코로나19로 인한 폐손상 염증 유발 단백질 발견-지질 생합성 조절 단백질(SREBP) 인자를 활용한 감염성 급성 염증 치료제 개발 기대
구분 : 연구성과작성자 : 관리자작성일 : 2020-10-23
코로나19로 인한 폐손상 염증 유발 단백질 발견
- 지질 생합성 조절 단백질(SREBP) 인자를 활용한 감염성 급성 염증 치료제 개발 기대
□ 국내 연구진이 체내 지방 생합성 조절 단백질(SREBP, 이하 조절 단백질)이 코로나 감염 환자에서 사이토카인 폭풍으로 인한 폐 손상을 유발함을 밝혔고, 해당 단백질을 활용한 중증도 진단/치료 표적이 될 수 있음 발견하였다. 향후, 체내 에너지 대사 조절을 통한 감염성 및 노인성 염증질환 치료제 개발에 결정적인 기여를 할 것으로 기대된다.
ㅇ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 노화제어전문연구단 서영교 박사팀(주 교신저자: 서영교 박사, 제1저자: 이원화 박사)과 영남대학교, 경북대학교 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 한국생명공학연구원의 주요사업과 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업의 지원으로 수행되었고, 체내 '신호전달 및 표적치료' 분야의 세계적 저널인 시그널 트랜스덕션 타겟 테라피(Signal Transduction and Targeted Theraphy, IF 13.49) 9월 3일자(한국시각 9월 04일) 온라인 판에 게재되었다.
(논문명 : COVID-19-activated SREBP2 disturbs cholesterol biosynthesis and leads to cytokine storm)
□ 조절 단백질은 콜레스테롤의 생합성 경로에 관련되는 효소를 활성화하여 간을 비롯한 생체 각 조직에서 콜레스테롤 및 지질 항상성 조절과 선천적 면역반응 항진에 관여하는 핵심 인자이다.
□ 연구팀은 바이러스에 감염된 환자에서 성숙한 조절 단백질이 염증 유발 전사인자로서의 활성을 보여 주었으며, 이때, 단백질이 혈액으로 분비되어 진단 표적이 될 수 있음을 발견하였다.
ㅇ 연구팀은 코로나19 감염환자 혈액으로부터 조절 단백질의 활성화 수준을 모니터링 하였으며, 염증성 사이토카인 방출 및 혈관 파괴에 관련되어 있는 증거를 확인하였다.
ㅇ 바이러스 감염시 조절 단백질 일부는 체내 독소 역할을 하여 코로나19로부터 중증으로 진행된 패혈증 환자에서 사이토카인 폭풍을 일으킨다.
ㅇ 따라서 환자의 혈액에서 조절단백질의 발견은 중증 코로나19 환자의 치료 목표를 결정하기 위한 적합한 바이오마커임을 의미하며, 심각한 패혈증 환자에서 사이토카인 폭풍 및 장기 손상을 예방하는 핵심 치료 표적이 될 수 있음을 시사한다.
□ 연구책임자인 서영교 박사는 “이번 성과는 코로나19로 인한 급성 폐손상 등을 진단하거나 치료할 수 있는 표적으로 개발이 가능할 것”이라며
ㅇ “해당 인자는 효율적 염증 치료제뿐만 아니라 계절 급성 감염증 질환, 노인성 대사 불균형 관련 질환 등의 치료제 개발에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 제2형 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스(SARS-CoV-2)에 감염된 환자 중 상당수는 급성 호흡 곤란 증후군(ARDS), 사이토카인 방출 증후군(CRS) 및 패혈증과 관련되어 광범위한 조직 손상에 의한 다중 장기 부전(MOF)으로 사망을 초래할 수 있다. COVID-19 전염병을 통제 할 수 있는 효과적인 치료법 개발이 긴급하다.
○ 지질 항상성 조절 단백질 (SREBP)은 지질 콜레스테롤 생합성에 관여하는 유전자 발현을 조절하는 전사인자이다. SREBP는 스테롤 결핍 상태에서 소포체 (ER) 스트레스, 염증, 세포 자멸사 및 자가 포식 유전자 활성과 같은 다양한 병태 생리 과정에 연관되어 있다.
○ 바이러스에 감염된 세포는 인터페론, IL-6, IL-8 및 M-CSF등의 사이토 카인의 분비를 유도하고, 지질과 콜레스테롤을 분비하여 바이러스를 비활성화시키는 것으로 알려져 있다. 세포 내 콜레스테롤 농도가 감소할수록 SREBP의 활성이 증가하며, 예비연구 결과, 바이러스 감염 세포는 콜레스테롤 수치가 일시적으로 감소하여 SREBP-2가 활성화 되었다.
○ 과도하게 활성화 된 SREBP-2와 NF-kB가 혈관 및 장기 손상을 유발할 수 있으며, 바이러스 감염 치료의 표적으로서의 잠재력을 입증입하였다.
□ 연구내용
○ 연구팀은 COVID-19 감염환자의 혈액으로부터 총 콜레스테롤, 고밀도 콜레스테롤(HDL) 및 저밀도 콜레스테롤(LDL) 농도가 정상인에 비해 턱없이 낮았으나, 사이토 카인의 발현에 관여하는 혈중 단핵세포(PBMC)에서 SREBP의 활성이 두드러지게 증가 해 있음을 발견하였다. 이는 COVID-19 감염이 SREBP에 의한 콜레스테롤의 직접 합성 경로를 억제하는 동시에 염증성 전사인자로서의 활성을 증가시킨다는 것을 시사한다.
○ 또한, 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 이미지 및 각종 패혈증 지표를 통해 COVID-19 중증이상 환자로 분류된 그룹에서 SREBP C 단편 수치가 급격히 증가하였음을 확인하였다. 급성염증 조건의 세포실험에서 SREBP 활성 억제제(Fato A)를 투여하거나, 염증 분자 NF-κB의 신호전달을 조절함으로써 IL-1β 및 TNF-α와 같은 염증성 사이토카인 생성을 억제 할 수 있었다. 이는 사이토카인 폭풍의 회복 가능성을 시사하는 것이다.
○ COVID-19 환자의 SREBP 및 NF-kB 활성화 억제 효과를 동물모델에서 검증하기 위해 맹장 손상 급성 패혈증 생쥐의 생존율 테스트를 실시하였다. 약리학적 억제의 결과로 마우스 혈장에서 간-알라닌 아미노 전이 효소 (ALT) 및 아미노 전이 효소 (AST), 신장-혈액 요소 질소 (BUN), 염증-C- 반응성 단백질(CRP) 및 젖산염 탈수소 효소(LDH) 등의 다양한 조직 손상 지표가 호전됨을 확인 하였다.
○ 즉, 본 연구의 성과는 대사 항상성 조절인자를 표적으로 하는 감염성 질병의 감염 중증도 진단지표 및 치료제 가능성에 대한 새로운 이정표를 제시 하였다. 특히, 노화 세포 염증 억제 기술과 심혈관, 지방조직 특이적 염증 조절 지표를 표적으로 하는 실용화와 사업에 파급이 클 것으로 예상된다.
□ 연구성과의 의미
▶ 대사 항상성 조절인자의 새로운 기능: 감염성 질병의 치료제 개발 및 원천기술 연구 활용
❍ SREBP-2는 조직의 거의 모든 세포 유형에서 존재하기 때문에 그 억제는 감염성 질환에 대한 예상 치료 전략으로 작용할 가능성이 충분하다. 억제제와 shRNA를 사용한 SREBP-2 및 NF-κB의 약리학적 억제에서 알 수 있듯이 초기 단계의 억제는 실제로 조직 손상, 염증성 사이토카인의 과잉 생산 및 사망을 억제 할 수 있다. 심혈관질환 및 급성감염 질환 연구에도 활용가치가 클 것으로 예상된다.
○ COVID-19 환자의 혈액 단핵세포(PBMC) 및 동물 모델 실험 결과는 NF-κB 신호 및 SREBP-2의 억제가 감염성 질환 치료제로서 중추적인 역할을 할 수 있음을 시사한다. 또한, 염증에 의한 노인성 대사질환 치료 표적 및 노화 관련 원천기술 연구에 중요한 발판이 될 것이다.
▶ SREBP C 절편 분자의 바이러스 감염 중증도 진단지표
❍ 또한, SREBP-2 억제제와 shRNA를 사용한 SREBP-2 및 NF-κB의 약리학적 억제에서 알 수 있듯이 초기 단계의 억제는 실제로 조직 손상, 염증성 사이토카인의 과잉 생산 및 사망을 예방 할 수 있다.
❍ SREBP-2 N-절편에 대한 심층연구에도 불구하고 효소 해리 된 SREBP-2 C-절편의 역할과 분비되는 추적 보고되지 않았다. 이 연구에서 SREBP C 절편은 환자의 혈장 및 배양 배지에서 분비 된 형태로 발견되었으며, PBMC 에서도 검출되었다. 이 결과는 SREBP C 절편이 세포 밖으로 방출되어 혈장을 순환한다는 것을 의미함. 따라서, 세포 외 분비는 진단 마커에 사용될 수 있다. SREBP C 분자의 이해의 폭은 높이고, 염증 신호전달 조절기술 개발과 이를 통한 관련 질환 치료제 개발에 크게 기여 할 것으로 기대된다.
용 어 설 명
1. SREBP(Sterol Regulatory Element Binding Protein)
◦ 세포가 에너지원 인 포도당(C6H12O6)으로부터 중성지방 및 스테롤을 만들어가는 과정에서 각 대사 물질을 만드는 효소의 발현을 조절하는 핵심전사인자이다.
2. 사이토카인 폭풍(cytokine storm)
◦ 면역체계가 염증성 신호분자를 과도하게 방출시켜 대사체계의 혼란을 일으키는 생리적인 반응이다.
◦ 염증성 사이토카인의 급격한 방출에 의한 공격적인 염증반응은 급성호흡곤란을 악화시키고, 광범위한 조직 손상을 유발하여 다발성 장기부전과 사망을 초래 할 수 있다.
그 림 설 명
그림 1. 코로나 환자의 SREBP 활성 기전 흐름도
- 사스-CoV-2 바이러스 감염에 의한 세포막의 콜레스테롤 소모는 SREBP-2의 활성을 유도하고, 염증 반응 과정에서 NF-kB의 활성 증가와 더불어 대량의 염증 사이토카인을 분비 한다.
- NF-kB와 SREBP2의 활성을 저해하는 표적 약물을 활용하여 cytokine storm과 과도한 혈관 염증반응을 통제할 수 있다.
그림 2. 혈핵중의 SREBP-2 C-절편의 수치가 COVID-10 감염의 중증도를 반영한다.
COVID-19 환자의 혈중에 SREBP-2가 활성화된 정도에 따라 SREBP-2 C-절편이 분비되었다(A and B). 또한, 심각한 패혈증 환자에서도 SREBP-2 C-절편의 분비가 증가 되었으며(C), 이는 SREBP-2 C-절편이 염증을 유도하는 감염병의 일반적인 지표로 사용 될 수 있음을 시사한다. LDH와 C-reactive protein수치를 확인함으로써, 조직손상의 정도를 예측하였으며(D and E) 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상에서 SREBP-2 C-term이 높은 환자의 폐가 많이 손상되었음을 확인 하였다(G).
그림 3. 세포 수준에서 SREBP-2 활성화 와 사이토카인 발현 조절 검증
혈관내피세포(HUVEC)가 염증에 노출 될 때, SREBP-C 절편이 분비 됨을 확인 하였다(A 및 C). LPS 자극 후, 12시간 후 HUVEC에 콜레스테롤이 축적된 것으로 나타났다. 그러나 24시간후 감소하였다(D). 이는 콜레스테롤을 세포밖으로 보내는 단백질 ABCA1의 영향이다(E). HUVEC에서 LPS 자극은 염증성 사이토카인의 분비를 유도하는 반면(F 상단 패널), SREBP-2의 발현을 억제 한 후 LPS 자극하면, 사이토카인 폭풍을 억제 할 수 있음을 보여 준다 (F 아래 패널).
그림 4. 동물 염증 모델에서 SREBP-2 활성억제를 통한 감염병 조절 검증
SREBP-2 억제의 효과를 치료제로서 검증하기 위해, 패혈성 쇼크를 유발하는 급성 염증 동물 모델을 사용하였다. SREBP-2 활성 억제제 FatoA를 투여 하였을 경우, 40% 의 생존율을 증가시켰다(A). 이때, 손상된 폐조직이 정상의 범위로 회복되었다(B). 급성염증조건에서SREBP-2의 발현을 억제하면 혈액으로 분비되는 (염증에 의한)세포 손상 표지 분자 ALT, TNF-a 및 MCP-1(C)의 분비가 개선되었다.
서영교 박사 이력사항
1. 인적사항
o 소 속 : 한국생명공학연구원
노화제어전문연구단
2. 경력사항
o 2004 – 2006 Institute of Biotechnolgy(IBT) UTHSCSA 박사후 연구원
o 2007 – 2012 UC Irvine, CA 특임연구원(Associate Specialist)
o 2012 – 2016 UNIST 조교수
o 2017 – 현재 한국생명공학연구원 노화제어전문 연구단 선임연구원
o 2019 – 현재 과학기술연합대학원대학교 초빙교수
o 2019 – 현재 대전 교육연구원 중둥 생물학 교사 연수 교원
3. 전문 분야 정보
o 대사 생리학
o 지질생화학
이원화 박사 이력사항
1. 인적사항
o 소 속 : 한국생명공학연구원
노화제어전문연구단
2. 경력사항
o 2016 – 2017 경북대학교 약학대학 박사후 연구원
o 2017 – 2017 경북대학교 약학연구소 연구교수
o 2017 – 현재 한국생명공학연구원 노화제어전문연구단 연구원o
3. 전문 분야 정보
o 생화학 세포생물학
o 중개의학
o 나노약물전달학