국내 외 연구실 소개
Laboratory of Mitochondria and Metabolic Diseases
이희영 (가천대학교 의학전문대학원 분자의학과, 암당뇨연구원)
[연구실 소개]
본 연구실은 2013년 9월 가천대학교 의학전문대학원 기초의학부 암당뇨연구원에 시작한 신생 연구실로서, 유전자변형 동물 모델들을 이용하여 인슐린 저항증, 비만의 발병원인을 규명하고, 이에 대한 과학적 이해와 새로운 진단/예방/치료법 개발을 목표로 노력하고 있다. 기관내의 마우스대사질환특화센터(KMMPC) 및 ‘보건복지부지정 대사성질환 약리효능 평가센터(NECMD)’와의 연계를 통해 다양한 대사질환 연구에 참여하고 있으며, 특히 미토콘드리아를 중심으로 ‘에너지대사학’ 및 생리학적 측면에서 대사질환의 병인을 이해하고자 한다.
[소속기관]
가천 암당뇨연구원은 인천 연수구 송도 테크노파크 내에 2007년에 설립되었으며, 암당뇨병을 포함한 대사성질환들에 관심을 가진 각 분야의 전문 연구자가 모여있어서 기초연구부터, 중개연구, 임상연구를 한 곳에서 효율적으로 수행할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 무엇보다도 아시아 최초의 ‘마우스대사질환특화센터 (Korea Mouse Metabolic Phenotyping Center, KMMPC, 센터장: 최철수 교수, MD, PhD)와 국내 최대 규모의 마우스 시설, 첨단연구장비들 및 우수한 연구진을 보유하고 있으며, 최근엔 연구중심병원으로 선정된 가천길병원과의 협력, 지원을 통해 대사성질환 연구에 있어서 국내 어느 대학, 연구소보다 훌륭한 인프라를 갖추고 있다. 또한, 최적의 연구 환경 속에서 작업할 할 수 있도록 연구자가 직접 설계한 맞춤형 연구실로 구축했으며, 오픈랩 환경을 바탕으로 필요한 장비를 여러 연구실이 공동으로 사용하며 효율적인 연구의 진행과 연구자간의 교류를 활발히 유도하는 장점을 가지고 있다.
[연구배경]
지속적인 연구비 투자와 연구기법의 발전에도 불구하고, 전 세계적으로 지난 수십 년간 비만, 당뇨병 등을 포함한 심혈관질환, 지방간, 위장관질환, 뇌질환 등의 대사성질환들의 유병률이 지속적으로 증가하고 있다. 그 이유로서는, 1) 노령화, 운동부족, 과영양식단 등의 환경적 인자와 특정 유전자에 의한 질병 감수성 차이로 설명되는 유전적 인자가 복합적으로 얽혀있기 때문에 주 원인인자를 찾아내는 것이 쉽지 않기 때문이다. 또한, 2) 대사질환의 특성상 지방이나 근육조직에서 일어난 일차 원인이 다른 조직들(간, 심장, 뇌)의 대사기전을 조절하여 질환을 일으킬 수 있는데, 기존의 연구들에선 여러가지의 조직들이 생체 내에서 복합적으로 상호작용하는 것을 고려한 연구의 비중이 상대적으로 적었기 때문으로 생각된다.
예를 들면, 급격한 지방분해(lipolysis)를 통한 체중 감소효과는 전신에서 인슐린 저항성을 일으킬 수 있으며 (1), 지방분해능을 가진 장내미생물(probiotics)의 비만 및 지방간증에 대한 방어 효과도 지방분해능과 함께 지방산화 (b-oxidation)를 증가시켰기 때문에 가능했음을 확인한 연구 (2) 를 들 수 있다. Apolipoprotein CIII (3), ATGL (4), TXNIP (5) 유전자변형마우스 등을 이용하여 근육, 혈액, 간에서 각기 다른 지질대사 조절 기전이 지방간, 비만 및 인슐린저항성의 복합적인 상관관계를 나타냄을 확인한 연구들도 예를 들 수 있다. 또한, 미토콘드리아 (mitochondria)의 경우에도 근육에서만 그 기능을 증가시키거나 감소시켰음에도 불구하고 생체내에서 인슐린저항성의 병인에 상이한 결과를 나타낼 수 있다 (6-9).
따라서 본 연구실은 대사질환관련 기존 연구의 한계점을 극복하기 위해서, 우선적으로 1) 생체 내에서 대사체의 실시간 정량 분석 방법, 2) 각 조직간의 내분비, 생리학적 연계를 고려한 장기 특이적인 분석 및 해석 방법들을 구축하고 3) 유전자변형마우스를 이용한 기전 연구를 수행하고자 한다. 궁극적으로는 인슐린저항증 및 비만의 발병원인을 규명하여, 대사성 질환들에 대한 새로운 진단/예방/치료법 개발을 목표로 한다.
[연구내용]
1. 인슐린 저항성(insulin resistance) 평가 방법의 구축
제2형 당뇨병뿐만 아니라 대사증후군 발생의 핵심인자로 생각되고 있는 인슐린 저항성은 생리적 인슐린 농도에서 인슐린의 작용(인슐린 감수성: Insulin sensitivity)이 저하된 대사 상태로 정의할 수 있다. 많은 인슐린 작용 중 당질 및 지질대사에 대한 작용이 감소된 상태가 대사성 질환의 발병과 깊은 연관성을 나타내어 이를 일반적으로 인슐린 저항성이라 정의한다. 공복상태에서 체내 포도당의 약 50%는 뇌에서 이용되는데, 이를 위해 혈당은 주로 간에 저장된 당원(Glycogen)이 분해(Glycogenolysis)되거나 포도당신생 (Gluconeogenesis)과정에 의해 생성된 포도당(Hepatic glucose production, HGP)에 의해 유지된다.
그림 1. 간, 근육, 지방조직에서 인슐린에 의한 포도당 대사조절 모식도
한편 음식물을 섭취하면 인슐린은 간에서 포도당 생성을 억제하고 근육을 포함한 말초조직으로 포도당 흡수를 촉진하여 혈중 포도당 농도를 낮추고, 이 때 간과 근육으로 흡수된 포도당의 대부분은 당원으로 저장되거나 해당작용(Glycolysis)을 거쳐 대사된다 (그림 1).
인슐린 저항성의 원인으로서 다양한 인자들이 제시되고 있으나 (그림 2), 인슐린 저항성과의 연관성을 확인하기 위해서는 생리학적 농도의 인슐린에 대해 간에서 포도당 생성 속도의 억제 및 근육을 포함한 말초조직으로 포도당 흡수속도 증가를 생체에서 정량적으로 측정하는 것이 가장 직접적인 방법 (그림 1)이다. 인슐린에 대한 감수성 조직으로는 근육, 간 및 지방조직이 있으며, 인슐린 작용에 의한 포도당 대사는 정량적인 면에서 주로 근육>간 순으로 일어나며, 지방에서는 지방분해(lipolysis)의 조절 및 adipokines 등을 통한 전신의 당지질 대사를 조절할 수 있기 때문에 중요하다.
인슐린 저항성을 가장 정확하게 실시간/정량적으로 측정하는 방법으로는 Hyperinsulinemic- euglycemic clamp가 있으며, 동위원소 (isotope tracer)를 병행 사용하여 조직 특이적인 당대사 속도를 측정할 수 있다 (1, 3, 5-7, 10-14).
그림 2. 근육에서 인슐린 저항증의 원인 인자들 (http://www.nature.com/nm/e-poster/images/Muscle-Cellular-Disease.jpg)
( Lee, H.Y. and Shulman, G.I., 2011, Metabolic syndrome ePoster, Nature Medicine, Vol17, No. 7 )
2. 미토콘드리아의 대사조절기전 규명을 통한 대사성 질환 치료타켓 발굴
또한, 근육에서 PGC-1α (6), Calcium/calmodulin kinase IV 등 미토콘드리아의 기능 및 조직 내 보유량의 변화를 보이는 유전자 변형 동물모델들을 이용하여 mitochondrial 의 기능이상과 당.지질대사/대사질환의 연관성에 대한 연구를 수행해 왔다. 특히 노화에 따라 발생하는 미토콘드리아의 기능이상이 노화성 근육의 인슐린저항증의 병인과 관련있음을 밝히고, 산화독성에 의한 미토콘드리아기능 이상을 방어하였을 때 늙은 동물에서도 어린 동물처럼 근육의 에너지 대사기능이 유지됨을 확인하였다 (7). 그러나 아직까지 미토콘드리아가 어떻게 인슐린 저항증을 조절하는지에 대한 정확한 기전은 밝혀져 있지 않으며, 특히 미토콘드리아 기능 이상의 정도 및 시기에 따라 일어나는 세포의 보상반응에 대한 질병에의 연계성 등은 미지의 영역으로 남아있다. 미토콘드리아를 통한 연구경험을 바탕으로 본 연구실에서는 미토콘드리아 특이적인 DNA 중합효소인 polymerase-γ변성에 따른 mitochondrial DNA mutation에 따른 인슐린 저항성, 근육병증 (myopathy) 등의 발병기전을 연구하고 보상성으로 일어나는 생체반응 중에 치료타겟 후보 기전을 찾아내고자 한다. 미토콘드리아 DNA중합효소 유전자변형 마우스모델에서 6개월령이 지나면서 급격히 체중이 감소하며, 18개월이 되면 모두 사망함이 알려져 있다 (정상마우스는 ~40개월). 최근 미토콘드리아의 기능감소를 유도하여 비만 등의 대사질환을 방어할 수 있다는 견해의 연구결과들이 발표되고 있으나 (ATF4 KO, ATG7KO mice 등), 지속적인 미토콘드리아의 기능감소는 결국 개체의 수명을 줄인다. 따라서, mitochondrial 손상에 동반되는 체중감소 효과는 oxidative phosphorylation을 통한 ATP생성부족에 따른 일시적인 생체의 보상반응이라고 생각된다. 종양세포에서의 대사기전과 비슷하게 (Warburg hypothesis), aerobic cellular respiration이 줄었을 때 lactate로 변환되는 glycolysis를 통해 ATP부족을 보상하는 기전도 활성화 되었을 가능성이 있다. 이 때 glycolysis에 사용되는 substrates들은 lipolysis, cori cycling등을 통해 공급되므로, 체중 감소(항비만) 효과를 일시적으로 보이는 것으로 추정된다. 생체 내에서 glucose, lactate, alanine, glycerol turnover rate및 미토콘드리아의 기능을 측정함(7, 9)으로서 일련의 과정들을 증명할 수 있다. 이러한 연구는 호기성 ATP생성이 제한된 상황에서 생체의 생존 기전 등을 밝히고, 치료타켓으로 응용할 수 있는 조절인자들을 발굴하는데 중요하다.
또한, 본 연구실은 인슐린 저항증 및 대사질환에 대해 미토콘드리아를 중심으로 에너지대사(energetics)측면에서 연구를 진행하고 있으며, 활성산소종에 따른 미토콘드리아의 대사조절 기전, 종양대사에서의 미토콘드리아의 역활, 미토콘드리아로 유입된 세포내 단백질들의 세포호흡조절 기능, 그리고 이로 인한 당·지질대사 경로의 변화가 대사성질환의 발병에 미치는 영향 등 세포에너지대사 전반에 걸친 연구를 세포소기관부터 동물까지 다양한 모델들과 정량적 실험기법들을 이용해 병행하고 있다. 이러한 연구들이 우수논문 발표를 통해 국제적인 경쟁력을 갖춘 전문연구인력을 양성하고 대사성질환 극복을 위한 기저가 되기를 기원한다.
[연구책임자]
성명 : 이희영
주소 : 인천광역시 연수구 송도동 가천대학교 의학전문대학원 분자의학과
전화 : 031-899-6586
팩스 : 031-899-6219
E-mail : hylee@gachon.ac.kr, hui-young.lee@yale.edu
[연구진 구성]
교수 : 이희영
석사후연구원 : 장만영
석·박사과정: 수시모집
[대표논문]
1.Jaworski, K., Ahmadian, M., Duncan, R.E., Sarkadi-Nagy, E., Varady, K.A., Hellerstein, M.K., Lee, H.Y., Samuel, V.T., Shulman, G.I., Kim, K.H., de Val, S., Kang, C., and Sul, H.S. (2009) AdPLA ablation increases lipolysis and prevents obesity induced by high-fat feeding or leptin deficiency. Nat Med 15:159-168.
2.Lee, H.Y., Park, J.H., Seok, S.H., Baek, M.W., Kim, D.J., Lee, K.E., Paek, K.S., Lee, Y., and Park, J.H. (2006) Human originated bacteria, Lactobacillus rhamnosus PL60, produce conjugated linoleic acid and show anti-obesity effects in diet-induced obese mice. Biochim Biophys Acta 1761:736-744.
3.Lee, H.Y., Birkenfeld, A.L., Jornayvaz, F.R., Jurczak, M.J., Kanda, S., Popov, V., Frederick, D.W., Zhang, D., Guigni, B., Bharadwaj, K.G., Choi, C.S., Goldberg, I.J., Park, J.H., Petersen, K.F., Samuel, V.T., and Shulman, G.I. (2011) Apolipoprotein CIII overexpressing mice are predisposed to diet-induced hepatic steatosis and hepatic insulin resistance. Hepatology 54:1650-1660.
4.Ahmadian, M., Abbott, M.J., Tang, T., Hudak, C.S., Kim, Y., Bruss, M., Hellerstein, M.K., Lee, H.Y., Samuel, V.T., Shulman, G.I., Wang, Y., Duncan, R.E., Kang, C., and Sul, H.S. (2011) Desnutrin/ATGL is regulated by AMPK and is required for a brown adipose phenotype. Cell Metab 13:739-748.
5.Chutkow, W.A., Birkenfeld, A.L., Brown, J.D., Lee, H.Y., Frederick, D.W., Yoshioka, J., Patwari, P., Kursawe, R., Cushman, S.W., Plutzky, J., Shulman, G.I., Samuel, V.T., and Lee, R.T. (2010) Deletion of the {alpha}-Arrestin Protein Txnip in Mice Promotes Adiposity and Adipogenesis While Preserving Insulin Sensitivity. Diabetes 59:1424-1434.
6.Choi, C.S., Befroy, D.E., Codella, R., Kim, S., Reznick, R.M., Hwang, Y.J., Liu, Z.X., Lee, H.Y., Distefano, A., Samuel, V.T., Zhang, D., Cline, G.W., Handschin, C., Lin, J., Petersen, K.F., Spiegelman, B.M., and Shulman, G.I. (2008) Paradoxical effects of increased ｅxpression of PGC-1alpha on muscle mitochondrial function and insulin-stimulated muscle glucose metabolism. Proc Natl Acad Sci U S A 105:19926-19931.
7.Lee, H.Y., Choi, C.S., Birkenfeld, A.L., Alves, T.C., Jornayvaz, F.R., Jurczak, M.J., Zhang, D., Woo, D.K., Shadel, G.S., Ladiges, W., Rabinovitch, P.S., Santos, J.H., Petersen, K.F., Samuel, V.T., and Shulman, G.I. (2010) Targeted ｅxpression of catalase to mitochondria prevents age-associated reductions in mitochondrial function and insulin resistance. Cell Metab 12:668-674.
8.Birkenfeld, A.L., Lee, H.Y., Guebre-Egziabher, F., Alves, T.C., Jurczak, M.J., Jornayvaz, F.R., Zhang, D., Hsiao, J.J., Martin-Montalvo, A., Fischer-Rosinsky, A., Spranger, J., Pfeiffer, A.F., Jordan, J., Fromm, M.F., Konig, J., Lieske, S., Carmean, C.M., Frederick, D.W., Weismann, D., Knauf, F., Irusta, P.M., De Cabo, R., Helfand, S.L., Samuel, V.T., and Shulman, G.I. (2011) Deletion of the mammalian INDY homolog mimics aspects of dietary restriction and protects against adiposity and insulin resistance in mice. Cell Metab 14:184-195.
9.Perry, R.J., Kim, T., Zhang, X.M., Lee, H.Y., Pesta, D., Popov, V.B., Zhang, D., Rahimi, Y., Jurczak, M.J., Cline, G.W., Spiegel, D.A., and Shulman, G.I. (2013) Reversal of hypertriglyceridemia, fatty liver disease, and insulin resistance by a liver-targeted mitochondrial uncoupler. Cell Metab 18:740-748.
10.Brown, W.H., Gillum, M.P., Lee, H.Y., Camporez, J.P., Zhang, X.M., Jeong, J.K., Alves, T.C., Erion, D.M., Guigni, B.A., Kahn, M., Samuel, V.T., Cravatt, B.F., Diano, S., and Shulman, G.I. (2012) Fatty acid amide hydrolase ablation promotes ectopic lipid storage and insulin resistance due to centrally mediated hypothyroidism. Proc Natl Acad Sci U S A 109:14966-14971.
11.Lin, H.V., Ren, H., Samuel, V.T., Lee, H.Y., Lu, T.Y., Shulman, G.I., and Accili, D. (2011) Diabetes in Mice With Selective Impairment of Insulin Action in Glut4-Expressing Tissues. Diabetes.
12.Jurczak, M.J., Lee, H.Y., Birkenfeld, A.L., Jornayvaz, F.R., Frederick, D.W., Pongratz, R.L., Zhao, X., Moeckel, G.W., Samuel, V.T., Whaley, J.M., Shulman, G.I., and Kibbey, R.G. (2011) SGLT2 deletion improves glucose homeostasis and preserves pancreatic beta-cell function. Diabetes 60:890-898.
13.Jornayvaz, F.R., Birkenfeld, A.L., Jurczak, M.J., Kanda, S., Guigni, B.A., Jiang, D.C., Zhang, D., Lee, H.Y., Samuel, V.T., and Shulman, G.I. (2011) Hepatic insulin resistance in mice with hepatic overｅxpression of diacylglycerol acyltransferase 2. Proc Natl Acad Sci U S A 108:5748-5752.
14.Camporez, J.P., Jornayvaz, F.R., Lee, H.Y., Kanda, S., Guigni, B.A., Kahn, M., Samuel, V.T., Carvalho, C.R., Petersen, K.F., Jurczak, M.J., and Shulman, G.I. (2013) Cellular mechanism by which estradiol protects female ovariectomized mice from high-fat diet-induced hepatic and muscle insulin resistance. Endocrinology 154:1021-1028.
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