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미생물 효소들을 이용한 당뇨병 치료 후보물질 생산
부작용이 적은 당뇨병 치료제 개발 가능성 열려
특허뉴스 염현철기자 기사입력  2018/01/17 [10:40]


오덕근 교수(건국대학교) 연구팀이 미생물에 존재하는 효소를 이용하여 인체 내 존재하는 지질 조절제*와 유사한 물질들을 개발하였고, 당뇨병 치료제로써의 가능성을 확인하였다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)는 밝혔다.
* 지질 조절제(Lipid mediator) : 면역, 항염증, 포도당 대사 조절, 지방 대사 조절 등 다양한 생리활성 기능에 관여하는 물질
 
이 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature communications) 1월 9일자 논문으로 게재되었다.

논문명, 저자정보
- 논문명 : Biotransformation of polyunsaturated fatty acids to bioactive hepoxilins and trioxilins by microbial enzymes
- 저 자 : 오덕근 교수(교신저자, 건국대학교), 안정웅(제1저자, 건국대학교), 송용석(참여저자, 건국대학교), 김경록(참여저자, 건국대학교), 고윤주(참여저자, 서울대학교), 윤도영(참여저자, 건국대학교)
    
당뇨병은 인슐린 분비 및 기능의 문제로 생기는 난치성 대사질환이다. 최근 30대 이상 성인의 10명 중 3명이 당뇨병 또는 고위험 군으로 보고되면서 이에 대한 우려가 높아지고 있다. 현재 사용되는 당뇨병 치료제는 강력한 효과에 비해 심부전 발병 및 체중 증가 등의 부작용을 동반하고 있어, 대체 치료제의 개발이 시급하다.
 
연구팀은 부작용이 적은 당뇨병 치료를 위하여 천연 물질의 발굴에 주목하였고 일부 미생물로부터 인간 유래 지질조절제인 헤폭실린*, 트리오실린* 등의 물질들을 합성해냈다.
* 헤폭실린 : 인슐린 분비촉진, 칼슘의 수송 등의 생리활성을 돕는 물질
* 트리오실린 : 헤폭실린이 가수분해효소에 의해 전환되는 3개의 수산기를 가지는 물질
 
또한 연구팀은 세균에서 지질 조절제의 생합성에 관여하는 효소와 그 대사 경로도 규명했다. 인간 체내에서 지질 조절제를 합성하는 지방산화효소, 수산화지방산 형성효소와 같은 기능을 가지는 유사 단백질을 미생물에서 발견하였고, 이를 활용하여 다양한 지질 조절제를 생합성하였다.
 
오덕근 교수는 “이 연구는 인체 내에 극미량 존재하는 지질 조절제를 미생물을 이용하여 대량으로 개발·생산해낸 것이며 향후 당뇨병 치료, 염증치료, 감염치료 등의 기능이 있는 다양한 지질 조절제를 생합성할 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.
 
이 연구 성과는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행되었다. 
    
논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
당뇨병은 대사질환의 일종으로 췌장에서 인슐린의 분비에 문제가 생겨 혈중 포도당 농도가 높아지는 질환을 말한다. 최근 다양한 원인으로 성별, 연령을 불문하고 당뇨병에 걸리는 환자들이 늘어나는 추세이며, 특히 30대 이상의 성인의 10명 중 3명이 당뇨병 또는 당뇨병 고위험군으로 보고되었다. 최근 조사에 따르면 2015년 기준 당뇨병에 따른 입원율이 OECD(경제개발협력기구) 회원국 평균의 2.05배인 281명으로 나타났다.
 
당뇨병은 그 자체가 완치가 되지 않기 때문에 꾸준한 치료 및 관리가 필요하다. 당뇨병의 치료는 직접적으로 인슐린을 대신하는 인슐린제제를 투여하거나, 경구 혈당강하제를 투여하여 혈당을 낮추는 방법으로 진행한다.
 
대부분의 경구 혈당강하제는 화학적으로 제조된 물질로써, 효과적인 혈당저하를 보이지만 강력한 효과와 더불어 심부전 발병 증가 및 지중 증가 등의 부작용을 동반하는 경우가 많다.
 
기존 약품과 동일한 기능을 가지나 부작용이 적은 천연 물질도 존재한다. 헤폭실린과 트리오실린은 인체 내에서 극미량 존재하면서 포도당 대사를 조절하는 지질 조절제의 일종이다. 하지만 생체 내에서 극소량 만들어지며, 빠르게 분해되어 물질을 확보하는데 어려움이 있다.
 
2. 연구내용
다양한 미생물에서 지질 조절제를 합성할 수 있는 세균을 조사하여 믹소코쿠스 잔투스(Myxococcus xanthus)를 동물성 지방산인 아라키돈산*과 같이 배양하였을 때, 헤폭실린과 트리오실린이 생성됨을 확인하였다.
* 아라키돈산 : 동물계에 널리 분포하는 4개의 이중결합을 갖는 탄소수 20개의 지방산.
 
인간유래 효소들을 주형으로 하여, 믹소코쿠스 잔투스(Myxococcus xanthus)내에서 지질 조절제 생성과 관련된 유전자 후보군을 8종류 선정하였다. 후보군을 복제 후 효소 발현 및 각 효소의 반응물을 확인하는 실험을 통해 지질 조절제 생성과 관련된 2종류의 지방산화효소와 1종류의 수산화지방산 형성 효소(에폭사이드 가수분해효소) 및 고리형 지방산화효소를 확정하였다.
 
본 연구팀은 2종류의 지방산화효소와 1종류의 수산화지방산 형성 효소를 이용하여 총 10종류의 헤폭실린류와 트리오실린류의 생성을 확인하였으며, 그 중에서 헤폭실린 B5, 헤폭실린 D3, 헤폭실린 E3, 트리오실린 B5, 트리오실린 D3, 트리오실린 E3는 현재까지 보고된 적이 없는 새로운 물질로 확인되었다.

특히 헤폭실린 E3와 트리오실린 E3를 제외한 나머지 8종류의 물질은 효소들이 재조합 대장균를 이용하여 고농도 생산이 가능하였다.

기존 생체 내에서 생성되는 헤폭실린은 페록시좀 증식체 활성화 수용체 (PPARγ)*에 작용하여, 인슐린 조절 등의 생리활성 기능을 조절하는 것으로 알려져 있다.

이에 본 연구팀에서 미생물 효소들을 이용하여 생성한 헤폭실린과 트리오실린을 페록시좀 증식체 활성화 수용체(PPARγ)에 처리하여, 헤폭실린 B3, 헤폭실린 B4, 헤폭실린 D3, 트리오실린 B3, 트리오실린 D3가 페록시좀 증식체 활성화 수용체(PPARγ)의 활성을 증가시키는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 구조 분석을 통해 수용체에 결합하는 부위로도 확인할 수 있었다.

기존 당뇨병 치료제는 페록시좀 증식체 활성화 수용체(PPARγ)에 강하게 결합하여 체중 증가 등의 부작용이 존재하지만 미생물 효소를 이용하여 생성한 헤폭실린과 트리오실린은 약하게 결합하며 기존 당뇨병 치료제와는 다른 위치에 작용하여 부작용이 적은 것으로 밝혀졌다.
        * 페록시좀 증식체 활성화 수용체 : 세포 분화, 발생, 대사과정 등과 관련된 유전자 발현을 조절하는 전사인자로 핵에 존재하는 수용체 집단.
 
3. 연구 성과
이번 연구를 통해 인간을 포함한 포유류에 존재하는 지질 조절제를 미생물인 세균에서 유래된 효소를 이용하여 생합성하였으며, 그 중에서도 6종류는 보고된 적이 없는 신규한 물질로 확인하였다.
 
현재까지 여러가지 어려움으로 인해 생산할 수 없을 것이라 생각했던 지질 조절제를 활성이 우수한 미생물 유래 효소를 이용하여 생합성하므로써, 다양한 지질 조절제의 생합성 가능성을 제시하였다.

인체 내에서 포도당 대사 조절에 관여하는 헤폭실린과 트리오실린은 당뇨병치료제 로써 기존의 화학적으로 생산된 치아졸리딘디온계의 물질과 비슷한 양상의 활성을 보이나 부작용은 없을 것으로 예상되어진다.
 
그러므로 이 연구성과는 치아졸리딘디온계의 체료제로 인한 여러 가지 부작용과 문제점을 극복할 수 있을 것으로 예상되는 당뇨병 치료제 후보물질을 미생물 효소로 생합성하였다는 데 중요한 의미가 있다.
 
용 어 설 명
1. 네이쳐 커뮤니케이션스 (Nature communications) 誌
다학문과학(Multidisciplinary Sciences) 분야에서 상위 4%의 저널로 세계 최고 권위의 학술지인 Nature 자매지 (2017년 피인용지수 12.124)
 
2. 당뇨병 (Diabetes mellitus)
대사질환의 일종으로 췌장에서 인슐린 분비의 문제가 생기거나, 분비된 인슐린이 제 역할을 하지 못해 혈중 포도당 농도가 높아지는 질환
 
3. 지질 조절제 (Lipid mediator)
생체 내에서 면역, 항염증, 항암을 포함한 다양한 생리활성 기능에 관여하는 신호전달물질로써 지방산을 주형으로 유래된 물질
 
4. 헤폭실린 (Hepoxilin)
폐, 혈소판, 췌장, 뇌 등에서 합성되고, 대표적으로 인슐린 분비를 촉진시키는 활성을 가지고 있는 물질
 
5. 트리오실린 (Trioxilin)
헤폭실린이 수산화지방산 형성효소(Epoxide hydrolase)에 의해서 전환되는 3개의 수산기를 가지는 물질
 
6. 그람 음성균 (Gram negative bacteria)
세포벽이 얇고, 그람염색법에 의해 적색으로 염색되는 세균
 
7. 페록시좀 증식체 활성화 수용체 (PPAR)
세포 분화, 발생, 대사과정 등과 관련된 유전자 발현을 조절하는 전사인자로 핵에 존재하는 수용체 집단
    

▲     © 특허뉴스
   그림설명 : 대장균을 포식하는 믹소코쿠스 잔투스와 세균을 포식하는 백혈구
백혈구가 생산하는 지질조절제는 루코트리엔임을 알고 믹소코쿠스 잔투스가 생산하는 지질조절제를 조사한 결과 헤폭실린과 트리오실린임을 규명하였다. 
 


▲     © 특허뉴스
  그림설명 :  현재까지 확인된 헤폭실린과 트리오실린 및 그 유사체
현재까지 보고된 헤폭실린과 트리오실린의 합성 경로이다. 파란색 상자로 표시된 물질은 인간을 비롯한 포유류 내에서 생성되어 현재까지 보고된 헤폭실린과 트리오실린을 나타낸 것이고, 빨간색 상자로 표시된 물질은 본 연구를 통해 미생물 효소들을 이용해 생합성된 헤폭실린과 트리오실린을 나타낸 것이다. (ARA: arachidonic acid, EPA: Eicosapentaenoic acid, DHA: Docosahexaenoic acid, HpETE: Hydroperoxyeicosatetraenoic acid, HpEPE: Hydroperoxyeicosapentaenoic acid, HpDOHE: Hydroperoxydocosahexaenoic acid, HX: Hepoxilin, TrX: Trioxilin)
   

▲     © 특허뉴스
 그림설명 :  미생물 지방산화효소로 전환된 헤폭실린이 PPARγ 활성이 미치는 영향
믹소코쿠스 잔투스 유래 지방산화효소로 전환된 헤폭실린류와 트리오실린류가 PPARγ 활성에 미치는 영향을 조사하였다. (a-d) 각각 헤폭실린 B3, 헤폭실린 D3, 트리오실린 B3, 그리고 트리오실린 D3가 PPARγ의 활성에 미치는 영향을 확인하였다. 단독적으로 처리하였을 때는 기존의 작용제로 알려진 트로글리타존(Troglitazone)보다 활성을 낮지만 PPARγ의 전사활성을 증가시키는 것으로 나타났으며, 트로글리타존과 혼합 처리 시에도 효과적으로 증가시키는 것을 확인하였다. (e) PPARγ의 수용체 결합부위(receptor binding domain)에 hepoxilin과 trioxilin이 결합되어 있는 모델링 구조를 컴퓨터 분석을 통해 나타내었다. (f) 헤폭실린 B3가 PPARγ의 수용체 결합부위에 결합했을 때, 확인되는 결합 포즈와 상호작용을 가지는 잔기를 나타내었다. (g) 기존의 PPARγ의 작용제로 알려져 있는 치아졸리딘디온계의 로지글리타존(rosiglitazone)과의 상호작용 잔기 비교를 하였다. 왼쪽은 로지글리타존이 PPARγ의 수용체 결합부위의 특정 아미노산인 GLN286, SER289, TYR473과 상호작용을 가지는 것을 보여주며, 오른쪽은 헤폭실린 B3가 PPARγ의 수용체 결합부위의 특정 아미노산인 GLN286, SER289, HIS323과 결합하고 있음을 보여준다.
 

기사입력: 2018/01/17 [10:40]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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