관절염 회복 돕는 핵심유전자 발굴-3만개 유전자 대상 고속 스크리닝, 관절염 회복예측 표지자로 활용 기대

관절염 회복 돕는 핵심유전자 발굴-3만개 유전자 대상 고속 스크리닝, 관절염 회복예측 표지자로 활용 기대

 

등록일 2020.05.28.

 

관절염 회복 돕는 핵심유전자 발굴
3만개 유전자 대상 고속 스크리닝, 관절염 회복예측 표지자로 활용 기대

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 가톨릭대학교 의과대학 김완욱 교수 연구팀(공진선 연구원, 조철수 교수)이 관절염 회복을 돕는 유전자를 도출, 관절염 회복을 모니터링할 수 있는 바이오마커로서의 가능성을 제시했다고 밝혔다.

□ 염증의 일종인 관절염은 상태가 악화되었다가 호전되기를 반복하는데 이러한 변화가 왜 어떻게 일어나는지는 잘 알려지지 않았다.
○ 염증악화의 원인이 되는 자가면역반응을 억제하는 약물에 대한 연구가 활발하지만 이러한 접근은 정상적인 면역에도 영향을 미칠 수 있다는 한계가 있었다.

□ 이에 연구팀은 관절염이 스스로 호전되는 과정에 관여하는 핵심적인 생체분자를 알아낸다면 정상적인 면역반응에 영향을 주지 않는 관절염 치료방법의 실마리가 될 것으로 보았다.

□ 이를 위해 관절염을 심하게 앓고 나서 저절로 좋아진 생쥐의 관절조직을 얻은 후, 먼저 3만개 이상의 유전자를 대상으로 관절염 증상에 따라 발현이 늘거나 줄어든 유의미한 후보유전자 85개를 선별하였다.
○ 나아가 면역학적 실험을 통해 그간 관절염과의 연관성이 알려지지 않은 인테그린(Itgb1), 알피에스-3(RPS3), 이와츠(Ywhaz)라는 핵심유전자 3개를 도출하는 데 성공했다.

□ 이들 3개 유전자는 관절염이 호전된 관절조직과 염증억제에 관여하는 면역세포(조절 T세포) 등에서 주로 발현, 분비되어 항염물질 생성을 유도하는 것으로 나타났다.
○ 관절염이 아주 심할 때 발현되어 병든 면역세포에 작용, 해로운 작용을 억누르고 관절염을 회복시키는데 관여한다는 것이다.

□ 특히 이와츠 유전자를 류마티스 관절염 생쥐의 관절에 주사하자, 생쥐의 관절염이 현저히 호전되는 것을 관찰하였다.
○ 또한 65명의 류마티스 관절염 환자의 소변 내 이와츠 농도분석 결과 약물 반응성이 좋았던 환자의 경우 항류마티스 약물을 투여하기 전에 비해 투여 후 이와츠 농도가 증가하였으나 그렇지 않은 환자에서는 오히려 감소하였다.

□ 연구팀은 이와츠가 치료약물 없이 관절염이 스스로 좋아지는 과정에서 분비되어 치료효과를 보이는 데 주목하면서 향후 부작용이 적은 치료표적이자 회복을 예측할 수 있는 바이오마커로 활용할 수 있을 것으로 기대하였다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 기초의학 국제학술지‘저널 오브 클리니컬 인베스티게이션(Journal of Clinical Investigation)’온라인에 5월 14일 발표되었으며, ‘네이처 리뷰 류마톨로지(Nature Reviews Rheumatology)’에 하이라이트 이슈로 선정되었다.

주요내용 설명

<작성 : 가톨릭대학교 의과대학 창의시스템의학 연구센터>

키워드
Arthritis(관절염); Autoimmunity(자가면역); Inflammation(염중); Rheumatology(류마티스).
논문명
Dynamic Transcriptome Analysis Unveils Key Pro-Resolving Factors of Chronic Inflammatory Arthritis
저널명
J Clin Invest. 2020 May 14
DOI
10.1172/JCI126866
저 자
김완욱 교수(교신저자/가톨릭대학교), 황대희 교수(공동 교신저자/서울대학교), 공진선 박사과정(제1저자/가톨릭대학교), 박지환 선임기술원(공동 1저자/한국생명공학연구원)

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 대다수 관절염 환자들은 염증이 지속적으로 진행되기 보다는 증상의 재발과 호전이 반복된다. 대개 완치가 어려워 염증이 호전된 상태를 되도록 오랫동안 잘 유지하는 것이 관절의 손상을 줄이고 영구적인 장애를 예방하기 위한 가장 효과적인 방법이다.
○ 최근까지 관절염에 관한 연구는 주로 염증을 유발하거나 악화시키는 원인을 찾는데 주력하여 왔으며 염증의 호전과 회복과 관련된 연구는 다소 산발적이고 제한적이었다. 또한 관절염의 회복과 자연치유를 매개하는 기전 및 이와 관련된 유전자 및 핵심적인 경로들을 발견하기 위한 체계적이고 광범위한 연구는 수행되지 않았다.

2. 연구내용
○ 이에 관절염이 왜 스스로 좋아지는가에 궁금증을 가졌고 그 원인을 알 수 있다면, 또한 이를 주도하는 핵심적인 생체물질을 알아낸다면 생체리듬에 따라 균형잡힌 부작용 없는 치료방법이 될 것이라 가정하였다.
○ 류마티스 관절염의 대표적인 동물모델인 콜라겐 유도성 관절염 생쥐모델에서는 관절염의 시작->진행->자연치유의 과정을 거친다. 연구팀은 콜라겐 유도성 관절염을 심하게 앓고 나서 저절로 좋아진 생쥐의 관절조직을 얻은 후 3만개 이상의 유전자들(전사체, transcriptome)을 RNA 서열분석 방법으로 한꺼번에 분석하였다.
○ 시간경과에 따른 유전자 발현의 변화를 조사하였고 단백질-단백질 상호작용 네트워크를 구축하였으며 이를 통해 관절염의 자연치유를 주도하는 85개의 후보유전자를 선별하였다. 이후 다양한 분석과 세포배양실험을 통해 그 동안 관절염에서 그 기능이 밝혀지지 않은 단백질인 인테그린(Itgb1), 알피에스-3(RPS3), 이와츠(Ywhaz)라는 핵심 유전자3개를 최종 선정하였다.
○ 선정된 세 가지 유전자는 질병이 호전된 관절조직에서 현저히 발현이 증가되어 있었고 염증을 억제하는 데 핵심적인 역할을 한다고 알려진 조절 T세포 (regulatory T cells)와 M2 대식세포에서 주로 생성되었다.
○ 또한 세 가지 유전자에 대한 재조합 단백질을 배양된 비장세포, 대식세포, 활막세포 등에 처리하였을 때 염증을 증가시키는 사이토카인 (IL-6, TNF-알파)은 감소시키는 반면 항염작용이 있는 사이토카인 (IL-10)은 증가시켰다. 이는 세 가지 후보물질인 인테그린, 알피에스-3, 이와츠가 병든 면역세포의 흥분을 억제하는 효과가 있음을 보여준다.
○ 세포배양실험에서 세 가지 후보 물질 중 ‘이와츠(Ywhaz)’의 항염효과가 가장 강력하였기에 관절염 모델동물에서 이와츠의 치료효과를 조사하였다. 생쥐에서 류마티스 관절염의 동물모델인 콜라겐 유도성 관절염을 유도하고 이와츠 유전자가 탑재된 아데노바이러스를 두 차례 관절 내에 주사하여 이와츠의 과발현을 유도하였다.
○ 그 결과 투여된 이와츠 유전자는 관절염의 진행과 악화를 현저히 억제하였고 (그림 1), 관절조직, 림프절, 비장조직 등에서 염증유도성 사이토카인(IL-6, TNF-알파, IL-17)의 발현을 크게 감소시켰다. 결국 ‘이와츠’는 강력한 항염효과를 가지고 있으며 류마티스 관절염 치료를 위한 우수한 표적이 될 수 있음이 증명되었다.
○ 흥미롭게도 이와츠는 관절염의 회복단계에 있는 생쥐의 혈청에서 상승되어 있었기에 (그림 2), 이러한 결과가 사람에서도 동일하게 재현되는지를 조사하였다. 65명의 류마티스 관절염 환자의 소변에서 항류마티스 약물로 치료하기 전과 치료 후 6개월에 연속적으로 이와츠의 농도를 측정하였다. 결과 우수한 치료 반응을 보인 환자의 경우 증상의 호전과 함께 이와츠의 농도가 상승되었다. (그림 2). 반면에 관절염이 부분적으로 좋아지거나 전혀 좋아지지 않은 환자에서는 각각 이와츠의 농도가 변화가 없거나 오히려 감소하였다(그림 2). 이러한 결과는 이와츠가 인체 내에서 관절염의 완화상태를 반영할 수 있는 바이오 마커로서 활용될 수 있음을 보여준다.

3. 연구성과/기대효과
○ 의학계에서는 그 동안 관절염을 포함하여 염증을 악화시키는 원인을 찾아내어 이를 억제하는 약물을 개발하기 위해 노력하여 왔다. 그러나 이 억제약물들은 병든 면역뿐 아니라 정상적인 면역체계에도 손상을 주어 저항력이 떨어져 바이러스 감염 등이 생기는 부작용이 있었다.
○ 본 연구는 관절염이 인체 내에서 어떻게 스스로의 힘으로 자연 치유될 수 있는지 보여주는 최초의 연구이다. 산발적 연구의 한계를 뛰어넘어 시간에 따른 유전체(전사체) 발현의 변화를 총체적, 포괄적, 체계적으로 조사/분석하였고 이를 통해 광범위하고 다양한 ‘염증회복’유전자들의 변화를 찾아내었다. 향후 이 자료들은 관절염 뿐 아니라 다양한 염증질환-장염, 폐렴, 간염 등-의 발병기전을 연구하고 치료표적을 선별하기 위한 기초자료(platform)가 될 것이다.
○ 이번 연구를 통해 관절염이 심할 때 관절을 보호하고 회복시키는 핵심적인 자연치유물질인 인테그린, 알피에스-3, 이와츠를 발굴하였다. 인테그린, 알피에스-3, 이와츠는 조절 T세포와 M2 대식세포에서 생성된 후 병든 면역세포에 작용하여 염증성 사이토카인의 생성을 억누르고 질병을 자연적으로 회복시키는데 주도적인 역할을 할 것으로 판단된다.
○ 특히 이와츠라는 단백질은 간단한 피검사나 소변검사를 통해 관절염의 회복을 미리 예측할 수 있는 새로운 바이오마커로 활용이 가능하며 생체리듬에 따라 만들어지므로 부작용이 적을 것으로 기대된다.

그림 설명

 

(그림 1) 관절염 유도 생쥐에서 이와츠(Ywhaz) 유전자 치료효과 확인
(A) 생쥐에서 류마티스 관절염을 일으킨 후 4주(화살표)와 5주(화살표)에 각각 이와츠 유전자를 주사하여 병의 위중도를 조사함. 대조군(분홍색 그래프)에 비해 이와츠 유전자를 탑재한 아데노바이러스를 관절 내에 주사한 생쥐(파란색 그래프)에서 관절염 크게 호전됨
(B) 이와츠 유전자를 탑재한 아데노바이러스를 관절 안에 주사한 생쥐(오른쪽)에서 유전자를 탑재하지 않은 대조군 생쥐에 비해 관절 붓기(위쪽)와 관절염을 유발시키는 염증세포 및 관절파괴(아래쪽)가 줄어듦.
출처 : 가톨릭대학교 의과대학 창의시스템의학 연구센터 제공

 

 

 

 

 

(그림 2) 관절염 회복상태를 반영하는 바이오마커로서의 이와츠(Ywhaz) 도출
(A) 류마티스 동물모델인 콜라겐 유도성 관절염이 생긴 생쥐의 혈청에서 이와츠의 농도를 측정함. 관절염이 최고조(정점)에 이르렀을 때에 비교하여 회복단계에서 혈액 내 이와츠의 농도가 증가함
(B) 65명의 류마티스 관절염 환자에서 항류마티스 약물을 투여하기 전과 투여 후 6개월에 순차적으로 소변을 수집하여 이와츠의 농도를 측정함. 치료약물에 반응이 좋았던 환자에서는 약물치료 후 소변 내 이와츠 농도가 증가하였으나 반응이 보통인 환자에서 변화가 없었고 반응이 전혀 없었던 환자에서는 이와츠 농도가 오히려 감소함. *, P < 0.05, NS=not significant.
출처: 가톨릭대학교 의과대학 창의시스템의학 연구센터 제공

연구 이야기

<작성 : 가톨릭대학교 의과대학 김완욱 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

류마티스 내과를 전공하는 임상의사로서 지난 20여 년 동안 관절염의 병인에 관해 큰 관심을 가져왔으며 ‘류마티스 관절염의 완전관해 치료법‘을 목표로 꾸준히 연구를 진행해 왔다. 대다수의 관절염 환자들은 염증이 지속적으로 진행하기 보다는 증상의 재발과 호전이 반복되는 임상경과를 보인다. 관절염은 대개 완치가 어렵기 때문에 염증이 호전된 상태를 되도록 오랫동안 잘 유지하는 것이 관절의 손상을 줄이고 영구적인 장애를 예방하기 위한 가장 효과적인 방법이다. 그러나 현재까지 관절염의 악화와 호전이라는 변화가 왜? 어떻게? 일어나는지 체계적으로 분석되어 있지 않았다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

최근까지 관절염에 관한 의학연구는 주로 염증을 유발하거나 악화시키는 원인을 찾아내는데 주력하여 왔고 염증의 호전 및 회복과 관련된 연구는 다소 산발적이고 제한적이었다. 또한 관절염의 회복과 자연치유를 매개하는 기전, 이와 관련된 유전자 및 핵심적인 경로들을 발견하기 위한 체계적이고 광범위한 연구는 수행되지 않았다. 연구팀은 만성 염증성 질환의 악화와 회복을 책임지는 결정적인 유전자들 또는 경로를 총체적이고 체계적으로 발견하기 위한 광범위한 연구가 필요하다고 판단하였고 대표적인 만성염증성 질환인 류마티스 관절염 동물모델을 활용하여 본 연구를 수행하였다.

연구팀은 학계최초로 염증의 회복과 자연치유에 주안점을 두고 시간 경과에 따른 유전체(전사체, transcriptome) 발현의 변화를 체계적으로 분석하였고 염증성 질환(관절염)의 자연치유를 책임지는 단백질-단백질 상호작용 네트워크를 구축하였다. 또한 생쥐와 사람의 세포나 조직을 이용한 다양한 실험을 통해 이전에 알려지지 않은 단백질인 인테그린, 알피에스-3, 이와츠가 회복 네트워크를 지배하고 관절염의 자연치유를 책임지는 결정적인 후보물질임을 증명하였다.

만성 염증성 질환의 상태를 평가하기 위한 다양한 방법이 제시되고 있으나 아직까지 환자의 재발과 회복에 대한 정확한 예측이 어려워 이에 대한 보완이 필요하다. 이들 질환의 치료에 있어서도 다양한 면역 조절제가 사용되고 있으나 질병을 완치시키지 못하고 면역기능저하와 관련된 다양한 부작용이 생기고 있으므로 건강한 면역체계에는 손상을 주지 않고 병든 면역염증반응만을 선택적으로 억제하는 치료제의 개발이 필요하다.

본 연구는 관절염이 인체 내에서 어떻게 스스로의 힘으로 자연 치유될 수 있는지? 보여주는 최초의 연구이다. 그 동안의 산발적인 연구의 한계를 뛰어넘어 시간에 따른 유전체 발현의 변화를 총체적, 포괄적, 체계적으로 조사/분석하였고 이를 통해 광범위하고 다양한 ‘염증회복’유전자들의 변화를 찾아내었다. 본 연구를 통해 도출된 광범위한 데이터는 류마티스 관절염을 포함한 다양한 종류의 관절염에 적용되어 악화와 회복을 주도하는 핵심인자발굴을 위한 플랫폼을 제공할 것이다. 뿐 아니라 이 자료들은 다른 연구자들에게 활용되어 관절염을 넘어서서 여러 염증성 질환-장염, 폐렴, 간염 등-의 발병기전을 연구하고 치료표적을 선별하기 위한 기초자료가 될 것이다.

 

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

생쥐의 관절조직을 얻어 유전체를 분석하는 연구를 수행하는데 가장 어려움이 많았다. 생쥐의 관절이 이쑤시개 굵기보다 작아 충분한 양의 활막조직을 얻기가 쉽지 않았기 때문이다. 수 십 차례 시행착오 끝에 현미경을 도입하여 미세수술과 비슷한 방법으로 원하는 양의 관절조직을 얻을 수 있었고 그 결과 RNA 서열분석(sequencing)에 필요한 충분한 양질의 RNA가 분리되었을 때의 기쁨은 무엇으로 표현하기 어려웠다. 고진감래라는 속담의 의미를 깨닫게 하는 순간이었다.

류마티스 관절염 환자의 혈액과 소변을 6개월 간격을 두고 연속적으로 수집하는 데에도 어려움이 있었다. 환자의 동의를 얻기가 쉽지 않았고 65명의 환자샘플을 모두 수집하는데 3년이라는 긴 세월이 걸렸다. 의학연구를 위해 기꺼이 시료를 제공하여 주신 환자분들께 이 자리를 빌려 깊은 감사의 말씀을 올린다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이번 결과를 활용하여 관절염 환자의 재발과 회복에 대해 정확히 예측 가능한 바이오마커 평가 시스템을 구축하고 부작용을 최소화할 수 있는 새로운 치료제를 개발하여 관절염이 완전관해 되는 날이 오기를 기대해 본다.

이번 연구를 통해 동물 및 사람 시스템 모두에서 관절염의 회복상태를 가장 잘 반영하는 이와츠 (Ywhaz)를 향후 류마티스 관절염의 질병완화를 예측하기 위한 분자 마커 및 치료표적으로 활용할 수 있는 실마리를 보여주었다. 이와츠 단백질은 관절염이 심할 때 우리 몸(관절)을 보호하기 위해 분비되고 생체리듬에 따라 만들어지므로 부작용이 적은 우수한 치료표적으로 신약개발에 응용될 수 있을 것으로 기대 된다.