 관련 질환의 예방‧치료, 면역세포 치료제 개발 기대

 

연구진 : CiM융합연구단 최인표 정해용 박사팀
 최인표 박사 한국생명공학연구원
           면역치료제융합연구단장
 정해용 박사  한국생명공학연구원
             선임연구원 / UST 기능유전체학, 부교수

국내 연구진이 조혈줄기세포의 노화를 조절하는 유전자를 찾아내 젊은 조혈줄기세포로 회춘시키는 기술을 개발했다. 향후 면역 관련 질환의 예방‧치료, 면역세포 치료제 개발 등에 활용될 것으로 기대된다. 조혈줄기세포는 혈액의 주요한 구성성분으로 잠재적으로 분화할 수 있는 세포이다.
CiM융합연구단 최인표 정해용 박사팀이 수행한 이번 연구결과는 Nature 자매지인 Nature Communications 온라인 판에 12월 8일자로 발표됐다.(논문명 : Thioredoxin-interacting Protein Regulates Haematopoietic Stem Cell Ageing and Rejuvenation by Inhibiting p38 Kinase Activity)
CiM(Customized i-Medicine) 융합연구단은 국가과학기술연구회(NST)가 지원하는 융합연구 사업으로, 줄기세포로부터 NK세포치료제를 개발, 난치성 질환 극복과 신약 개발을 위해 2015년 출범했다.      
조혈줄기세포는 나이 들고 스트레스를 받으면서 차츰 기능을 상실하는데,  조혈줄기세포에 이상이 생길 경우 몸 전체의 혈액 세포에도 영향을 미쳐 면역저하, 빈혈, 암, 노화 등을 유발한다. 이 때문에 조혈줄기세포의 노화방지 기술, 노화억제 신약 개발과 관련 하여 다양한 연구가 시도되었지만 노화를 조절하는 유전자를 발견하고, 이를 통해 역 노화를 유도하는 기술 개발에 성공한 것은 처음 있는 일이다.

최인표·정해용 박사팀은 조혈줄기세포 내에서 활성산소 조절 단백질인 TXNIP가 스트레스에 의해 유도되는 p38 MAPK 활성화에 관여하는 현상을 발견했다. p38 MAPK는 활성산소의 생성과 노화를 유도하는 인산화 효소이다. TXNIP가 결핍된 조혈줄기세포가 정상 조혈줄기세포 보다 활성산소가 증가하고, 특히 활성산소 조절에 중요한 p38 MAPK 역시 증가한다는 사실을 확인했다. 이를 바탕으로 p38 MAPK 활성을 억제하는 펩타이드를 개발함으로써 조혈줄기세포의 역노화를 유도하는 데 성공했다.    
연구팀은 생쥐의 골수에 노화된 조혈줄기세포의 펩타이드를 투여해  세포를 젊게 만드는 역노화 기능이 일어나는 것을 확인했다. 또 생쥐의 백혈구 감소증을 유도한 실험에서 수명이 오래된 생쥐가 사망한 데 비해 펩타이드를 주사한 생쥐의 경우 조혈 줄기세포 기능이 회복되면서 더 오래 생존한 사실도 밝혀냈다. 이를 통해 조혈줄기세포 내에서 p38 MAPK 인산화 효소의 활성억제를 통한 역노화 기능을 규명하게 되었다고 연구팀은 밝혔다.
연구를 주도한 최인표 박사는 “TXNIP 단백질 유래의 펩타이드를 이용해 노화된 조혈줄기세포의 역노화를 유도함으로써 줄기세포 기능을 회복시킬 수 있는 기술 개발에 성공했다”고 말하며 “역노화 기술을 바탕으로 건강한 조혈줄기세포 유지 및 생성을 통한 면역질환 치료, 나아가 암이나 면역세포치료제 개발에 중요한 기반을 제공할 것으로 기대한다”고 설명했다.

⃟ 연구개요
□ 연구배경
우리 몸이 노화되거나 스트레스를 받으면 조혈줄기세포도 같이 노화된다. 이로 인해 조혈기능이 감소하면서 면역기능도 저하돼 면역질환, 암 등을 일으키게 된다. 조혈줄기세포는 노화가 진행됨에 따라 활성산소의 양도 증가한다. 노화나 스트레스 등에 의해 활성산소의 양이 과도하게 증가하면 유전자 변형, 단백질 산화, 세포의 사멸과 노쇠 촉진 등의 피해를 준다. 연구팀은 TXNIP가 조혈줄기세포의 활성산소 양을 조절해 조혈줄기세포의 항상성을 유지하는 데 중요한 인자임을 보고한 바 있다 (Cell Metabolism, 2013). 이를 근거로 이 유전자가 조혈줄기세포의 노화를 조절하는 데 중요한 역할을 할 것이라는 가정을 바탕으로 그 기능을 살펴보았다.
□ 연구내용
TXNIP 결핍 생쥐의 조혈줄기세포에서 활성산소의 증가, 노화 관련 유전자 발현 현상을 확인했다. 또한 골수이식을 통해 TXNIP가 결핍된 조혈줄기세포를 이식한 경우 동일하게 조혈줄기세포의 노화 현상이 관찰됐다. 백혈구감소증을 유도할 경우 정상쥐는 100% 생존했으나 TXNIP가 결핍된 생쥐는 100% 사망했다. 이러한 TXNIP가 결핍된 생쥐도 항산화제를 투여할 경우 100% 생존하는 것을 확인했다. 노화에 결정적 역할을 하는 것으로 알려진 p38 MAPK의 활성 조절에 있어 TXNIP의 역할을 확인하기 위해 상호결합 여부를 확인해 봤다. 그 결과 TXNIP가 p38 MAPK와 직접 결합해 활성을 조절하는 것을 확인했으며, 이러한 상호작용은 활성산소에 의해 증가된다는 사실도 알아냈다. 이러한 실험결과를 토대로 연구팀은 p38 MAPK와 상호작용하는 TXNIP 유래의 펩타이드(TN13, 아미노산 13개)를 제작해 p38 MAPK의 활성조절 여부를 확인했다. 세포에 투과되도록 제작된 펩타이드는 조혈줄기 세포 내로 침투하여 효과적으로 p38 MAPK 활성을 억제했다.
노화된 조혈줄기세포에 TN13 펩타이드를 처리했을 때 활성산소가 줄고, 노화관련 유전자의 발현을 감소시켰으며, 귀소성(Homing)이 회복됐다. 또한 골수 이식을 통해 노화된 TXNIP 결핍 또는 노화된 조혈줄기세포의 역노화를 유도함을 확인했다. 백혈구감소증 유도 시 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 회복 100%해 생존했다. 연구팀은 이러한 실험을 통해 TXNIP가 조혈줄기세포의 노화를 조절하는 새로운 인자임을 확인하고 TXNIP 유래의 TN13 펩타이드를 처리해 노화된 조혈줄기세포를 회춘 시키는 데 성공했다.
□ 기대효과
이번 연구를 통해 조혈줄기세포의 TXNIP 노화조절 기작을 밝히고 TXNIP 유래 펩타이드를 바탕으로 노화된 조혈줄기세포를 회춘시켜 조혈줄기세포 기능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하게 됐다. 조혈줄기세포 회춘기술을 바탕으로 건강한 조혈줄기세포를 만들어 각종 면역질환 치료, 암 치료, 면역세포치료제 개발 등에 활용 가능할 것으로 기대된다.
<그림설명>

<그림 1> 조혈줄기세포 노화 및 TN13 펩타이드에 의한 회춘
TXNIP 결핍 또는 p38 MAPK의 활성증가는 조혈줄기세포의 노화를 촉진하는데, 노화된 조혈줄기세포는 TXNIP 유래의 펩타이드인 TN13을 처리하여 회춘시킬 수 있다.

 

A                                     B

 

 

 

 

<그림 2> TXNIP 결핍 생쥐에서 조혈줄기세포의 조기 노화
조혈줄기세포가 노화되면 골수 내 조혈줄기세포 (LT-HSC)의 비율이 증가하고 (A) 혈액 내 림프구 (B220, CD3)가 감소하며 골수성세포 (Myeloid)가 증가하는데, (B) TXNIP가 결핍된 생쥐(12개월령)에서 조혈줄기세포의 노화가 급격히 진행됨을 보여주고 있다.

 

 

A                

 

 

 

 

 

<그림 3> TXNIP 결핍여부에 따른 조혈줄기세포 내 p38 MAPK 인산화효소의 활성 및 활성산소 증가
(A) 12개월 주령의 TXNIP 결핍 조혈줄기세포의 p38 MAPK 활성증가. (B) TXNIP 결핍 조혈줄기세포의 활성산소 증가

 

 

 

 

 

<그림 4> 백혈구감소증 유도 시 p38 MAPK의 활성 억제를 통한 TXNIP 결핍 생쥐의 생존율 회복
백혈구감소증 유도 시 정상 생쥐는 0%의 사망률을 보이나 TXNIP 결핍 생쥐는 100%의 사망률을 보였다. 그러나 TXNIP 결핍 생쥐에 p38 MAPK의 활성을 억제하는 p38AF (kinase dead mutant)를 발현하는 유전자를 도입한 TXNIP-/-/p38AF/+ 생쥐에서 100% 생존율로 회복되었다.

 

 

 

 

 

A                                      B

 

 

 

 

 

 

<그림 5> TN13 펩타이드에 의한 p38 MAPK 인산화효소 활성 억제
(A) TXNIP 유래의 TN13 펩타이드가 기존 저해제에 비해 p38 MAPK의 동형 단백질 (isoform) 중에서 p38α를 선택적으로 억제함을 보여주고 있다. (B) TN13 펩타이드가 노화된 조혈줄기세포에서 p38 MAPK의 활성을 억제하고 있음을 보여주고 있다.

 

 

 

 

 

<그림 6> 백혈구감소증 유도시  TN13 펩타이드에 의한 노화된 생쥐(24개월 주령)의 조혈기능 회복 및 생존율 회복
백혈구감소증 유도 시 2개월 주령의 생쥐는 정상적으로 조혈줄기세포가 조혈기능을 함으로써  면역세포 수를 회복하고 100% 생존율을 보였지만,  24개월 주령의 늙은 생쥐는 조혈줄기세포의 조혈기능이 떨어져 혈액 내 면역세포 수를 회복하지 못하고 10일 내 100% 사망하였다. 그러나 24개월 주령의 늙은 생쥐에 TN13 펩타이드를 복강 주사했을 경우에는 조혈줄기세포의 조혈기능이 회복되어 2개월 주령의 젊은 생쥐보다 빨리 면역세포의 수를 회복해 100% 생존율을 보였다.

A                                 B

 

 

 

C                                 D

<그림 7> TN13 펩타이드에 의한 노화된 조혈줄기세포의 회춘
(A) TN13 펩타이드 처리에 의한 24개월 주령의 노화된 조혈줄기세포의 귀소성(homing) 회복. (B) TN13 펩타이드에 처리에 의한 노화된 조혈줄기세포의 골수이식효율(repopulation) 회복. TN13 펩타이드 처리에 의한 조혈줄기세포 (LT-HSC)의 비율 감소 (C) 및 혈액 내 면역세포의 골수성세포 (Myeloid) 쏠림현상 감소 (D).

 

 

 

 

 

최인표 박사                                             정해용 박사