[사이언스] 일차섬모, 에너지 대사 및 골항상성에 중요한 세포소기관 규명

생쥐에서 시상하부 일차섬모에 의한 비만과 골질환 동시 조절 기전제시

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2020/10/22 [13:25]

[사이언스] 일차섬모, 에너지 대사 및 골항상성에 중요한 세포소기관 규명

생쥐에서 시상하부 일차섬모에 의한 비만과 골질환 동시 조절 기전제시

특허뉴스 이성용 기자 | 입력 : 2020/10/22 [13:25]

 

▲ 연구 요약 / 대뇌 시상하부 복내측핵 SF-1뉴런에 존재하는 일차섬모 (primary cilia)는 우리 몸의 항상성을 유지하는 데에 중요하다. 이러한 일차섬모의 기능적 장애는 교감신경 활성의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 에너지 균형 조절 호르몬인 렙틴(leptin)의 기능저해를 초래, 결과적으로 에너지 불균형에 의한 비만을 야기한다. 이와 함께, 저하된 교감신경 활성에 의해 골 대사의 균형이 무너지고 이는 골밀도의 변화를 초래한다. / 출처 : 연세대학교 김기우 부교수   © 특허뉴스

 

전세계 비만, 당뇨 등의 대사질환 및 이와 연관된 질환의 발병률 증가와 함께, 우리 몸의 대사에너지 항상성 조절의 중요성이 대두되었다. 이러한 복합 질환을 예방, 치료 및 조절하기 위한 중추신경계를 통한 다양한 항상성 조절기전을 이해하는 연구는 매우 중요하며 필요하다.

 

최근 중추신경계에 일차섬모(primary cilia)의 존재가 제시되었고, 뉴런 일차섬모가 에너지 대사 조절의 매개자로서 제시되었으나 우리 몸에서 시상하부 일차섬모의 다양한 항상성 조절은 연구된바 없다.

 

이러한 시기, 퇴화된 흔적기관으로 간주되다가 세포 안팎을 매개하는 세포의 안테나로 다시 주목받는 일차섬모(primary cilia)가 에너지 대사 및 뼈 항상성 조절에 동시 관여할 수 있다는 연구결과가 나왔다.

 

한국연구재단은 연세대 치과대학 김기우 교수 연구팀이 뇌 시상하부 신경세포에 존재하는 일차섬모가 에너지 대사 및 골항상성에 중요한 세포소기관임을 규명했다고 22일 밝혔다.

중추신경계를 통한 에너지대사와 골밀도의 동시조절 가능성을 제시, 비만이나 당뇨 등 대사질환과 동반되는 골질환을 표적으로 하는 약물개발의 단서가 될 것으로 기대된다.

 

일차섬모는 코점막이나 폐표면, 난관 등에 있는 운동성 섬모와 달리 운동성이 없는 미세소관으로 감각기관에서 다양한 감각을 전달하기 위한 수용체로 작용하는 것이 알려져 있었다.

연구팀은 선행연구를 통해 뇌 시상하부 복내측핵에 존재하는 특정 신경세포(SF-1)가 에너지 대사에 중요하며 이 신경세포 표면에 유난히 긴 일차섬모가 존재하는 것을 알아냈다.

 

▲ 시상하부 복내측핵 SF-1 뉴런 일차섬모 결손시 에너지 대사의 항상성이 무너짐(A) 복내측핵에서 일차섬모가 결손된 쥐(IFT88 KOSF-1)의 경우 몸무게의 증가를 보임. 결손 쥐에서 보이는 몸무게의 증가는 산소 소비량의 감소(B, VO2)와 에너지방출의 결함(C, EE)에 의한 비만임을 관찰함. (D) 교감신경 활성의 척도인 혈중 노르에피네프린 (NE)이 일차섬모 결손 실험동물에서 현저히 저하됨. (E-F) 결손 동물의 경우 에너지 항상성 조절에 중요한 호르몬인 렙틴 (leptin)에 대한 민감도가 떨어져 있으며, 이의결과로 음식 과섭취와 적은 에너지 소모가 나타남. 출처 : 연세대학교 김기우 부교수   © 특허뉴스

 

이에 연구팀은 이 신경세포에서만 일차섬모가 만들어지지 않는 결손 생쥐모델(loss-of-function models)을 구축, 일차섬모가 에너지 대사 조절에 미치는 영향을 알아보았다.

 

그 결과 일차섬모가 결손된 생쥐모델에서 심한 비만이 나타났다. 정교한 대사분석을 통해 이러한 몸무게 증가가 산소소비량 감소와 에너지소비 결함 등 에너지 대사위축 때문임을 알아냈다.

 

실제 자율적으로 신체의 완급을 조절하는 자율신경계 가운데 신체를 긴장하게 하는 교감신경 활성의 척도인 혈중 노르에피 네프린이 녹아웃 생쥐모델에서 현저히 낮게 나타난 것이다.

일차섬모 결손이 교감신경 활성을 떨어뜨려 식욕억제 호르몬 렙틴에 대한 민감성을 잃게 하고 그로 인해 과섭취로 이어진 결과라는 것이다.

 

▲ 시상하부 복내측핵 일차섬모 결손에 의한 골 항상성의 변화 / (A) 시상하부 일차섬모가 결손된 실험동물 대퇴부 뼈의 골밀도가 증가함을 관찰. (B) 해부조직학적 분석 결과 뼈를 파괴하는 파골세포의 수 (TRAP)가 감소함을 관찰. (C) 정상 동물에 비하여 시상하부 일차섬모 결손 동물의 뼈 형성 속도 (bone formation rate, BFR) 더 빠른 것을 확인함. 이러한 결과는 복내측핵 일차섬모가 골형성인자와 골파괴인자의 항상성 조절에 매우 중요함을 시사함. 출처 : 연세대학교 김기우 부교수  © 특허뉴스

 

나아가 일차섬모 결손 생쥐에서는 골밀도 증가도 관찰되었다. 뼈를 파괴하는 파골세포가 감소한 반면 뼈형성 속도는 빨라졌다. 비만과 별개로 자율신경 조절 이상에 따라 골항상성이 무너진 결과라는 설명이다.

 

교감신경활성에 관여하는 일차섬모가 에너지대사 및 뼈항상성 유지에 필수적이라는 이번 결과를 토대로 연구팀은 일차섬모의 활성 및 길이유지에 관여하는 요인에 대한 후속연구를 계획하고 있다.

 

이번 연구의 성과는 의학 분야 국제학술지 저널 오브 클리니컬 인베스티게이션(Journal of Clinical Investigation, JCI)’106일 온라인 게재되었다.

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