윤진호 동아대 교수, 파킨슨병 등 퇴행성 신경질환 원인 '미토파지' 분석시스템 개발

미토-케이마 형광단백질을 활용한 생체조직 미토파지 검출 시스템 (A)미토-케이마 동물모델에서 미토파지 검출원리 모식도. 미토파지의 결과로 미토콘드리아가 산성환경인 리소좀과 융합함에 따른 미토-케이마의 형광특성 변화를 분석해 미토파지를 측정함을 묘사한다. (B)pH에 따른 미토-케이마 단백질의 형광특성 변화. 중성 조선(pH7)에서는 짧은 파장(451nm) 레이저에 의한 형광이 강하나 산성조건(pH4)에서는 긴 파장(561nm) 레이저에 의한 형광이 강해진다. (C)공초점현미경을 사용한 미토파지 측정 영상. 저산소조건(Hypoxia)에서는 미토파지가 증가하는 것이 붉은색 반점의 증가로 표시된다. (D)유세포분석기를 사용한 발현세포의 미토파지 측정결과. 정상조건(Normoxia)에서는 미토파지가 활성화된 세포가 2.3%였으나 저산소조건에서는 48.3%로 증가했다는 것을 검출했다. [사진=한국연구재단 제공]

아주경제 최서윤 기자 = 한국연구재단은 국내 연구진이 퇴행성 신경질환의 원인으로 지목된 미토파지(용어 설명 참고)의 활성 변화를 생체 조직에서 정확하게 측정하는 동물모델과 분석시스템을 개발했다고 9일 밝혔다. 파킨슨병 등 퇴행성 신경질환 및 노화 질환의 원인 규명과 새로운 치료 방법 개발에 기여할 것으로 기대된다.

미토파지는 ‘에너지 발전소’라 불리는 세포 속 미토콘드리아(용어 설명 참고)의 활성 유지에 있어서 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려졌다. 미토파지의 활성 저하가 퇴행성 신경질환인 파키슨병의 원인으로 지목되면서 학계에서 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 아직까지 생채 내 미토파지를 손쉽게 정량적으로 측정할 수 있는 연구기법이 개발되지 않아 미토파지의 생체 내 기능과 분자 수준에서의 작동원리에 대한 연구는 이뤄지지 못했다.

윤진호 동아대 의과대학 교수와 미국 국립보건원 토렌 핀켈 박사 공동연구팀은 일본 연구진에 의해 보고된 산호유래 형광 단백질인 케이마 단백질이 pH(수소이온농도)에 따라 변화하는 형광 특성(용어 설명 참고)을 이용했다. 미토콘드리아에만 발현되는 미토-케이마 단백질을 세포에서 발현시킨 후 중성과 산성조건에서의 형광 신호를 통합·분석해 미토파지를 검출할 수 있는 영상 기반의 측정방법을 개발하였다.

연구팀은 모든 세포에서 미토-케이마 단백질이 발현되도록 유전적으로 조작한 형질전환 실험용 쥐를 제작하고 직접 개발한 형광영상 분석기법을 이용해 세계 최초로 여러 생체조직의 미토파지를 측정했다.

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이를 통해 간, 심장, 근육, 뇌조직의 미토파지 활성이 모두 다르다는 것을 발견했으며 노화에 따른 미토파지의 감소를 확인했다. 저산소 상태, 고칼로리 식이 등 환경변화에 따라서 미토파지 활성이 증가 또는 감소한다는 것도 발견했다.
 

미토-케이마 마우스를 활용한 생체조직의 미토파지 활성 측정 (A)미토-케이마 마우스는 정상 마우스와 외형적, 생리적으로 아무 차이가 없다. (B)간세포에서 미토-케이마의 붉은색 형광신호가 리소좀 내에 융합된 미토콘드리아로부터 나온다는 것을 확인했다. (C)다양한 조직의 미토파지 활성. 심장, 간, 신경세포, 흉선, 뇌 등 여러 조직의 미토파지 활성이 다양하며 뇌의 여러 부위도 서로 다른 미토파지 활성을 가지고 있음을 확인했다. [사진=한국연구재단 제공]

윤 교수는 “이번 연구를 통해 확립된 미토파지 분석시스템은 미토파지가 생체조직의 기능 유지와 인체 질병 발생에 있어서 어떤 역할을 하는지와 미토파지의 분자기전을 규명하기 위한 연구에 매우 유용하게 사용될 것”이라며 “향후 파킨슨병과 같은 퇴행성 신경질환과 노화 관련 질환 등의 원인규명 및 새로운 치료 방법 개발에 기여할 것으로 예상된다”고 밝혔다.

연구결과는 생명과학분야의 세계적 권위지 미국 셀(Cell)출판사 '몰레큘러 셀'(Molecular Cell)에 지난달 19일자 대표논문(featured article)으로 온라인에 게재됐다.


☞ 미토파지
손상됐거나 수명이 다한 미토콘드리아를 선택적으로 제거하는 세포 작용을 말한다.

☞ 미토콘트리아
세포 내 소기관의 하나로 세포 호흡에 관여해 에너지를 생산한다.

☞ 형광특성
pH 환경에 따라 단백질의 구조가 미세하게 변해 형광을 나타내는 성질이 달라지는 특성이다.