1. 연구실 개요

성균관대 생명과학과 생체대사조절 연구실은 ‘어떻게 하면 맛있는 음식을 충분히 섭취하면서도 건강한 신진대사를 유지할 수 있을까?’ 라는 질문에 대한 답을 제시하고자 한다. 그 해답을 얻기 위해, 우리 몸의 애물단지로만 여겨지던 지방 조직을 깊이 이해하고 활용하여 생체 에너지 대사를 효과적으로 조절하는 연구를 수행하고 있다. 지방 조직은 기존의 수동적 에너지 저장고의 역할 뿐만 아니라, 지질을 포함한 대사물질을 연소시켜 에너지를 소모한다. 뿐만 아니라, 생체 내 호르몬/영양소를 감지하고 특정 생체 신호 및 대사 경로 활성을 통해 지방 조직 특이적 사이토카인 및 대사체를 분비하여 에너지 균형을 능동적으로 조절할 수 있는 대사조직으로 재평가 받고 있다. 인체 내 지방 조직은 우리 몸 전반에 고루 분포하고 있다. 그 종류 또한 기존의 백색 지방을 포함하여, 갈색 지방, 베이지 지방, 분홍 지방, 그리고 골수 지방 등 점점 더 세분화 되고 있으며, 지방 조직 별 Heterogeneity가 상당히 높고 각기 고유의 기능을 수행하고 있음이 밝혀지고 있다. 이는 지방조직이 지니고 있는 생물학적인 기능이 우리가 생각해온 것보다 훨씬 복잡하고, 우리 몸에서 높은 중요도를 차지하고 있다는 것을 의미한다.

우리 연구실에서는 대사체 및 대사 경로 분석, 생체 신호 전달 경로 분석, 그리고 유전자 변형 마우스를 이용한 대사 질환 모델 연구와 같은 다양한 연구적 접근법을 이용하여 (Multidisciplinary Approach), 지방 조직의 생리학적 그리고 병리학적 발생에서의 역할을 보다 깊게 이해하고자 한다. 특히, 갈색 지방 조직(Brown Adipose Tissue, BAT), 베이지 지방 조직 (Beige/Brite Adipose Tissue) 및 백색 지방 조직(White Adipose Tissue, WAT) 의 에너지 대사 및 내분비 기능을 조절하는 새로운 분자 기전을 규명하는데 그 초점을 맞추고 있다. [그림 1].

[그림 1]. 성균관대 생체 대사 조절 연구실의 연구 개요

2. 주요 연구 내용

(1): 생체 내 지방 조직의 역할 아군인가 적군일까?

백색지방은 과도한 음식물의 섭취 후 발생한 잉여 에너지를 지방의 형태로 저장하고, 유사시에는 (공복) 저장한 지방을 분해하여 에너지를 다른 장기들에게 공급한다. 뿐만 아니라, 다년간의 연구결과를 통해 백색지방은 생체 주요 내분비 기관의 반열에 올라있다. 갈색지방은 비교적 최근 성인의 몸에 유의미한 양의 갈색지방이 존재한다는 것이 밝혀지면서, 그 연구적 중요성이 대두 되고 있다. 최근 집중적인 연구를 통해, 갈색지방은 저온 환경에 있거나 고칼로리 식이 섭취 시 고유의 에너지 소비능력이 증가하며, 활성 시 상당한 양의 혈중 영양소를 흡수하여 처리할 수 있다는 것이 보고 되었다. 이러한 갈색지방의 에너지 대사 능력이 비만을 포함한 에너지 대사 불균형에서 기인하는 다양한 대사성 질환의 예방 및 치료에 효과적으로 사용될 수 있다는 아이디어가 제기되고 있다. 이에 우리 연구실은 갈색지방, 베이지지방 그리고 백색지방이 생체 내 다양한 생리적 환경 및 병리적 조건에서 어떠한 영양소들을 (e.g. 지방, 포도당, 아미노산) 선택적으로 흡수하는지, 흡수한 후에는 어떠한 대사 경로를 통해 사용하는지, 그리고 그 사용을 통해서 지방 세포의 대사 및 기능에 어떠한 영향을 미치는 지를 이해하고 나아가 이러한 지방조직 매개 혈중 영양소 대사 조절 능력을 이용하여 다양한 인체 질환 (비만, 지방간, 당뇨, 심혈관 질환, 특정 암)의 예방 및 치료 연구에 큰 관심이 있다. [그림 1, 그림 2].

[그림 2]. 백색지방조직(White Adipose Tissue)과 갈색지방조직(Brown Adipose Tissue)

(2): 생체 대사 경로와 신호 전달 경로는 어떻게 상호작용 하는가?

생체 대사 경로와 신호 전달 경로, 각각에 대한 연구의 역사는 상당히 오래되었지만 서로 어떤 밀접한 연관을 가지는가에 대해서는 비교적 최근부터 연구되고 있다. 특히, 최신 대사 연구의 핵심 패러다임 중 하나는 대사체 및 대사 경로가 생체 신호 전달 경로 및 유전자 발현 조절에 직접적으로 참여할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 호르몬/영양소-감지 mTOR 신호 전달 경로 모델을 통해 생체 신호 전달 경로가 영양소를 (e.g. 아미노산, 포도당) 직접 감지하고 반응하여 세포 내 생합성 대사를 촉진할 수 있다는 연구 결과가 보고되었다. 관련하여, 본 연구책임자는 박사 후 연구원 기간 동안 mTORC2 복합체 신호에 의해 선택적으로 조절되는 갈색 지방 지질 분해 작용 (Lipolysis) 및 UCP1 의존적 발열 작용 (Thermogenesis)의 분자적 기전을 규명하여, 갈색 지방 세포 내 새로운 생체 신호 경로-대사경로 Crosstalk 모델을 제시한 바 있다. 또 다른 예로는 (백색/갈색)지방 세포 인슐린 신호 전달 경로는 포도당 흡수 및 신생 지질 합성을 (De novo lipogenesis) 촉진시키며, 중간 대사 산물로서 Acetyl-CoA를 만들어 낸다. 세포 내 Acetyl-CoA는 후성 유전체 조절의 핵심 기전인 Histone 단백질 Acetylation의 원료로 사용된다. 이는 비단 Acetyl Transferase/Deacetylase 효소 단백질의 발현 및 활성 뿐만 아니라, 우리가 먹은 음식의 종류, 대사 건강의 상태에 따라 생체 내 Epigenetic Metabolites Availability가 조절되고, 이를 통해 우리 몸 전체의 유전자 발현이 변화할 수 있음을 의미한다. 우리 연구실은 생체 대사 경로생체 신호 전달 경로가 어떤 방식으로 협동하여 다양한 생명 현상을 조절하는지에 대하여 분자 수준에서 이해하고자 한다 [그림 3].

[그림 3]. 갈색지방세포 내 포도당 대사경로 및 mTOR 신호전달경로 상호작용 연구 모델

3. 맺음말

비만을 포함한 대사성 질환의 경우 요즘 코로나 장기 사태로 인한 제한된 신체 활동량으로 그 발병이 지속적으로 증가하고 있지만, 현재까지 뚜렷한 치료법이 없어 예방과 치료에 관한 기초 연구가 절실히 필요한 상황이다. 성균관대 생체대사조절 연구실은 갈색지방, 백색지방 조직의 영양소 대사 및 Adipokine 분비 능력을 조절할 수 있는 대사 경로와 생체 신호 전달 경로들이 어떻게 상호작용 하는지 이해하고, 이를 통해 기존의 비만 및 대사질환의 예방 및 치료에 새로운 관점을 제시하고자 한다. 우리 연구실은 2021학년도 3월에 시작한 태어난 지 2년 남짓 된 신생 연구실이지만, 열정으로 똘똘 뭉친 교수 (정수명), 대학원생 (이상헌 석박통합과정, 김소연 석박통합과정) 그리고 학부연구생들이 (김효주, 김민주, 이현서) 연구실 셋팅을 끝내고 함께 “Work Hard, Play Hard”를 연구실 모토로 삼아 학업생활과 연구에 매진하고 있다 [그림 4]. 우리 연구실은 생체 대사와 지방 조직 연구에 관심이 있고 열정 넘치는 학생들의 참여를 기다리고 있다.
연구실 링크 및 홈페이지 [성균관대 생명과학과 링크 (http://bio.skku.edu/bbs/board.php?bo_table=F1&wr_id=42); 연구실 홈페이지 (https://sites.google.com/view/metabolab-skku/home?authuser=0)]

[그림 4]. 2022 성균관대 생체 대사 조절 연구실 식구들