1mm 크기 예쁜 꼬마선충에서 노화 늦추는 단백질 발굴-수명연장에 관여하는 에너지센서(AMPK) 자극하는 단백질(VRK1)규명

1mm 크기 예쁜 꼬마선충에서 노화 늦추는 단백질 발굴-수명연장에 관여하는 에너지센서(AMPK) 자극하는 단백질(VRK1)규명

 

등록일 2020.07.02.

 

1mm 크기 예쁜꼬마선충에서 노화 늦추는 단백질 발굴
수명연장에 관여하는 에너지센서(AMPK) 자극하는 단백질(VRK1)규명 예쁜꼬마선충 모델에서 VRK1에 의한 노화지연 및 대사이상 완화

□ 손톱보다 작은 벌레에서 노화를 늦출 수 있는 힌트를 얻어냈다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이승재 교수(한국과학기술원)와 김경태 교수(포항공과대학교) 연구팀이 예쁜꼬마선충에서 세포의 에너지 센서(AMPK 효소)를 활성화함으로써 수명연장을 돕는 새로운 장수유도 단백질 VRK-1의 기전을 규명해냈다고 밝혔다.
※ 예쁜꼬마선충 : 토양에 서식하는 1mm 크기의 선충. 20여년전 유전정보가 해독되어 2만 여 개의 유전자가 밝혀졌는데 약 40%는 사람과 유사한 것으로 알려져 있다. 1,000여개의 세포로 구성되어 있어 현미경을 통한 관찰이 쉽고 수명이 3주에 불과하며 번식이 빨라 다양한 돌연변이 연구가 용이하다. 실제 이를 이용한 다양한 노화조절유전자 백 여 개가 밝혀진 바 있고 노벨상 수상으로 이어지기도 했다.

□ 우리 세포는 공복이나 운동에도 불구하고 에너지가 항상 일정한 수준으로 유지될 수 있도록, 세포의 에너지 수준을 꾸준히 모니터링하는데, 이 역할을 에너지센서인 AMPK가 맡고 있다.
○ 실제 AMPK가 생쥐나 초파리, 예쁜꼬마선충에서 나타나는 식이 제한에 의한 수명연장을 매개하는 것으로 잘 알려져 있지만 이 과정에서 AMPK를 자극하는 상위조절자는 알려져 있지 않았다.
□ 연구팀은 VRK1이 활성화될 때 예쁜꼬마선충 유전자 2만 여 개 가운데 단백질로 발현되는 패턴이 AMPK가 활성화될 때와 유사한 것을 알아냈다.

□ 이에 인산화효소인 VRK1과 대사조절을 통한 노화조절자 AMPK와의 상관관계를 살펴보았다.
○ 그 결과 VRK1이 AMPK를 직접 인산화시키며, 인산화된 AMPK가 미토콘드리아의 전자전달계 억제를 매개하여 수명연장 효과가 나타나는 것을 알아냈다.
※ 미토콘드리아 전자전달계 : 산소를 사용하여 세포 내의 에너지 ATP를 생성하는데 필수적인 과정

□ 실제 예쁜꼬마선충에서 미토콘드리아 전자전달계의 기능을 감소 시켜 수명이 늘어난 돌연변이는 VRK1를 활성화시켰으며,
○ VRK1에 의한 자극에 반응하지 않는 AMPK 돌연변이 예쁜꼬마 선충에서는 이러한 수명연장 효과가 나타나지 않았다.

□ AMPK의 장수조절 효과를 유도하는 상위인자로, 여러 종에 걸쳐 잘 보존된 VRK-1의 역할을 새로이 규명한 이번 연구결과로,
○ AMPK 이상으로 인한 대사질환 및 항노화에 대한 약물발굴 표적으로 VRK-1이 추가될 수 있을 것으로 기대된다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구지원사업, 중견연구지원사업 및 선도연구센터사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 7월 2일 게재될 예정이다.

주요내용 설명
<작성 : KAIST 생명과학과 이승재 교수>

키워드
life span, AMPK(AMP-activated protein kinase, 세포내 에너지 센서 역할을 하는 인산화효소), VRK1(단백질 인산화효소), round worm C. elegans(예쁜꼬마선충), mitochondria
논문명
VRK-1 extends life span by activation of AMPK via phosphorylation
저널명
Science Advances
저 자
이승재 교수(교신저자/한국과학기술원), 김경태 교수(공동 교신 저자/포항공과대학교), 박상순 석박사통합과정 (제1저자/포항공과대학교, 한국과학기술원 파견), 무랏 알탄(Murat Artan) 박사후연구원 (공동 1저자/IST, 오스트리아), 한승현 석박사통합과정 (공동 1저자/포항공과대학교)

1. 연구의 필요성
○ AMPK 효소는 세포 내 에너지 수준이 낮아질 때 활성화되는데, 활성화되었을 때 세포 내 대사를 조절하거나 유전자 발현을 조절하는 등의 작용을 통해 세포의 항상성을 유지하는 기능을 하는 인자이다.
○ 다양한 모델생물에서 AMPK 활성 촉진을 통한 장수 유도가 보고된 것을 볼 때 AMPK 활성의 중요성을 유추할 수 있다. AMPK를 직접적으로 활성화할 수 있는 상위 인자들이 연구되었지만, 장수에 관련된 상위 활성화 인자에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다.

2. 연구내용
○ VRK-1 인산화 효소의 수명 조절 역할과 그 기전을 알아보기 위해 예쁜꼬마선충을 모델동물로 이용하였다. 예쁜꼬마선충은 수명이 3주에 불과해 장수 조절 연구에 적합하며, 인간의 VRK-1과 AMPK 효소들이 예쁜꼬마선충에서도 잘 보존되어 있어 VRK-1과 AMPK의 기능과 작용 기전을 이해하기에 적합하기 때문이다.
○ 예쁜꼬마선충에서 VRK-1은 세포의 핵 내부에 존재하고 있었으며, VRK-1을 과발현한 경우 수명이 증가하였고, VRK-1의 발현을 억제한 경우 수명이 감소하는 것을 발견하였다. 이는 VRK-1의 기능이 장수를 유도한다는 것을 의미한다.
○ VRK-1이 장수를 조절하는 기전을 밝히기 위해, 연구팀은 VRK-1이 조절하는 전사체를 분석하였다. VRK-1이 조절하는 전사체 중 상당 부분이 AMPK가 조절하는 전사체와 동일하다는 것을 발견하였다.
○ 이 과정에서 AMPK 돌연변이가 VRK-1 과발현에 의한 수명 증가 효과를 상쇄하는 것을 통해, VRK-1이 장수를 유도하기 위해서는 AMPK가 필수적임을 보였다.
○ 사람의 세포주를 이용한 연구에서도 VRK-1이 AMPK를 직접적으로 인산화함으로써 활성화시킨다는 것을 규명하였다. 예쁜꼬마선충의 VRK-1 또한 AMPK를 인산화하였다. 이는 VRK-1이 AMPK를 인산화함으로써 AMPK의 활성화를 유도하는 것이 여러 종에 걸쳐 잘 보존되어 있음을 의미한다.

3. 연구성과/기대효과
○ VRK-1 인산화 효소가 장수를 유도하는 인자라는 것을 처음으로 밝혀 새로운 장수 유도 인자를 제시했다는 점에서 의의가 있다. VRK-1은 예쁜꼬마선충뿐 아니라 인간에게도 잘 보존되어있기 때문에, VRK-1의 기능을 조절하여 인간의 노화와 장수를 이해하고 조절하는 기전을 밝히는데 기여할 것으로 기대된다.
○ AMPK는 세포 내 다양한 과정에 관여하고, 세포의 항상성 유지를 돕는 만큼 그 기능 이상은 다양한 질환과 노화와 깊은 관련이 있다. 따라서 AMPK의 활성을 조절하기 위한 약물 등 다양한 방법이 연구 및 시도되고 있다. 본 연구는 VRK-1이 AMPK를 직접 인산화한다는 점을 밝혀, AMPK 활성을 조절하는 새로운 인자로서 VRK-1을 발굴했다는 점이 중요하다. VRK-1 기능 조절을 통한 AMPK 활성화 조절 방법이 새로운 AMPK 기능 조절 방법으로써 이를 통해 노화 및 다양한 질환의 치료에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

그림 설명

(그림1) 예쁜꼬마선충에서 VRK-1 단백질의 발현패턴 확인
예쁜꼬마선충에서 초록색 형광(GFP)으로 표지된 VRK-1 단백질(가운데). 파란색 형광(DAPI)은 세포의 핵을 표지(오른쪽)한 것으로 VRK-1 단백질은 예쁜 꼬마 선충의 다양한 조직에서 발현된다.
출처 : 한국과학기술원 이승재 교수

(그림2) VRK-1은 예쁜꼬마선충의 핵 내부에 존재한다.
예쁜꼬마선충의 VRK-1을 초록 형광 단백질 (GFP)로 표지하여 장 세포 내 위치를 나타내었다. 장 세포의 VRK-1은 DNA 염색 (DAPI 염색)을 통해 나타내어진 핵과 동일한 위치에서 나타나는 것으로 보아 핵 내부에 존재하고 있음을 알 수 있다.
출처 : 한국과학기술원 이승재 교수

(그림3) VRK-1-AMPK를 통한 수명 연장 모델.
예쁜꼬마선충과 인간 세포에서 세포 내 에너지 결핍과 같은 장수 유도 신호에 의해 VRK-1이 활성화되면 AMPK를 인산화하여 수명을 연장시킨다.
출처 : 한국과학기술원 이승재 교수