특발성 폐섬유화 질환을 유발하는 분자기전 규명-종양억제자로 잘 알려진 PDCD5의 폐섬유화 유발 역할 규명

특발성 폐섬유화 질환을 유발하는 분자기전 규명-종양억제자로 잘 알려진 PDCD5의 폐섬유화 유발 역할 규명

 

등록일2021.05.31.

 

 

 

 

특발성 폐섬유화 질환을 유발하는 분자기전 규명

종양억제자로 잘 알려진 PDCD5의 폐섬유화 유발 역할 규명 

폐섬유화 진단마커 및 치료표적으로서 PDCD5 제시 

 

 

 

□ 폐섬유화증 치료를 위한 새로운 표적 단백질이 제시되었다. 특발성 폐섬유화증은 폐조직의 섬유화가 만성적으로 진행되는 질환으로, 경과가 좋지 않고 치료법이 존재하지 않는 난치질환이다. 

 ○ 일반적으로 호르몬 약물과 면역억제제 처방을 병행하지만 부작용과 재발로 인해 치료가 쉽지 않아, 근본적인 치료법 개발이 필요한 실정이었다. 

 

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 윤호근, 손명현 교수(연세대 의과대학) 연구팀이 특발성 폐섬유화증 환자의 클럽세포※ 에서 세포사멸 유도 단백질 5(이하 PDCD5)이 많아지면 섬유화 유발 단백질들이 과다분비되는 것을 알아냈다고 밝혔다.

 ○ 연구팀은 이 단백질이 폐섬유화증 진단을 위한 바이오마커가 될 수 있고, 이 단백질을 억제하는 방식의 새로운 치료제 개발연구의 단초가 될 것으로 기대하고 있다. 

  ※ 클럽세포 : 폐의 세기관지 내 상피세포의 한 종류로서 폐손상에 오면 CCSP(club cell secretory protein) 같은 단백질을 분비하여 폐를 보호하는 역할을 하는 등 여러 역할이 알려져 있으나 폐섬유화에서는 거의 알려져 있지 않음.

  ※ 세포사멸 유도 단백질 5(PDCD5, Programed cell death 5) : DNA 손상에 의해 증가해 암세포 사멸에 관여한다고 알려진 단백질, 정확한 기전은 불분명한 상태였음.

 

□ 연구팀은 클럽세포에서 PDCD5가 많아지면 섬유화 유발 분비인자(Matricellular protein)가 세포외기질로 많이 분비되고, 이것이 섬유아세포를 자극하여 폐조직이 딱딱하게 굳는 섬유화가 진행되는 것을 알아냈다. 

 ○ 섬유화 과정은 콜라겐 같은 세포외기질(extracellular matrix, ECM)이 조직에 과다하게 축적, 정상구조를 파괴하면서 진행된다. 클럽세포에서 PDCD5가 과다해질 경우 섬유화 유발 분비인자를 조절하는 상위인자인 TGFβ에 의한 정상적인 신호를 왜곡해 세포외기질이 과다하게 축적되는 일련의 과정을 밝혀냈다.

 

□ 실제 클럽세포에서 PDCD5 단백질이 생성되지 않도록 만든 유전자 결손생쥐모델에 섬유화를 유도하는 화합물(bleomycin)을 주입했을 때 PDCD5 유전자를 가진 생쥐에 비해 폐섬유화가 덜했고 생존률도 높았다.  

 ○ 하지만 대조군으로 다른 폐포상피세포(AT2)에서 PDCD5를 없앤 경우 에는 이같은 효과가 나타나지 않음을 통해 클럽세포에서의 PDCD5가 폐섬유화에 결정적임을 확인하였다. 

 

□ 클럽세포와 폐섬유화와의 연관성을 처음 규명하고 PDCD5의 역할을 제시함으로써, 폐섬유화증 치료연구에 기여할 것으로 기대된다. 

 ○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 지원 사업 및 중견연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature communications)에 5월 19일 게재(온라인판)되었다. 

 

 

 

 

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 연세대학교 윤호근 교수>

 

논문명

Club cell-specific role of programmed cell death 5 in pulmonary fibrosis

저널명 

Nature communications

키워드 

폐섬유화 (Pulmonary fibrosis), PDCD5 (Programmed cell death 5), 클럽세포 (Club cell), 모세포단백질 (Matricellular protein)

DOI

10.1038/s41467-021-23277-8 

저  자

윤호근 교수(교신저자, 연세대), 손명현 교수(교신저자, 연세대), 박수연 교수(제1저자, 연세대), 홍정연 박사(제1저자, 연세대/질병관리청), 이수연 박사(공동저자, 연세대), 이승현 교수 (공동저자, 연세대), 김미정 교수(공동저자, 연세대), 김수연 교수(공동저자, 연세대), 김경원 교수(공동저자, 연세대), 심효섭 교수(공동저자, 연세대), 박무석 교수(공동저자, 연세대), 이춘근 교수(공동저자, 브라운의대/한양대), 잭 엘리아스 교수(브라운의대) 

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 대부분의 장기는 조직 손상 후 염증 및 치유 과정을 거치는데, 지속적인 손상이나 복구가 불가능한 경우 조직이 섬유화를 일으키게 된다. 폐에서 대표적으로 섬유화를 일으키는 질병은 특발성 폐섬유화증(Idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)으로 주로 50-70세에 발병해 5년 후 생존률이 20-30% 수준으로 아주 예후가 나쁜 것으로 알려져 있다. 현재까지 이 질병의 원인은 불분명하며 폐 이식 이외에는 확실한 치료방법이 없어 신규 치료법의 개발 필요성이 매우 절실한 상황이다.

 ○ PDCD5(Programmed cell death 5)는 p53을 활성화하여 세포사멸을 일으키는 단백질로서 종양억제자로 알려져 있으며, 다양한 단백질과 결합하여 세포신호전달에 관여함으로써 염증 및 세포주기, 면역 등에 관여한다고 알려져 있으나 현재까지 섬유화에서는 그 기능이 알려진 바 없다.

 ○ 연구팀은 특발성 폐섬유화 환자와 생쥐모델에서 폐섬유화 유도시 PDCD5의 발현이 증가되어 있음을 발견하였다. 폐섬유화에서의 PDCD5의 기능을 규명하기 위하여 폐상피세포 특이적 유전자 결손생쥐(Knock-out mice)를 제작하고 동물모델에서 그 기전을 밝혔다.

2. 연구내용

 ○ 특발성폐섬유화증 환자 및 폐섬유화 생쥐모델에서 PDCD5의 발현량이 증가한 것과 특별히 세기관지 상피세포 중 하나인 클럽세포와 폐포내 입방 상피 세포(Alveolar type II, AT2)에서 증가되어 있음을 발견하였다.

     ※클럽세포(Club Cell) : 폐의 상피세포 중 하나로 주로 세기관지에 분포함. 분비 단백질을 발현하여 유해한 산물들로부터 폐를 보호하고, 전구체 세포로서의 역할을 한다고 알려져 있음. 그러나 폐섬유화에서의 기능은 잘 알려져 있지 않음.

 ○ 폐섬유화에서 PDCD5의 기능을 조사하기 위하여, 섬유화 유발시 PDCD5의 발현이 증가된 것으로 관찰된 클럽세포와 AT2 세포 특이적 Pdcd5 유전자 결핍 생쥐를 제작하고 섬유화를 유발하였다. 

 ○ 흥미롭게도 Pdcd5의 유전자가 클럽세포에서 결핍된 생쥐에서만 섬유화가 감소한 것을 발견하여 클럽세포에서의 PDCD5의 기능이 섬유화 유발과 연관성이 있음을 확인하였다.

 ○ 섬유화에서 핵심적인 TGF-β 신호는 Smad와 β-cateinin을 통하여 타겟 유전자를 조절한다고 알려져 있는데, PDCD5는 TGF-β에 의한 p38/MAPK 신호전달을 받아 빠르게 인산화 및 안정화되고, 핵 내로 이동하여 Smad3 및 β-cateinin과 단백질 복합체를 이루어 섬유화 유발 분비인자들의 유전자 전사를 활성화하는 것을 밝혔다. 

 ○ 폐섬유화 유발 시 클럽세포에서 증가된 클럽세포 내 PDCD5가 섬유화를 유도하는 Matricellular 유전자들의 발현과 분비를 증가시킴으로 섬유화를 주도하는 섬유아세포의 활성화를 유도하는 기전을 명확히 규명함으로써, 향후 PDCD5의 선택적 저해를 통한 폐섬유화 치료 전략의 실마리를 제시하고 있다. 

  ※ Matricellular 단백질 : ECM에 존재하는 비구조 단백질로 안정한 구조적 요소로서 기능하기보다는 조절자로서의 기능을 수행한다.

 

3. 연구성과/기대효과

 ○ PDCD5가 특정 유전자를 조절하여 폐섬유화를 유도하는 분자 기전을 밝힘으로써 폐섬유화의 원인 규명과 치료전략 개발을 위한 실마리를 제시하였다.

 ○ 폐섬유화 유발 시 PDCD5의 임상학적 중요성과 클럽세포 내 섬유화 유발 기전을 명확하게 규명함으로써 폐섬유화 치료를 위한 분자표적을 발굴하였다.

 

그림 설명

 

 

 

 

(그림 1) 특발성 폐섬유화 환자 및 폐섬유화 유도 생쥐모델에서 PDCD5의 증가

특발성 폐섬유화 환자(a, b), 블레오마이신을 기관지내 주입한 폐섬유화 생쥐 모델(c), TGF-β1 과발현 폐섬유화 생쥐 (d)의 폐 조직에서 PDCD5 단백질량 증가함을 면역조직화학염색 (Immunohistochemistry)으로 확인함. 

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 윤호근 교수

 

 

 

 

 

(그림 2) 클럽세포 특이적 Pdcd5 유전자 결손시 폐섬유화에 미치는 영향

클럽세포 특이적 Pdcd5 유전자 결손 시 bleomycin에 의한 폐섬유화 유도가 억제됨을 관찰하였지만 (a, b), AT2 세포 특이적 Pdcd5 유전자 결손 시 폐섬유화 유도가 억제되지 않았음 (c). TGF-β1 과발현 폐섬유화 유도 생쥐 모델 (d)에서도 동일한 결과를 확인하였으며 (e-f) 생존율 분석결과에서도 클럽세포 특이적 Pdcd5 유전자 결손 시 폐섬유화 유도에 의한 생존율 증가가 확인되었다 (e-f).   

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 윤호근 교수

 

 

 

 

 

 

 

(그림 3) PDCD5가 매개하는 클럽세포내 섬유화 신호기전 모식도

섬유화의 핵심 신호인 TGF β에 의하여 클럽세포 내 과발현 되어있는 PDCD5가 p38 MAPK에 의해서 인산화 되어 빠르게 핵 내로 이동하고, 핵 내 Smad3, β-catenin 단백질과 복합체를 이루어 섬유화 유발인자인 Matricellular 유전자들의 발현을 촉진시킨다. 이렇게 발현이 증가된 Matricellular 단백질들은 세포외 기질로 분비되어 섬유아세포의 활성을 촉진시키고 세포외기질의 과도한 축적을 일으켜 섬유화를 유발한다.

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 윤호근 교수

 

연구 이야기

 

                                           <작성 : 연세대학교 윤호근 교수>

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

폐섬유화증은 유병률 자체는 낮은 편이지만 사망률이 높고 전세계적으로 꾸준히 증가추세를 보이는 질환이다. 또한 확실한 치료제의 부재로 새로운 치료법의 개발 필요성이 매우 높다. 연구팀은 PDCD5의 기전연구를 통하여 종양 및 혈관 질환에서의 기능을 밝히고 이를 논문으로 발표한 바 있다. 이러한 PDCD5의 알려지지 않은 기능을 폐섬유화 모델에서 밝히고자 하였다. 폐섬유화 생쥐모델에서의 선행연구를 통하여 PDCD5가 폐섬유화에 관여할 것이란 가설을 세우고, 특발성 폐섬유화 환자 폐조직에서 PDCD5의 발현 증가를 검증하여 본 연구를 시작하게 되었다.

 

 

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

 

본 연구는 생쥐 교배부터 논문 게재까지 총 6년이 소요되었다. 수행 초반 생쥐실험부터 새로 세팅하며 진행하여 시행착오도 많이 겪었고, 논문의 리비전만 해도 생쥐를 다시 교배하고 새로 실험하는 과정이 있어 1년 이상 걸렸다. 이 연구는 생쥐실험 뿐만 아니라 환자 데이터 제공 및 분석 등에서도 공동 주저자인 손명현 교수 연구팀과 지속적 미팅과 의견교환을 하였고, 또한 호흡기내과 박무석 교수팀과 병리학교실 심효섭 교수 팀과의 긴밀한 공동연구가 있었기에 본 연구를 성공적으로 마칠 수 있었다. 기초 연구의 실용화를 위해서는 중개연구가 필수적이다. 기초-임상연구가 함께 진행될 수 있는 기반이 폭넓게 조성되어 기존의 기초연구가 실용화로 이어질 수 있는 환경이 마련되길 바란다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

 

첫째, 폐섬유화 유발 시 폐상피세포 중 기능이 알려져 있지 않았던 클럽세포의 역할을 최초로 규명하였다. 

둘째, 특발성폐섬유화 환자 및 폐섬유화 동물모델에서 클럽세포 특이적 PDCD5의 증가를 발견하여 진단 마커로서의 가능성을 제시하였다.

셋째, 폐섬유화에서 PDCD5에 의한 섬유화 유발 분자기전을 규명하여 향후 폐섬유화 치료표적로서PDCD5를 제시하였다. 

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

PDCD5는 혈청, 기관지세척액 등 세포외액에서도 발현되는 단백질로 ELISA 등을 이용해 검출할 수 있어 진단 마커로 개발할 수 있다. 폐섬유화에서의 표적 타당성은 충분히 검증하였기 때문에 향후 이것을 표적으로 하는 항체치료제 개발의 과제를 가지고 있다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

폐섬유화, 나아가 타 장기의 섬유화 질환에 있어 신규 분자타겟을 발굴하고 기전을 규명하고 싶다. 궁극적으로는 섬유화 질환에서 발굴된 신규 후보물질을 이용한 치료제 개발이 목표이다.

 

 

 

연구자 소개

 

 

<윤호근 교수, 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 연세대학교 의과대학                  

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2005 - 2009  연세대학교 의과대학 조교수   

 ○ 2009 - 2014  연세대학교 의과대학 부교수   

 ○ 2014 - 현재  연세대학교 의과대학 교수

 

3. 전문분야 정보

 ○ 후성유전학

 ○ 암세포생물학

 

4. 연구지원 정보

 ○ 2017 ~ 2020  과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(전략과제)

 ○ 2018 ~ 현재  과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(선도연구센터)