인체는 다양한 호르몬을 이용하여 영양소의 섭취, 이용 및 저장을 조절하면서 에너지 항상성을 유지한다. 췌장 소도의 β세포는 인슐린이라는 호르몬을 분비하는데 인슐린이 부족하거나 제대로 반응하지 못하면 혈액 내 포도당이 증가하여 당뇨병으로 이어진다. 당뇨병은 대표적인 대사증후군으로 고혈당증은 인슐린의 절대적인 결핍(제1형 당뇨병) 또는 인슐린 저항성 증가로 인한 상대적 결핍(제2형 당뇨병)의 결과로 발생된다. 당뇨병 환자의 90% 이상을 차지하는 제2형 당뇨병은 인슐린 분비 장애와 인슐린 저항성이 복합적으로 나타나는 질환이다. 초기 2형 당뇨는 인슐린 저항성 증가로 인한 인슐린 분비 증가와 베타세포의 양적인 증가가 나타나지만 만성적인 당뇨병의 진행은 인슐린 분비 이상과 베타세포의 양적인 감소를 초래한다. 소포체 스트레스는 당뇨병의 주요 병인인 인슐린 저항성 증가와 인슐린 분비 이상이라는 두 가지 병인에 모두 작용되는 요소로서 2형 당뇨병의 예방 및 치료 타깃에 중요한 기반이 될 수 있는 분야로 기대되고 있다.

1. 소포체 스트레스와 당뇨병

소포체(Endoplasmic reticulum, ER)는 칼슘의 주요 저장고로 지질 및 단백질의 생합성이 이루어지는 필수적인 세포 소기관이다. 대부분의 분비단백질은 소포체에서 N-linked glycan 첨가나 disulfide bond 형성을 비롯한 다양한 post-translational modifications을 통해 접히고 변형되어 고유의 3차원 모양으로 조립된다.

인슐린은 세포 내 에너지 이용과 저장을 위하여 표적조직의 세포막에 존재하는 수용체(Insulin receptor)에 결합하여 혈액으로부터 세포 내로 포도당, 아미노산, 지방산 수송을 촉진시키는 대표적인 동화성 호르몬이다. 인슐린은 disulfide bond로 연결된 2개의 펩타이드 사슬로 구성된 51개의 아미노산 단백질로 초기 preproinsulin에서 proinsulin으로 가공 후 인슐린과 C-펩타이드를 형성하는데 적절한 인슐린의 합성과 분비가 이루어지기 위해서는 잘 발달된 소포체가 필수적이다. 2형 당뇨에서 초래되는 과도한 인슐린 합성 및 분비 증가는 3차 구조를 형성하지 못하고 불완전하게 접힌 단백질의 축적을 증가시키며 이것은 소포체 스트레스를 발생시킨다.

소포체 내강에서 미접힘 단백질(unfolded protein)이 과도하게 축적되면 항상성 회복을 위하여 소포체 막 단백질인 PERK(Protein Kinase RNA-like ER Kinase), IRE1(IInositol-Requiring Protein-1) 그리고 ATF6(Activating Transcription Factor-6)가 활성화되어 미접힘 단백질 반응(Unfolded Protein Response, UPR)이 개시된다. BiP/GRP78(78-kDa glucose regulated protein)은 세 가지 막단백질의 활성화에 중요한 인자로서 소포체 스트레스가 없는 상태에서는 PERK, IRE1, ATF6가 BiP과 결합하여 비활성 상태로 유지되지만 소포체 스트레스 환경에서는 BiP이 방출되어 소포체 막 단백질들이 활성화되고 활성화된 소포체 막 단백질은 UPR 신호를 개시한다. 대표적인 UPR 신호를 간략히 설명하면, 활성화된 IRE1은 Xbp1을 splicing 하며 Xbp1s는 ERAD(ER-associated degradation)를 통한 미접힘 단백질 분해와 단백질 접힘과 분비에 관련된 유전자 발현을 증가시킨다. ATF6는 세포질 도메인에 bZIP 전사 인자를 포함하는 막 관통 단백질로 BiP 방출 시 골지체로 이동하여 단백질 분해 효소(S1P, S2P)에 의한 절단과 전사인자 핵으로 이동 후 소포체 항상성 유지와 세포 기능유지에 관련된 유전자 발현을 증가시킨다. 활성화된 PERK는 eIf2α를 인산화하여 전반적인 단백질 번역을 억제함으로써 추가적인 단백질 유입을 감소시키지만 uORF(upstream open read frame)을 가지는 ATF4 번역은 증가시킴으로써 단백질 접힘 능력 및 항산화 반응은 증가시킨다. 특히 PERK-eIf2α-ATF4신호의 조절은 당대사 및  세포 기능 유지에 필수적임이 본 연구자를 포함하여 여러 연구자들에 의하여 밝혀졌다. PERK 결핍과 eIf2α 유전자 변형은 인슐린 합성 및 분비에 장애를 초래하고 Akita 마우스에서 ATF4의 결핍은 당뇨를 심화시키지만 지속적인 eIf2a 인산화 및 ATF4 과발현 또한 베타세포의 기능부전을 초래한다.

2. 인크레틴과 UPR

인크레틴은 음식물 섭취 시 위장관에서 분비되는 호르몬으로 식후 혈당 강하에 기여하며 현재 GLP-1(Glucagon-like-peptide-1)과 GIP(Glucose-dependent insulinotropic polypeptide)가 잘 알려져 있다. GLP-1과 GIP는 각각 GLP-1R와 GIPR에 결합하여 G 단백질 결합 수용체 (G protein-coupled receptors, GPCRs) 신호전달이 이루어진다. GPCR 신호전달은 Gα 단백질에 따라 달라지며 cAMP-Protein kinase(PKA)를 활성화하는 Gs 신호전달과 phospholipase C-β(PLCβ) 를 활성화하는 Gq 신호전달이 있으며 GIP는 주로 Gs 신호전달, GLP-1은 Gs와 Gq 신호전달을 모두 이용함이 밝혀졌다. 인크레틴은 혈당 상승 시 췌장 베타세포에 직접 작용하여 인슐린 분비를 증가시키는 역할을 한다. 음식물섭취는 인크레틴 분비를 촉진하며 혈중 포도당농도 증가 시 베타세포에서 인슐린 분비를 촉진한다. 특히 GLP-1은 인슐린 분비 촉진뿐 아니라 췌장 세포에서 증식 증가와 사멸 억제, 세포에서 글루카곤 분비 억제 및 중추신경에 작용하여 식욕을 억제하는 효과가 있음이 밝혀졌다. 하지만 이러한 인크레틴에 대한 효과와 반응성은 제2형 당뇨병 환자에서 감소되어 있고 Gs 가 주요 신호 전달 인 GIP는 2형 당뇨에 거의 효과가 없는 것으로 알려져 있으나 관련된 기전은 밝혀지지 않았다.

본 실험실은 최근 소포체 스트레스가 cAMP를 가수분해시키는 효소인 phosphodiesterase 4 (PDE4) 발현을 증가시키고 ATF4 활성 조절이 PDE4D 발현을 직접적으로 조절함과 더불어 PDE4억제가 2형 당뇨에서 인크레틴 반응성을 증가시킴을 확인하였다. 현재 실험실은 소포체 스트레스 조절이 2형 당뇨에서 나타나는 Gs 와 Gq 신호 변화와 인크레틴 반응성을 설명할 수 있는 새로운 치료 타깃이 될 수 있는지 검증하기 위하여 다양한 UPR 관련 유전자를 삭제 혹은 과발현 한 동물 모델과 세포 모델을 이용하여 관련 연구에 매진 중이다.

참고문헌

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