노화 분자마커로서 노화기전에 관여하는 타켓 단백질

Target Proteins Involved in Aging Mechanism as an Aging Molecular Marker

Abstract

체내를 구성하는 모든 세포는 시간이 흐름에 따라 그들의 주위환경에 좌우되어 분화, 괴사, 세포자살, 세포노화와 같은 운명을 경험한다. 이러한 세포과정에서 발생하는 실수가 암, 염증, 노화 및 질병과 같은 표현형에서의 여러가지 이상을 발생시킨다. 천연물로부터 유래한 항 노화 화합물을 탐색하기 위해서는 새로운 전략과 접근방식이 요구된다. 그러므로, 여기서는 핵심적인 역할을 하는 타켓 단백질에 대하여 설명한다. 먼저 기질금속단백질분해효소(MMPs)는 노화마커로 암전이, 만성염증 및 피부노화에 관여한다. 특히 히스톤 탈아세틸화효소(HDACs)는 모델동물의 수명을 연장시키려고 노력하는 노화연구원들에게 큰 관심의 대상이다. 뿐만 아니라, 여기서 p53, IGF-1 및 SIRT1이 중요한 역할을 하는 세포노화와 관련된 신호경로에 대하여 기술한다. 더욱이, 자가포식과정이 노화와 관련한 신호경로에도 관여하고 있다. 세포노화의 신호경로를 조절할 수 있는 여러가지 새로운 화합물도 본 총설논문에서 소개된다. 여기서 우리는 노화기전에 대한 분자기반 및 노화마커 개발에 대한 새로운 통찰력을 제공하려고 한다. 뿐만 아니라 소개되는 화합물은 노화와 관련 있는 질병의 예방 및 치료를 위하여 의학적으로 응용이 가능하다.

All cells composing of our body undergo their destiny such as proliferation, differentiation, necrosis, apoptosis and senescence depending on their circumstance with time. The errors occurring in these processes develop several aberrations in phenotypes including cancer, inflammation, aging and diseases. New strategy and approach are required to screen anti-aging compounds derived from natural products. Therefore, here we explain the target proteins to play a key role in aging mechanism. In the first place, matrix metalloproteinases (MMPs) are involved in metastasis, chronic inflammation and skin aging as an aging marker. In particular, histone deacetylases (HDACs) give a great attention to aging researchers who try to extend the life span of animal model. In addition, we describe the signaling pathway related to senescence which p53, IGF-1 and SIRT1 play an important role in. Furthermore, autophagy is involved in the signaling pathway associated with aging. Several new compounds modulating the signaling pathway of senescence are introduced in this review. Here, we try to provide a new insight in the molecular basis for the aging mechanism and development of aging marker. In addition, the compounds introduced here could be available for pharmaceutical applications for the prevention and the treatment of diseases related to aging.

서 론

지구상에 존재하는 모든 다세포 생물체는 예외 없이 시간이 경과함에 따라 필연적으로 노화를 경험하게 된다. 이러한 노화의 핵심적인 원인으로 알려진 세포노화(senescence)란 세포가 증식을 계속하다가 외부 및 내부요인에 의하여 결국 세포의 분열이 정지되어 더 이상 세포증식을 할 수 없게 되는 것을 언급한다.이러한 세포분열 정지로 인하여 생물체에서 육안적으로 나타나는 노화현상이 발생된다는 것이다. 최근 연구에서는 이러한 세포노화가 암 발생이나 돌연변이 유발과 같이 세포에서의 치명적인 손상을 치료하는 과정에서 일어나는 체내 방어시스템의 일종이라고 판단하고 있다[9, 38]. 노화가 진행됨에 따라 알츠하이머, 인지능 및 면역력 저하, 제2형 당뇨병, 자가면역질환, 심장 및 신장 질환 그리고 암 과 같은 노인성 질환의 발병이 증가하다가 마침내 사망에 이르게 된다[13, 19]. 따라서, 세포노화를 억제할 수 있는 기술을 개발하게 된다면 이러한 노화 관련 질병들의 발생을 예방 및 치료하기 위한 중요한 단서를 제공할 수 있으리라고 예측된다. 최근에는 노화 관련 유전자를 조작하여 수명을 연장시킬 수 있는 다양한 기술들이 고안되어, 실제로 한 개체의 수명을 정상적인 수명보다 수배 증가시킬 수 있는 사례를 보여주었다[26, 39, 54]. 그 중에서도 특히 수명연장 관련 target 유전자로 histone deacetylase, IGF-1 신호경로 에 있는 유전자, telomerase 그리고 p53 유전자 등의 조작에 의한 생물체의 수명의 연장이 가능하다는 것을 보여주었다[49, 56]. 그러나 이러한 유전자 조작들도 단순한 생명체에서는 가능하지만 고등한 포유류와 같은 복잡한 생명체에서는 여전히 수명 연장이 불가능하며, 현재까지도 수명연장 메커니즘에 대해서는 많은 의문의 여지가 남아있다. 특히, 사람에서는 현재까지 수명연장에 대해서는 어떠한 증거나 단서도 보여주지 못하고 있는 실정이다. 뿐만 아니라 노화 조절 물질의 경우 전임상 동물시험 및 임상시험 평가기술이 극히 미비하며, 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 현재 시장에서 과학적 효능검증이 부족한 현실이다. 따라서 노령자의 건강수명 연장을 위하여 노화조절물질 관련 식품 및 의약품 시장의 활성화가 요구되는데, 이를 위해서는 과학적 효능 검증 및 이를 바탕으로 한 노화 조절물질의 개발이 절실히 요구되고 있다.

노화 분자마커들의 연구동향

현재까지 알려진 노화마커들의 연구동향을 살펴보면, 먼저 senescence-associated β-galactozidase (SA-β-gal)은 노화 동안에 손상된 생체분자를 분해하는 세포소기관인 lysosomes내에 축적한다. SA-β-gal은 노화된 세포에서 증가됨으로 주요한 노화마커로 간주되고 있다[16]. 젊은 세포는 둥근핵을 가지고 있으나 거품과 같은 구조의 특이한 형태의 핵을 가진 세포가 노화 동안에 축적되는데, 이러한 핵의 lamina의 모양이 노화 마커로 보고 되었다[47]. 조로증의 일종인 Hutchinson-Gilford progeria 환자 및 노인으로부터 유래된 세포핵의 모양은 progerin의 축적에 의하여 특이한 모양으로 변하는데, progerin의 축적이 노화마커로 보고되었다[14]. 세포분열 할 때마다 잛아지는 DNA의 telomere길이는 세포증식을 제한하여 노화 관련 질환의 원인이 될 수 있어 노화마커로 보고되었다[23]. Telomerase 활성은 세포분열의 횟수를 조절하여, 그 활성이 증가하면 노화 과정을 감속시키고 생명연장도 가능하여 노화마커로 보고되었다[57]. 과산화수소에 대한 세포의 세포자멸사가 노화마커로 보고되었는데[51], 이는 젋은 세포보다 노화된 세포에서 빈번하게 일어나기 때문이다. p53은 손상된 세포 및 노화세포에서 축적됨으로 노화마커로 보고되었다[67]. 세포분열 정지의 결과로 세포는 노화되거나 암세포로 변형되거나 세포자멸사가 발생하게 되는데, p16은 p53과는 독립적인 세포자멸사의 마커로서 노화마커로 보고 되었다[5]. 한편 p21은 p53에 의존한 세포자멸사의 마커로서 노화를 촉진시키는 노화마커로 보고 되었다[32]. 그러므로, 향후에 항노화 신약을 개발하는데 선행되어야 할 연구가 바로 국제적으로 인정될 수 있는 노화 및 항노화 분자마커를 개발하는 것으로 판단된다.

노화기전에서 matrix metalloproteinases

노화 관련 단백질 중에서 matrix metalloproteinases (MMPs)는 암과 염증을 조절하는 중요한 효소로 알려져 있을 뿐만 아니라 자외선, 활성산소 혹은 노화가 진행됨에 따라 발현이 증가되어 콜라겐의 분해를 촉진하여 노화 유발 시키는데 중요한 역할을 하고 있다. 특히 암 전이 및 관절염과 같은 만성염증의 진행과 및 주름형성과정에서 MMPs가 콜라겐, laminin, proteoglycan 등과 같은 세포외 기질을 분해하여 여러가지 질환을 유발시킴으로 MMPs의 활성과 억제기전을 해명하려고 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 관절염과 같은 염증성 질환이나 암전이 억제 및 주름형성 억제 목적의 억제제 개발이 진행되고 있으며, 향후에 MMPs를 억제할 수 있는 다양한 치료제가 개발될 것으로 전망된다.

현재까지 MMPs는 28 종류 이상이 알려져 있고, neutrophil, macrophage, fibroblast, bone cells와 같은 세포로부터 분비되는 칼슘 및 아연 의존 endopeptidase로 세포외기질(extracellular matrix, ECM)을 구성하는 섬유성 단백질(콜라겐, 엘라스틴)과 구조 단백질 및 부착성 단백질(fibronecin, laminin)의 remodeling에 관여하는 것으로 알려져 있다. 이러한 효소는 세포외 기질의 분해, 조직의 분해 와 복구, 세포의 이동, 염증을 포함하는 신체의 생리학적 및 병리학적 과정에서 중요한 역할을 수행한다. MMPs는 골다공성, 염증반응, 상처 치유, 암세포의 침윤과 같은 병리학적 과정에서 암전이, 치주질환, 주름, 관절염 질환에 관여하는 것으로 알려져 있다[12, 35, 48, 55].

정상상태에서는 MMPs의 합성과 활성화는 엄격하게 조절되는데, 만성염증 주위에는 활성화된 MMPs의 합성이 크게 증가하는 반면에, TIMPs (tissue inhibitors of MMPs)는 감소되어 세포외 기질인 콜라겐 및 sulfated proteoglycan 등과 같은 단백질의 분해가 일어나게 되는 것이다. 여러가지 MMPs중에서도 특히 collagenase-1 (MMP-1), collagenase-2 (MMP- 8), collagenase-3 (MMP-13)가 강력한 collagenolytic activity를 나타내어, 관절염과 같은 만성염증의 유발에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다[7, 33, 60]. 암세포의 침윤성 성장 및 전이 과정과 MMP-2 및 MMP-9과 같은 gelatinases 효소들의 발현이 특히 증가되고[45], 상처치유 과정에는 이들 효소의 발현이 감소한다는 사실이 알려지면서[22], MMPs 기능연구 및 MMP 억제제의 개발이 가속화 되었다. 뿐만 아니라 최근 연구에서는 모발성장에 있어서도 MMP-2 및 MP-9이 중요한 역할을 하고 있다고 보고 되었다[24]. MMP현재까지 MMPs의 활성을 억제시킬 수 있는 약효제로는 초기에 개발된 hydroxamate 유도체(batimastat, BB-1101, marimastat, phosphinamide hydroxamate), nonhydroxamate 유도체로는 carboxylate inhibitors(BAY12-9566), thiol inhibitors (mercaptoalcohols) 및 tetracycline 계(tetracycline, minocycline, doxycycline), biphosphonate 및 peptide 유도체가 있다. 일반적으로 tetracycline, minocycline, doxycycline을 사용하면 지나친 collagenase 활성을 정상 수준으로 회복시킬 수 있는데, 특히 doxycycline는 MMP-2를 억제하여 치주인대의 손상을 저해할 수 있다[21]. 뿐만 아니라, clodronate, etidronate, pamidronate, alendronate와 같은 bisphosphonates를 이용하여 결합조직기질 단백질 구성분의 분해를 억제하여 치주질환, 관절염, 골절과 같은 질환을 예방 및 치료하는 것이 가능하다는 것이 보고되었다[4, 53]. 더욱이 hydroxamic acid 유도체를 이용하여 MMPs 억제를 통하여[18] 류마토이드 관절염, 염증, 피부질환, 골 흡수 질환, 암전이 및 상처치료가 가능성을 시사하였다. 최근에는 peptide 유도체로서 MMPs의 억제를 보여 주었고 폐암 억제의 가능성을 보여주었다[6]. 따라서 MMPs는 피부노화 및 암전이 신약을 개발하는데 있어 주요한 target 단백질이 될 수 있다고 판단된다.

노화기전에서 histone deacetylases

최근에는 노화의 원인으로 특히 노화된 세포에서 일어나는 유전자발현 변화 중 histone deacetylases (HDACs)의 발현이 어떻게 조절되고 있는지가 결정적인 요인으로 작용하여 노화과정에서 매우 중요한 의미를 지니고 있다. 유전자는 뉴클레오좀내에 양전하를 가진 히스톤과 이온결합으로 결합되어 불활성화되어 있는데, 히스톤이 아세틸화되면 음전하를 가지게 되어 DNA를 구성하고 있는 인산기 때문에 음전하를 가진 유전자와 반발하게 되어 유전자와 히스톤이 분리되면서 유전자가 발현된다. 이러한 과정에서 HDACs는 탈아세틸화 작용으로 유전의 발현을 억제시키는 역할을 한다. 이러한 HDACs는 분자구조에 따라 클래스I, 클래스IIa, 클래스IIb, 클래스IV 및 색다른 구조를 가진 클래스III로 구분된다. 클래스I과 클래스II의 HDACs는 아연이 cofactor로 효소에 결합되어 있으며, 구조적으로 유사하고 높은 수준의 효소활성을 나타낸다. 클래스 I의 HDACs에 속하는HDAC1과 HDAC2는 핵 속에 존재하고, HDAC3은 핵과 세포질 양쪽에 존재하며, HDAC8은 근육조직 존재한다[15]. 이들 HDACs는 모두 핵 내에서 유전자발현 조절에 중요한 역할을 하고있다. 클래스II의 HDACs는 HDAC4, HDAC5, HDAC7, HDAC9의 4가지가 속하며, 대부분 근육과 심장에 존재하고 있다. HDAC4와 HDAC5는 히스톤의 메틸화된 lysine을 인지하는 histone methyltransferase에 의하여 유전자 발현 억제시 전사과정에서 HP1과 상호작용 한다[59]. 노화기전에서 중요한 역할을 하는 클래스III의 HDACs에는 SIRT1 (HSir2), SIRT2, SIRT3과 SIRT5와 같은 sirtuins이 여기에 속한다[20]. 이러한 sitruins는 NAD+를 보조효소로 가지며, nicotinamide에 의하여 효소활성이 억제되고, 단백질을 구성하고 있는 아미노산 중에서 lysine 잔기의 탈아세틸화를 촉매한다. 특히, SIRT1은 H1, H3, H4와 같은 여러가지 히스톤의 lysine 잔기에서 탈아세틸화를 촉매하며, SIRT1은 특히 p53, TAFI68, p300와 함께 PGC1α 의 전사에 관여한다[25, 42]. SIRT5는 미토콘드리아 내에 위치하고 있으며, 아직까지 그 기능이 불확실하여 보다 상세하게 연구되어야 할 분야이다[17]. SIRT6는 telomomeric DNA를 조절한다고 알려져 있다[31]. 마지막으로 클래스IV HDACs에는 핵 내에 존재하는 HDAC6 및 HDAC11이 속한다[61].

최근에는 SIRT1이 인간의 수명연장에 응용될 수 있다는 연구보고 이래로sirtuin은 최근 인간의 노화 및 대사를 중요한 조절인자로 주목을 받고 있다. SIRT1의 그 작용기전은 세포분열 횟수를 조절하여 수명을 연장한다는 것이다. SIRT1의 세부적인 작용기전을 조사한 결과, 노화의 핵심 매개인자로 알려져 있는 p53 및 p19ARF 단백질 발현을 억제하여 노화를 조절한다고 밝혀졌다[11]. 그리고 천연 화합물 중에서 genistein, phenylisothiocyanate, curcumin, resveratrol, indole-3-carbinol 및 epigallocatechin-3-gallate는 HDAC 혹은 HAT의 활성을 조절하여 유전자 발현에 영향을 준다고 알려져 있는데[65], 특히 적포도주에서 발견되는 물질인 resveratrol은 SIRT1의 활성을 증가시켜 수명을 연장할 수 있는 것으로 보고되어[2], 세계적으로 유명한 제약회사에서 노화 관련 신약개발을 고무시키고 있다. 또한 여러 HDACs 저해제가 전임상 연구를 통해 항암효과를 가지고 있음이 증명되어 다양한 HDACs 억제제가 개발되고 있다. 현재까지 활발하게 연구되고 있는 HDAC 억제제는 다음과 같다. 첫째로 4-phenyl butyrate와 같은 small molecular weight carboxylate 계열[30], 둘째로 suberoylanilide hydroxamic acid 및 trichostatin A (TSA) 등과 같은 hydroxamic acid 계열[1, 68], 셋째로 MS-275와 같은 benzamide 계열[1], 넷째로 trapoxin과 같은 epoxyketone 계열 [66], 다섯째로 apicidin와 같은 cyclic peptide 계열[3], 마지막으로 cyclic hydroxamicacid-containing peptide와 같은 hybrid molecule 계열[27] 등이 있다. 그러므로 현재 HDACs는 항 노화 신약을 개발하는데 있어 가장 중요한 target 단백질로 선정되어 전세계 제약회사에서 활발하게 임상연구를 추진 중이며, 조만간 제약시장에 출시 될 것으로 기대된다.

노화기전에서 자가포식작용 신호경로에 관련되어 있는 단백질

자가포식작용이란 세포 내에서 대사결과로 축적된 생체 쓰레기를 제거하는 자가포식과정으로 첫 번째 과정은 바로 autophagosome의 형성이다. 세포내 기관이나 구성성분들은 phagophore 형성에 관여하다[63]. 이때 31 가지의 자가포식작 용과 관련있는 단백질들(Atg) 중에서 Atg6인 Beclin1은 autophagosomes 초기 형성에 관여하게 되고, phosphatidylinositol 3-kinase (PI3 kinase)및 Vps34와 함께 복합체를 형성한다[41, 50]. Phagophore이 커지면서 세포내 기관들 및 구성성분들이 완전히 이중막으로 둘러싸이면 autophagosome이 형성된다[62]. Ubiquitin-like protein인 Atg8은 phospatidylethanolamine(PE)-복합체 형태(Atg8-PE)로 autophagic membranes에 존재하는데 Atg8은 in vitro system에서 tethering(포박)과 Atg8- PE를 포함하는 liposomes의 부분융합을 매개한다[46]. Atg8은 LC3라고도 불리며 autophagosome과 매우 단단히 결합하고 있기 때문에 autophagosome 마커로도 활용된다. Atg8의 ubiquition은 E1 ubiquitin activating enzyme의 역할을 하는 Atg7단백질에 의해 활성화된다[63]. 다음으로 autophagosome과 vesicle의 융합이 일어나게 되고 recycling을 위한 ‘소화’과정이 일어나게 된다[52]. 이와 같이 자가포식 작용은 매우 많고 다양한 단백질들이 관여하기 때문에 생체 내에서 다양하게 관여된다. 초기 autophagosome 형성에 관여하는 becline1 (Atg6)은 항세포자멸사 인자인 Bcl2의 partner로써 작동하며, Bcl2-Beclin 1 상호작용은 beclin1의 BH3 도메인을 통해 매개되고 Bcl2로부터 자유로워지는 Beclin1은 자가포식작용을 활성화시킨다[10, 44]. 따라서 Bcl2는 항세포자멸사 뿐만 아니라 항 자가포식작용 효능을 나타냈다. 실제로 자가포식작용이 종양형성에 있어 양성인자인지 음성인자인지는 아직도 논의되고 있는데, 최근 몇몇 연구에서는 유방암 조직 세포주인 MCF7 세포에서 beclin1의 발현이 현저히 낮음이 확인되었고 beclin1의 발현을 높이면 MCF7 세포의 종양활성이 억제됨을 나타내었다[34, 37].

현재 항 노화제로 알려져 있는 resveratrol, spermidine, rapamycin, 칼로리 제한 등을 이용한 수명 연장효과는 자가포식작용과 관련되어 있고, 일부 경우에는 실제로 수명연장 효과에 자가포식작용이 요구되기도 한다[29]. 따라서 본 연구에서는 IGF-1, p53 및 HAT/SIRT1 pathway를 경유한 세포노화와 자가포식작용의 상호관계를 중요하게 다루고자 한다. 자가포식작용란 체내에 쌓인 노폐물을 제거하는 과정으로 알려져 있다. 하지만 영양분 결핍과 같이 세포가 에너지를 내기 위한 더 이상의 영양분을 얻을 수 없는 상태에 놓이면 세포는 세포내 기관과 거대분자들을 분해하여 새롭게 이용 가능한 최소분자 상태를 만들어 에너지 고갈로부터 피해간다[64]. 이러한 자가포식작용이 활발히 일어날수록 수명을 연장시킨다는 연구결과가 보고되고 있지만, 과도한 자가포식작용이 세포사멸을 유발시킨다는 연구결과도 있다. 대표적인 예로 IFN-γ 같은 사이토카인, 항암약물인 tamoxifen들은 자가포식작용 유도를 통한 세포사멸을 유발한다[8, 36]. 최근 연구에서는 자가포식작용이 수명과도 연관이 있다는 보고되었다[40]. 따라서 노화마커와 항노화마커를 개발하기 위하여 특히 노화와 자가포식 작용의 상관성에 대하여 주목해왔다. 자가포식작용 발생에 관여하는 단백질을 제어하여 노화속도를 조절할 수 있다는 가능성에 착안하여 노화마커와 항노화마커를 개발할 수가 있다. 현재까지의 연구결과로는 자가포식작용의 강한 유발자는 바로 영양분 결핍상태이다. 영양분 결핍 상태나 저 산소증으로 인하여 야기되는 아미노산, 핵산 및 황산염의 고갈은 자가포식작용을 강하게 유도한다[43]. 뿐만 아니라 insulin-like growth factor-1, 성장 인자 및 호르몬에 의해 자가포식작용이 조절되기도 한다[28]. 그러므로 자가포식작용을 활성화 시킬 수 있는 신약을 개발하면 수명연장이 기대된다.

노화기전에서 IGF-1의 중요성

종양 억제 인자인 p53 단백질 역시 자가포식작용 유도뿐만 아니라 세포의 노화에도 밀접한 관련이 있다. 특히 최근에는 증가된 IGF-1 signaling은 p53 단백질에 의존적으로 세포의 노화와 성장 촉진에 관여한다는 연구보고가 있다[58]. 이 연구에서 단기간의 IGF-1 처리는 IGF1R의 활성을 야기하여 PI3K/AKT pathway를 상향조절 함으로써 p53 단백질에 대항하여 세포의 성장을 촉진시킨다. 반면 장기간의 IGF-1 처리는 p53 단백질의 농도에 의존하여 세포의 노화를 유도시키고 암의 형성과도 매우 밀접한 관련이 있다. 이러한 p53 단백질은 histone deacetylase인 SIRT1의 기질이 된다는 연구결과와 함께 SIRT1의 증가가 장기간의 IGF-1 처리로 인한 세포의 노화를 억제시킨다는 흥미 있는 연구결과가 보고되었다. 그러나 여전히 자가포식작용을 촉진시켜 세포노화를 억제시키는 기전에 대한 구체적인 증거는 부족한 실정이다. 자가포식작용의 활성화는 세포대사 결과 세포내에 축적된 분자 쓰레기를 청소하는 과정을 활성화 시키는 것을 의미함으로, 이러한 작용이 저하되면 세포노화가 진행된다는 가정을 제기하는 것이다. 이러한 가정을 바탕으로 본 총설논문에서는 자가포식작용 신호경로와 노화 신호경로에 대한 공통분모를 찾아내어. 자가포식작용를 조절함으로써 노화와 관련된 질환들을 예방 및 치료하고 수명을 연장할 수 있는 실마리를 찾는데 일조하고자 한다. 최근에 세계 각국에서 노화와 관련된 질환을 예방 및 치료하기 위하여 노화연구에 대한 투자가 증가되고 있으며, 아울러 고령인구 증가로 고령화 사업에 대한 투자가 증가되고 있는 실정이다.

따라서, 본 총설논문에서는 Fig. 1에서와 같이 노화기전에서 중요한 역할을 하고 있는 타켓 단백질을 제시함으로써, 향후에 이러한 단백질과 세포노화 기전 사이의 상호관계를 구체적으로 해명하여 노화의 기전의 실마리를 발견하고, 이를 바탕으로 노화 및 항노화 마커를 개발하고, 노화를 조절 할 수 있는 생리활성물질을 발굴하여, 노화관련 질환의 예방 및 치료제의 개발의 가능성을 증가시키고, 나아가 국민의 건강 및 노화관련 바이오산업 새 지평선을 여는데 획기적인 역할이 기대된다.

Fig. 1.Illustration of target proteins involved in aging mechanism as an aging marker that are represented as red color.