초미세먼지 속 위험한 중금속! 멜라토닌으로 잡는다.
안전성평가연구소(KIT)는 미세먼지 속 위험한 중금속 중 하나인 카드뮴이 인체 전립선에 미치는 독성학적 영향을 확인하였으며, 멜라토닌(Melatonin)이 이러한 독성을 저감시키는 효과를 가지고 있음을 확인하였다고 밝혔다.
카드뮴은 쉽게 부식되지 않는 특성으로 각종 배터리, 금속코팅, 안료, 플라스틱 안정제 등으로 사용되고 있으나, 대표적인 발암물질 중 하나로 인체에 노출되는 경우 폐, 간, 신장에 축적되어 폐암, 신장암 등을 유발한다는 연구 결과가 보고되고 있다.
해당 연구는 매년 미세먼지가 심각해짐에 따라 미세먼지 속 카드뮴이 인체 노출 시, 어떻게 독성이 유도되어 조직 기능에 영향을 주는지에 대한 정확한 작용기작을 파악하고 저감 물질을 발굴하기 위해 실시되었다.
연구팀은 이를 위해 동일한 유전적 특징을 가지는 세포 집단인 세포주(Cell Line)와 마우스(Mouse)에 인체 노출 가능 범위인 200 ㎍/kg 농도로 카드뮴을 노출시켰다.
세포주 실험을 위해 인체유래 전립선 세포주와 마우스(Mouse) 세포주에 카드뮴을 노출하였으며, 그 결과 산화스트레스로 인하여 활성산소*가 증가하여 세포사멸이 유도되는 현상을 확인하였다.
* 활성산소(Reactive Oxygen Species, ROS) : 몸 속 기관이나 세포가 활동하면서 생기는 찌꺼기로 세포막을 손상 시킨다.
또한 세포의 대사 항상성*과 세포사멸에 중요한 기능을 하는 세포소기관인 미토콘드리아에 카드뮴이 침투하여 미토콘드리아의 막전위*를 감소시킴으로써 세포 독성을 유발하는 것을 확인하였다.
* 항상성(homeostasis) : 다양한 자극에 반응하여 개체 혹은 세포의 상태를 일정하게 유지하려는 성질을 의미한다.
* 막전위(Membrane Potential) : 세포막 안쪽과 바깥쪽의 전위차를 말하며, 막전위가 떨어지게 되는 경우 세포 기능이 저하된다.
특히, 최근 미토콘드리아의 항상성에 중요한 기능을 하는 것으로 보고되고 있는 STAT3(Signal Transducer and Activator of Transcription 3)가 카드뮴 노출에 따라 기능이 손상됨을 밝혀냈다.
STAT3는 면역 억제, 염증 질환 및 자가면역질환 등 세포 자극에 반응하여 다양한 유전자의 발현을 매개하는 것으로 알려져 있다.
마우스에 카드뮴을 노출한 경우, 세포실험과 동일하게 미토콘드리아의 STAT3 단백질이 감소되는 것을 확인하였으며, 이를 통해 카드뮴이 전립선 조직을 손상시키는 것을 확인하였다.
이러한 연구 결과는 카드뮴 노출이 STAT3의 기능을 저하시키고 미토콘드리아의 항상성을 손상시켜 전립선 조직의 크기와 기능에 영향을 주어 전립선 손상을 유발할 가능성을 시사하고 있다.
멜라토닌은 뇌에서 분비되는 수면 리듬을 조절하는 생체호르몬으로서 불면증 치료에 사용되는 약물로 잘 알려져 있다.
이러한 멜라토닌을 1시간 전처리한 결과 멜라토닌이 미토콘드리아 STAT3 기능을 조절하여 미토콘드리아의 항상성을 향상시키고 세포 사멸을 방해함으로써 전립선 기능의 독성영향을 저감시키는 것을 확인하였다.
이번 연구는 인체가 독성에 대한 저항성으로 수면 습관 등에 의해 변화될 수 있다는 가능성을 제안한 것으로 후속 연구의 필요성을 제시하고 있다.
경남바이오헬스연구지원센터 허정두 센터장은“향후 초미세먼지 속 중금속 물질의 유해성에 대한 연구가 지속적으로 필요하다.”라며“물질의 유해성 파악 뿐 아니라 이를 저감할 수 있는 대안을 찾는 연구도 함께 수행해나갈 예정이다.”라고 말했다.
한편, 해당 연구는 KIT와 플로리다대학교 한성민 교수 연구팀과 함께 공동으로 수행하였으며, 생물학 분야 권위학회지인‘Communications biology’학술지에 지난 2월 게재되었다.
＊논 문 명 : Melatonin protects against cadmium-induced oxidative stress via mitochondrial STAT3 signaling in human prostate stromal cells(nature.com)
- 주 저 자 : 현문정(안전성평가연구소), 김혜진(안전성평가연구소)
- 교신저자 : 허정두(안전성평가연구소), 한성민(플로리다대학교)
<그림1> 마우스의 카드뮴 노출에 따른 전립선 조직의 변화
⋅카드뮴 노출에 따라 전립선 조직의 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있음
- 왼쪽의 <그림1>과 <그림2>는 멜라토닌을 처리하지 않을 상태이며, 오른쪽의 <그림 3>과 <그림4>는 멜라토닌 30 mg/kg을 처리함
- 위의 <그림1>과 <그림3>은 에탄올을 노출한 대조군이며, 아래 <그림2>와 <그림4>는 카드뮴 200 ㎍/kg을 노출함
- 카드뮴에 노출된 그룹군(그림2, 4)은 카드뮴에 노출되지 않은 그룹군(그림1, 3)에 비해 조직의 크기가 작은 것을 알 수 있음
- 또한, 멜라노닌을 처리한 그룹(그림3, 4)은 멜라토닌을 처리하지 않은 그룹(그림1, 2)과 비교하였을 때 전립선 조직 크기가 더 큰 것을 알 수 있음<그림2> 멜라토닌 처리에 따른 미토콘드리아 STAT3의 발현 변화
⋅멜라토닌을 전처리하여 카드뮴을 노출한 경우(CdCl2+melatonin), 독성이 저감되어 미토콘드리아 STAT3 단백질과 Grim-19(세포사멸 조절인자) 단백질을 보호하는 것을 확인할 수 있음.
<그림2> 멜라토닌 처리에 따른 미토콘드리아 STAT3의 발현 변화
⋅멜라토닌을 전처리하여 카드뮴을 노출한 경우(CdCl2+melatonin), 독성이 저감되어 미토콘드리아 STAT3 단백질과 Grim-19(세포사멸 조절인자) 단백질을 보호하는 것을 확인할 수 있음.
생명과학 안전성평가연구소 (2023-04-10)