▲ 미토콘드리아 기능 저하에 따른 쥐의 폐조직 변화 / 미토콘드리아 기능저하를 가진 쥐의 폐조직은 비정상적인 상태의 폐포조직을 형성하고 있는 것을 확인하였다.(그림설명 및 그림제공=노스웨스턴대 한승혜 교수)  © 특허뉴스

국내와 해외 공동 연구진이 폐줄기세포 분화를 촉진하는 메커니즘을 밝혀냈다.

한국연구재단은 노스웨스턴대학교 한승혜 교수, 동국대학교 이민호 교수 공동연구팀이 미토콘드리아가 폐줄기세포의 기능과 분화를 조절하는 신호 전달 기능이 있음을 규명했다고 밝혔다.

2020년 세계보건기구(WHO)는 10대 사망원인 중에 하나로 만성폐질환과 폐렴을 보고했다. 지구의 대기오염을 비롯해 코로나19 팬데믹 이후로 폐질환에 대한 경각심은 더욱 높아진 상황이다. 특히 폐는 한 번 손상되면 다시 살려내기 힘들어 재생 능력을 촉진하는 치료법 개발이 시급하다. 이를 위해서는 폐줄기세포의 기능과 분화를 조절하는 기전에 대한 규명이 필수적이다. 

연구팀은 만성폐질환 및 폐렴 환자에서 공통적으로 관찰되는 미토콘드리아 기능 저하에 주목했다. 미토콘드리아의 기능이 폐줄기세포 분화에 관여하는지는 아직 알려지지 않았다. 

먼저 공동연구팀은 특정 유전자 기능이 발현하지 못하게 막는 기술을 적용한 ‘유전자 녹아웃 마우스’를 이용해 발생기간 동안 폐상피세포에서 미토콘드리아 전자전달계 기능을 제거했으며, 녹아웃 마우스가 호흡부전으로 사망하는 것을 확인했다. 

이어 해당 폐조직에 대한 1개의 세포를 분리하여 극미량의 재료로부터 DNA나 RNA를 증폭해 해당 세포의 유전체적 특징을 분석하는 기술인 ‘단일세포 전사체분석’을 수행했고, 그 결과 미토콘드리아가 통합 스트레스 반응(ISR)에 관여한다는 것을 확인했다. ISR(integrated stress response)는 세포가 대사 스트레스 혹은 비정상적 상황을 겪을 때 그 상황에 적응하기 위해 작동되는 기능이다. 

미토콘드리아 전자전달계 기능이 상실되었을 때 ISR이 매우 높게 활성화된 반면, ISR 억제제를 투여받은 녹아웃 쥐는 대부분 살아남았고 비정상적 폐구조도 교정되었다.

이 같은 연구결과는 미토콘드리아가 세포 내 에너지를 생산하는 기능 외에도 세포의 기능과 분화를 조절하는 신호 전달 기능이 있음을 확인한 것이다. 

공동연구팀은 폐 세포 내에서 미토콘드리아가 비정상적으로 높게 ISR이 활성화되는 것을 막음으로써 폐줄기세포 분화에 필수적인 역할을 한다는 것을 증명했다. 

한승혜, 이민호 교수 공동연구팀은 “폐질환 환자들의 미토콘드리아 ISR을 조절해 폐줄기세포 분화를 촉진하고 폐재생을 증진하는 방식의 치료법을 개발할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 8월 24일 게재되었다. 논문명은 Mitochondrial integrated stress response controls lung epithelial cell fate 이다.