대한내분비학회 소식지 - 2019년 겨울호 13권 1호 <통권 45호>

Inositol phosphates와 phosphoinositides의 기능과 역할에 관한 연구

오병철(가천의대 생리학교실)

Inositol phosphate와 phosphoinositides의 구조와 기능: myo-inositol은 6개의 탄소로 이루어진 6탄당이며, myo-inositol은 사람의 신장에서도 포도당으로부터 생성되는 것으로 알려져 있다. myo-inositol의 OH 그룹에 하나 혹은 여러 개의 인산기가 결합하여 다양한 inositol phosphates (IPs) 및 phosphatidylinositol phosphates (PIPs)로 합성이 되는 중요한 구성요소이다 (Lemmon, 2008) (그림 1A). 그중 대표적인 것이 세포막에 존재하는 phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2)가 phospholipase C (PLC)에 의해 분해되면 inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3)와 diacylglycerol (DAG)가 생성되어 소포체막의 IP3 수용체와 결합하여 세포질내 칼슘을 유리하는 secondary messenger 역할을 수행한다 (그림 1B). 대표적인 PIPs의 하나인 PI(3,4,5)P₃ 는 AKT/PKB 단백질의 PH 도메인의 세포막 결합에 주요한 PIPs로 알려져 있다. 본 실험실은 식물의 씨앗에 다량 존재하는 inositol hexaphosphate (IP₆, phytate)를 섭취 시 칼슘과 인의 대사에서의 역할과 기능, 세포내 존재하는 PIPs에 결합하는 다양한 단백질 도메인기능과 세포내 칼슘에 의한 PIPs의 새로운 역할과 기능에 관한 연구를 수행하고 있다.

식물 종자에 다량 함유된 phytate의 기능 및 질병과의 상관성 연구: 쌀, 밀, 옥수수, 콩류와 같은 식물 종자에 존재하는 phytate는 myo-inositol에 6개의 인산기가 결합된 구조로서 Ca2⁺ , Mg2⁺, Zn2⁺, 및 Fe2⁺ 등과 같은 무기질 이온들이 강하게 결합하는 것으로 알려져 있다. Phytate는 통곡물 건조 중량의 약 1-6%를 차지하며 곡물이 주식인 국가에서 다량의 phytate를 섭취하는 것으로 알려져 있다. 사람을 포함한 위가 하나인 단위 동물인 닭, 돼지, 마우스, 렛드 등은 phytate를 분해하는 소화효소가 존재하지 않아 phytate가 소화/흡수되지 못하여, 식품에 존재하는 Ca2⁺, Mg2⁺, Zn2⁺, 및 Fe2⁺등의 무기질 체내 흡수를 억제하여 이들 무기질의 결핍을 유발하는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2010). 1940년대 이전에 동물 및 사람에서 다량의 phytate 섭취 시 칼슘의 흡수를 억제하여 골다공증 및 구루병을 유발한다는 보고를 하였으며 최근에는 저개발 국가에서 다량의 phytate를 섭취 시 빈혈을 일으키는 주요한 물질임을 제시하였으나, 현미 및 잡곡류와 같은 통곡물이 포도당의 흡수를 억제하는 역할로 인하여 최근에는 phytate가 웰빙 식품으로 알려져 있다(Reddy et al., 1982). 그러나 본 연구실에서는 동물모델에서 phytate 섭취 시 칼슘 및 인의 항상성 이상으로 인한 신장결석, 신장 섬유화 및 골다공증 유발에 관한 연구를 수행하고 있다. 본 연구실에서 밝힌 최근 연구결과는 칼슘이 부족한 식단에서 다량의 phytate를 섭취하면 phytate가 분해되어 인의 흡수율이 증가하여 소변으로 인이 다량 배출되는 renal phosphate wasting disorder를 유발하고 신장결석 및 골다공증을 유발하는 주요 원인으로 작용할 수 있다는 것을 확인하였다. 반면에 고칼슘 식단에서 다량의 phytate를 섭취하면 Ca2⁺-phytate 복합체를 형성하여 phytate의 분해/흡수를 억제하여 분변으로 배출됨으로써 소장에서 인의 흡수를 억제하여 renal phosphate wasting, 신장결석, 골다공증이 예방된다는 것을 확인하였다 (그림 2). 신장질환자에서 저칼슘식이 다량의 phytate 섭취의 위험성에 대한 홍보가 필요할 것으로 예상된다.

인슐린저항성에서 인슐린 신호전달 이상에 관한 작용 기전 연구: 일반적으로 크로마토그래피 분해능은 이동 및 확산속도가 높은 기체의 성질을 이용하여 길이가 긴 모세관을 사용하는 GC가 우수하므로 동시 다성분 분석을 위한 프로파일링 분석에서 주로 사용되지만, 화합물의 휘발성과 고온에서의 안정성을 위한 화학적 유도체화가 필수적이므로 시료 전처리에 보다 전문성이 요구된다.

액체크로마토그래피-질량분석법: 인슐린은 영양분을 세포내로 흡수하여 glycogen, fatty acid 합성과 저장 그리고 단백질과 DNA의 합성을 촉진하는 대표적인 호르몬에 속한다. 이러한 인슐린의 모든 영향은 Insulin receptor (IR) 과 이와 상호작용하는 하위 신호전달 경로에 의해서 매개되는 일련의 신호전달 반응이다(Taniguchi et al., 2006). 인슐린이 인슐린 수용체에 결합하면 인슐린 수용체와 insulin receptor substrate (IRS)의 tyrosine잔기의 인산화를 활성화 시킨다. 인산화된 tyrosine은 tyrosine잔기와 결합하는 phosphotyrosine binding domain (PTB) 혹은 SH2 도메인을 통하여 결합하는 IRS 단백질, PI3-kinase와 protein phosphatase인 SHP-2와 같은 효소의 결합을 촉진시켜 활성화를 일으킨다. 특히 PI3-kinase와 kinases들은 하위의 다른 신호 전달계, 즉 PDK1, PKB/AKT, 혹은 PKC isoforms 를 활성화시켜 인슐린의 주요 작용인 영양분 흡수와 합성 및 저장 세포의 항상성을 유지하는 일련의 합성 반응을 촉진시킨다 (그림 3A). 인슐린 저항성의 매개체로서 최근에 알려진 것은 pro-inflammatory cytokines, 지방세포에서 유래된 cytokines, free fatty acid들이 알려져 있다. 본 연구실은 인슐린 저항성의 작용기전으로 비만 및 당뇨병 상태에서 세포질 내 칼슘의 농도가 증가하면 세포막에 존재하는 PI(3,4,5)P3에 칼슘이 결합하여, Ca2+-PI(3,4,5)P3가 생성되어 ATK의 PH 도메인과의 결합을 억제하여 AKT 및 하위 단백질의 활성을 저해하여 인슐린 저항성이 유발함을 규명하였다(Kang et al., 2017) (그림 3B). 본 연구를 통하여 세포질내 칼슘 증가와 인슐린저항성에 관한 분자기전을 제시하고 Ca2+-PI(3,4,5)P3에 결합하는 도메인을 가진 단백질과 인슐린 저항성 유발에 관한 후속 연구를 진행중에 있다.

PIPs의 새로운 신호전달 기전 및 이들 결합 단백질의 기능 연구: PIPs는 nuclear functions, cytoskeletal dynamics, cell signaling, 그리고 membrane trafficking과 같은 essential regulator로 잘 알려져 있다. 이러한 지질은 세포내막과 핵막의 membrane-free regions에서도 발견 되고 있다. PIPs-specific domains을 가진 다양한 단백질들이 down-stream effectors의 기능을 하는 것으로 알려져 있다. 즉, 손상된 PIPs metabolism은 암, 심혈관계 질환, 당뇨병 그리고 면역기능 장애를 야기하는 것으로 알려져 있다(Lemmon, 2008). PIPs와 이들 metabolic enzymes을 분자적 수준의 연구를 통하여 인간 질병에 관한 분자기전을 연구하고자 한다. 이러한 연구목적을 실현하기 위하여 1) 세포내 PIPs와 결합하는 단백질 도메인의 기능을 연구하고, 2) 세포내 칼슘 증가에 의한 Ca2+-PIPs가 생성되어 PH 도메인의 세포막 이동은 억제에 의한 신호전달 억제 기전, 3) 다양한 Ca2+-PIPs에 결합하는 단백질을 발굴하고 대사, 암, 심혈관계 질환에서의 기능과 역할에 관련된 effectors들의 중요한 단백질의 특성을 연구하고 있다 (그림 4). 이러한 실험적 관심은 기초 생물학 분야뿐만 아니라 응용생명과학의 다양한 연구환경을 제공하고 다른 연구자와 공동연구의 기회를 제공함으로써 과학분야의 학문적 발전과 제약산업에 좋은 연구환경을 제공 할 것으로 기대된다. 또한 당뇨병을 연구하는 과학자의 입장에서는 제2형 당뇨병의 자세한 이해를 도움으로써 다양한 약물 개발에 초석이 되는 실험적 증거를 제공 할 것으로 기대된다. 또한, 학문에 열정을 가진 후학 연구에 대한 모범 사례를 제공하여 학문 발전에 중요한 단서를 제공 할 것으로 기대한다.

참고문헌: 1. Membrane recognition by phospholipid-binding domains. MA Lemmon (2008) Nat Rev Mol Cell Biol. 9:99-111.

2. beta-propeller phytase hydrolyzes insoluble Ca(2+)-phytate salts and completely abrogates the ability of phytate to chelate metal ions. OH Kim, Kim YO, Shim JH, Jung YS, Jung WJ, Choi WC, Lee H, Lee SJ, Kim KK, Auh JH, Kim H, Kim JW, Oh TK, Oh BC (2010) Biochemistry. 49:10216-10227.

3. Phytates in legumes and cereals. NR Reddy, Sathe SK, Salunkhe DK (1982) Adv Food Res. 28:1-92.

4. Critical nodes in signalling pathways: insights into insulin action. CM Taniguchi, Emanuelli B, Kahn CR (2006) Nat Rev Mol Cell Biol. 7:85-96.

5. Increased intracellular Ca(2+) concentrations prevent membrane localization of PH domains through the formation of Ca(2+)-phosphoinositides. JK Kang, Kim OH, Hur J, Yu SH, Lamichhane S, Lee JW, Ojha U, Hong JH, Lee CS, Cha JY, Lee YJ, Im SS, Park YJ, Choi CS, Lee DH, Lee IK, Oh BC (2017) Proc Natl Acad Sci U S A. 114:11926-1193

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