돌연사 주범 심부전 원인 규명
심장 기능 저하로 신체에 혈액을 원활히 공급하지 못해서 생기는 질환인 심부전. 이러한 심부전 치료의 핵심으로 작용할 수 있는 심장의 정상적인 전기활동과 수축력 조절의 새로운 기전을 국내 연구진이 규명하였다.
한국연구재단은 한진, 김형규 교수(인제대학교 심혈관대사질환센터) 연구팀이 심장의 전기활동과 수축력을 조절하는 세레블론(Cereblon)* 단백질의 새로운 기능을 규명했다고 밝혔다.
* 세레블론(cereblon) : 세포 내에서 특정 단백질의 분해를 결정하여 다양한 세포기능을 조절하는 단백질로 2004년 최초 발견됨. 유전자명은 CRBN
심장질환은 암에 이어 국내 사망률 2위에 이르는 질환이며, 매년 유병률이 증가되고 장기간에 걸쳐 건강수명을 단축시키는 고위험 질환으로 알려져 있다.
심부전의 이환율과 유병률은 계속 증가하고 있지만, 여전히 정확한 발병기전과 표준 치료법이 없는 실정이다. 대부분 치료는 생존율 및 증상 개선을 위해 고지혈증, 고혈압 약물 등과 수술적 요법이 병행 사용되고 있다.
또한, 기존 연구에서는 심부전 환자의 심장 수축력이 감소되는 근원적 원인이 불분명하였으며, 특히 수축력을 조절하는 칼슘 통로*의 기능 저하 원인이 알려지지 않았다.
* 칼슘 이온 통로(L-type칼슘채널) : 심근세포 세포막에 발현되어 세포 내로 칼슘 이온이 선택적으로 들어가는 이온 통로이며, 심장의 정상적인 전기활동과 심장 수축력을 조절하는 핵심 이온 통로임. 기능 이상시에 다양한 심장질환을 유발할 수 있으며, 상대적으로 긴 활성시간의 L(ong) type 칼슘채널로 알려짐.
이에, 연구팀은 심부전 환자 심장에서 세레블론 유전자 발현이 증가 되어 있음을 확인하고 이를 바탕으로 심장에서 해당 유전자 조작 생쥐 모델을 제작, 세레블론 단백질이 심장 수축력을 조절하는 칼슘 통로를 ‘직접적으로 분해’한다는 새로운 조절 기전을 규명하였다.
이는 심부전 환자 심장 수축력 조절에 관여하는 칼슘 통로 기능 저하의 원인임을 확인하였고,
또한, 세레블론 발현이 적은 생쥐는 더 나은 심장 수축능력과 심장질환에 대한 저항성을 가진다는 질병 연관성을 최초로 밝혔다.
김형규 교수는 “현재까지 좌심실 박출률 감소 심부전(HFrEF)* 치료의 명확한 표준 체계가 없었다”라고 밝힌 한편, “이번 세레블론-칼슘통로 신호전달체계 규명이 새로운 치료제 개발에 실마리가 될 것으로 기대한다”고 전했다.
* 좌심실 박출률 감소 심부전(HFrEF) : Heart Failure with reduced Ejection Fraction, 수축기 심부전이라고도 하며 온몸으로 피를 보내주는 심장의 좌심실의 수축능력이 저하되는 심장의 기능 이상, 심장질환 환자의 주요사망원인
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 집단연구사업(기초연구실) 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 심혈관 질환 분야 국제학술지 ‘유럽 심장 저널(European Heart Journal)’에 2월 22일 온라인 게재되었다.
주요내용 설명
<작성 : 인제대학교 김형규 부교수>
논문명
Cereblon contributes to cardiac dysfunction by degrading Cav1.2alpha
저널명
European Heart Journal
키워드
Cereblon (세레블론), Cav1.2a (심장칼슘이온통로), Heart Failure (심부전), Ubiquitination (유비퀴틴화), PROTAC (프로탁)
DOI
10.1093/eurheartj/ehac072
저 자
한진 교수/김형규 교수(교신저자/인제대학교), 박남미/ 주버트 (Marquez Jubert) 박사(제1저자/인제대학교)
1. 연구의 필요성
심장질환은 암에 이어서 국내 사망률 2위 질환이며, 매년 유병률이 증가되며 장기간에 걸쳐 건강수명을 단축시키는 고위험 질환이다.
심장의 기능 저하에 이어지는 심부전은 다양한 원인에 의해서 발병되지만, 아직까지도 정확한 발병기전과 치료법이 부재하며, 대부분 고지혈증, 고혈압 치료등의 치료제가 사용되고 있다.
인제대학교 한진 교수 연구팀은 최근에 유비퀴틴-프로테아좀-단백질 분해 복합체에서 기질을 선별하는 기능이 알려진 세레블론 (cereblon) 단백질의 심장에서의 새로운 기능을 밝히고 질병과의 연관성을 규명하고자 다년간 연구를 수행하였다.
2. 연구내용
연구의 방법 및 절차
1. 심부전환자의 심장에서 세레블론 단백질을 전사하는 crbn 유전자의 증가(137%)를 확인함
2. CRBN 유전자가 전신과 심장 특이적으로 소거된 KO 마우스 모델을 제작하여 심장기능을 평가함
3. 전신 및 심장특이적 CRBN KO 마우스는 심장의 수축능력이 증가됨을 확인함
4. 심장 수축능력의 주요 조절인자인 칼슘 채널의 기능이 KO 마우스 모델에서 증가됨을 확인함
5. 세레블론이 L 타입 칼슘채널에 직접적 결합하여, 해당 채널을 분해 하는것을 확인함
6. CRBN KO 마우스는 허혈성 심부전, 독소루비신 유도 심부전 모델에서 심장 기능을 유지 시켜주며, 동물의 사망률을 낮춤
7. CRBN 을 분해하는 새로운 복합체 물질을 개발하여, 이 물질에 의한 이온채널 기능 변화를 확인함
기존 연구와의 차이점
1. 심부전환자에서 심장 수축력이 감소되는 근원적 원인이 불분명하였으며, 특히 수축력을 조절하는 칼슘이온통로의 기능 저하 원인이 알려진바 없음
2. 본 연구를 통해서 최초로 심부전 환자에서 칼슘이온통로 기능저하의 원인이 세레블론 단백질의 증가에 의한 이온통로 분해라는 사실을 밝혀냄
연구 핵심내용
- 최종적으로 세레블론에 의한 심장 기능 조절 기전과 심부전 환자에서 감소되는 수축력의 주요 원인으로 제시되는 L타입 칼슘채널의 병리적 조절 기전을 최초로 밝혀냈음
3. 연구성과/기대효과
CRBN 조절을 타깃으로 하는 혁신형 심장 치료제의 개발
새로운 심장 기능 조절 타깃을 기반으로 한 기초의과학 연구 발전에 기여
CRBN 의 조직 특이적인 새로운 타깃 발굴을 위한 기초/응용 연구 지식 확보
유효한 치료제가 없는 좌심실 박출률 감소 심부전 치료 (HFrEF)의 새로운 타깃 제시
(그림1) 세레블론과 L-형 칼슘채널의 병리학적 조절 기전과 심장 수축기능 개선 효과
세레블론은 심장의 L-형 칼슘채널 단백질 분해를 조절하는 단백질이며 이를 통해 심장 세포 내의 칼슘이온 유입과 칼슘전류를 조절하여 심장의 수축/이완 기능을 조절한다. 심부전 환자에서는 세레블론 발현이 증가되어 칼슘채널의 과도한 분해에 의한 심장 수축력이 떨어지고, 세레블론의 기능 조절은 심부전(HFrEF) 치료의 새로운 타깃으로 제시 할 수 있다.
그림설명 및 그림제공 : 인제대학교 부교수 김형규, 연구교수 박남미
연구 이야기
<작성 : 인제대학교 김형규 부교수>
연구를 시작한 계기나 배경은?
2012년 8월 한진교수님 (인제대학교 심혈관및대사질환센터장) 으로부터 늦은 저녁에 전화가 걸려왔습니다.
김형규 (김): 네, 교수님, 형규입니다.
한진(한): 김교수, 김교수, 세레블론이라고 들어봤나?
김: 네? 첨듣는데요
한: 이게 엄청신기한 단백질 같은데, 미토콘드리아 기능도 조절하고, 이온통로도 조절하고 막 그러는거 같다고 한다더라고, 아직 제대로 연구는 안되있고.
김: 오, 엄청재미있겠네요, 우리 연구하는 심장이랑 대사쪽 관련성도 있어보이고요.
한: 응, 이거 Knock out 마우스를 광주과학기술원 박철승 교수님이 만들었는데, 우리가 심장 연구하면 좋을 것 같다.
..이렇게 10년에 걸친 연구가 시작 되었습니다.
연구 전개 과정에 대한 소개
KO 마우스를 들여오고, 키우면서 관찰을 하였는데, 정말 중요한 유전자가 없어진 것 치고는 동물이 너무 멀쩡했습니다. 약간 살이 덜 찌는 것 같긴 했지만 특별한 이상이 안 보였습니다. 그때 연구센터에 들어온 지 얼마 안 된 심초음파 기계를 가지고 학생들과 같이 세팅하다가 심초음파를 찍어보았는데, KO 마우스의 심장에서 수축력이 일반 마우스 보다 조금 높게 관측이 되었습니다. 어, 심장 수축력이 왜 높지? 라고 생각하고 심장 수축력과 관련된 여러 가지 실험을 몇 년에 걸쳐서 진행하였고, 최종적으로 심근세포의 칼슘 채널의 단백질이 발현 후에 세레블론-유비퀴틴 복합체에 의해서 분해된다는 점을 발견하게 되었습니다.
연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
세레블론이 전신에서 KO 된 마우스였기 때문에 처음 몇 년간 논문을 투고할 때 마다, 이 현상이 심장의 CRBN 억제에 의한 게 맞는지에 대한 어려운 질문과 게재거절을 받았습니다. 결국 다시 몇 년간의 노력으로 심장 특이적인 KO 마우스를 제작하게 되고, 동일한 심장 기능향상 효과를 검증하게 되었습니다. 또 다른 문제점은 실제 심장질환이 있는 심장에서 CRBN 이 어떻게 관계가 있는지를 물어보는 어려움이 있었습니다. 이점은 다년간 국제 공동연구를 진행한 일본의 니가타대학 심장내과 Ippei Shimizu 교수의 도움으로 심근수축력이 떨어진 심부전 환자의 심장에서 어렵게 구한 CRBN 유전자의 발현을 분석해서, 정상적인 심장보다 높은 발현이 확인되었으며, 해당 실험 결과가 저희의 기초연구결과를 임상에서 뒷받침해준다는 사실에 매우 기뻤습니다.
이번 성과, 무엇이 다른가?
높은 사망률과 유병률을 보이는 심부전 환자에서 심장 수축력이 감소되는 근원적 원인이 불분명하였으며, 특히 수축력을 조절하는 칼슘통로의 기능 저하 원인이 알려진 바가 없었습니다. 저희는 본 연구를 통해서 최초로 심부전 환자에서 칼슘통로 기능 저하의 원인이 세레블론 단백질의 증가에 의한 이온 통로 분해라는 사실을 밝혀냈으며, 최종적으로 세레블론의 심장 기능 조절 기전과 심부전 환자에서 감소되는 수축력의 주요 원인으로 제시되는 L타입 칼슘 채널의 병리적 조절 기전을 최초로 밝혀냈습니다.
실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
본 연구 결과를 바탕으로 새로운 심장 기능 조절 타깃을 기반으로 한 기초의과학 연구 발전에 기여하고, 유효한 치료제가 없는 좌심실 박출률 감소 심부전 치료(HFrEF)의 새로운 타깃을 발굴하여 세레블론 조절을 타깃으로 하는 혁신형 심장 치료제를 개발하는 기대효과를 예상합니다.
꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
본 연구를 수행하면서 한국화학연구원과 공동으로 세레블론을 특이적으로 소거하는 새로운 물질들을 개발하고 있으며, 심장특이적으로 전달되는 세레블론 타깃 치료제등의 개발등에 향후 지속적인 연구 집중이 필요합니다. 또 세레블론의 에너지 대사 조절에 대한 새로운 타깃을 현재 발굴하여 당뇨병같은 대사질환에서의 활용도 연구중입니다.
기타 특별한 에피소드가 있었다면?
어려움이 있을 때마다 많은 공동 연구자들의 도움이 있어서 좋은 결과를 낼 수 있었습니다. 광주과학기술원 박철승 교수님, 한국화학연구원 하재두, 황종연 박사님, 인제의대 고경수, 이병두 교수님, 일본 니가타대학의 이페이 시미즈, 토루 미나미노 교수님께 깊은 감사를 드립니다. 10년간 포기하지 않고 함께 연구해준 모든 공동연구자 분들과 연구책임자 한진 교수님께 특별히 감사드립니다.
의학약학 한국연구재단 (2022-03-21)