대한내분비학회 지난 호 웹진 보기
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정수명 성균관대학교 생명과학과
대사질환 유병률은 국내외 지속적으로 증가하고 있으며, 가장 큰 원인은 비만, 인슐린 저항성 관련 위험 지표들의 증가이다. 최근 지방조직의 병태생리학적 변형 요소를 체계적으로 정립하는 등 대사질환 치료 전략의 해답을 지방조직으로부터 얻으려는 노력이 활발하다. 백색지방조직이 주로 에너지 저장 및 공급 역할을 하는데 반해, 갈색지방조직은 고유의 UCP1 단백질에 의한 그리고/또는 UCP1 단백질 비의존적인 비떨림열발생 기작을 통해 에너지를 태워 열을 생성할 수 있으며, 이러한 기작은 저온 환경에서 분비되는 노르에피네프린에 의해서 촉진된다.
갈색지방조직은 동면하는 동물 및 아기의 몸에 주로 존재하며 체온 유지를 위한 발열 기관으로만 오랜 기간 제한적으로 이해되어 왔다. 하지만, 2000년대 중반, 방사성 동위원소 포도당 추적자 [18F]-fluorodeoxyglucose ([18F]FDG)를 이용한 PET/CT 촬영 검사를 통해 성인의 체내에서 갈색지방이 발견됨과 동시에 높은 대사 능력이 관찰되며, 갈색지방조직 연구 분야에 큰 반향을 일으키며 많은 과학자들의 주목을 받았다. 이후 활발한 연구를 통해, 마우스와 인간의 갈색지방조직이 단순 발열을 통한 체온조절을 벗어나 아래의 세가지 대사적 능력을 가질 수 있음이 제시되었다[그림 1]. 이러한 갈색지방조직의 대사적 능력에 대해 분자 수준에서 이해하고, 또한 이를 활용하여 에너지 대사 불균형에서 기인하는 다양한 대사성 질환의 예방 및 치료 연구 전략이 주목받고 있다.
갈색지방조직 대사 활성이 노르에피네프린-베타 아드레날린 수용체 신호 전달 경로에 의해 촉진된다는 점에 착안하여, 현재 과민성 방광 치료제로 FDA 승인을 받은 베타3-아드레날린 수용체(Norepinephrine) 작용제 Mirabrgron를 활용한 임상 연구가 진행 중이다. 대조군에 비해 Mirabegron을 정기적으로 주입한 그룹의 체내 갈색지방조직 활성이 크게 증가하며, 대사 지표가 개선되는 것이 보고되었다. 하지만 치료용량 보다 4배 많은 고용량 복용 시에만 효능을 보이며, 고용량 Mirabegron이 다른 장기가 주로 발현하는 베타1,2-수용체에도 작용하며 고혈압, 심장박동 이상 등의 부작용이 동반할 수 있음이 확인되었다. 최근 베타2-수용체 신호 경로 기반 갈색지방조직 활성 가능성 또한 보고되었으나 위와 유사한 부작용이 예상되고 있다. 따라서, 수용체에 의존하지 않고 보다 높은 선택성을 지닌 갈색지방조직 활성의 분자적 표적을 찾는 연구가 더욱 중요해지고 있으며, 이를 위해 시스템 대사 조절에 중요한 갈색지방조직 내 고유의 대사적 분자 기전의 규명 그리고 갈색지방조직 유래 인자(Batokine)들을 발굴하는 연구가 주목받고 있다.
갈색지방조직이 생체 시스템 대사 생리 및 병리에 어떠한 영향을 줄 수 있는지 이해하기 위해서는 갈색지방조직 내 높은 대사적 가소성과 혈중 대사 물질들을 어떻게 사용하고 분비하는지를 이해하는 것이 중요하다. 앞서 기술한 [18F]FDG를 포함하여, 다양한 비대사성 방사성 동위원소 추적자(Non-metabolizable Radiotracers)를 이용한 영양소 흡수(Nutrient uptake) 연구를 통해 갈색지방조직이 대사 활성 시 다양한 영양소들을 흡수하는 것이 밝혀졌다.
비대사성 방사성 동위원소 추적자는 뛰어난 검출 감도를 자랑하지만, 대사되지 않기 때문에 해당 대사 물질의 대사 운명에 대한 정보를 제공하지는 못하는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, in vivo 수준에서, 최근 안정 동위원소 추적(Stable Isotope Tracing) & 가스/액체 크로마토그래피-질량 분석 기반 대사체 연구가 각광받고 있다. 이 기술은 높은 해상도로 대량의 대사체를 분석할 수 있으며, 특히 대사 경로의 운명 및 활성(Flux)에 대한 정보를 제공할 수 있다. ‘In vivo 안정 동위원소 추적-대사체 연구’는 먼저 암세포 내 특이적으로 변화된 대사 운명 및 활성을 이해하는 데 사용되었다. 최근 이러한 동위원소 추적 기반 대사체 분석이 갈색지방조직 내 다양한 연료 대사 연구에 성공적으로 적용되며[그림 2], 특히 대사 활성 시 갈색지방조직의 주요 연료인 포도당, 지방산, 아미노산, TCA 중간 산물의 대사 운명 및 활성에 대한 분석 연구와 관련 신규 대사 경로 규명 연구가 활발히 진행 중이다.
In vivo 동위원소 추적 기반 대사체 실험을 디자인하는 데 있어 주요 고려 사항을 간략히 소개한다: (1) 추적자로 사용될 영양소의 대사적 특성을 고려하는 것이 중요하다 – 예를 들어, 포도당 대사의 경우, Gavage를 통한 구강 투여와 60분 이내의 단기 Time course가 이상적이다. 이는 포도당이 위장관을 통해 흡수되어 빠르게 대사되기 때문이다. 글루타민 대사의 경우 정맥 주입(Intravenous injection)이 더 적합할 수 있다. 이는 글루타민이 식이를 통해 흡수되기보다는 체내 조직에 의해 생합성되어 혈중으로 분비되기 때문이다. 대사적 교란을 최소화하고 해당 영양소의 대사 활성을 정량적으로 분석하기 위해서는 카테터(예: 경정맥 카테터 삽입)를 통한 Slow-infusion 방식으로 Isotopic steady state에서 분석하는 것을 추천한다. (2) 분석하고자 하는 대사 경로에 적합한 동위원소 추적자를 선택하는 것 또한 중요하다 – 예를 들어, 오탄당 인산 경로의 활성을 분석하기 위해서는 6개의 탄소가 모두 13C로 표지된 포도당 추적자보다는 [1,2-13C] 포도당과 같은 위치 특이적으로 표지된 포도당 추적자가 적합하다. [1,2-13C] 포도당을 사용할 경우, 오탄당 인산 경로를 통해 젖산이 생성될 때는 M+1, 해당 경로를 통해 생성될 때는 M+2 Isotopologue가 만들어진다. [M+1] 젖산과 [M+2] 젖산 비율을 분석함으로써, 해당 경로와 오탄당 인산 경로의 활성 정도를 비교 분석할 수 있다.
갈색지방조직의 높은 혈중 영양소 대사 능력과 더불어, 갈색지방조직이 영양소를 사용하여 대사물질 유래 아디포카인(e.g. lipokine)을 생성하고 방출할 수 있음이 밝혀지고 있다. 이에, 갈색지방조직이 흡수, 분비하는 혈중 영양소들이 시스템 수준 탄소 및 질소 대사에 어떻게 기여하는지, 그리고 대사체 유래 아디포카인 발굴 연구가 큰 관심을 받고 있다. 이러한 연구를 위해, 고전적인 동정맥 혈액 분석(Arteriovenous analysis) 연구가 다시 재조명 받고 있다. 동정맥 혈액 분석 연구는 기관이나 조직에서 순환하는 인자들의 흡수 또는 방출을 평가하기 위해 사용되는 전통적인 생리학적 분석 방법이다. 대표적인 사례로 코리 박사 부부가 본 기법을 사용해 간-근육 간의 코리 회로를 발견한 바 있다.
최근 동정맥 샘플링 기법과 가스/액체 크로마토그래피-질량분석법 기반 대사체 분석이 접목된 Arteriovenous Metabolomics(동정맥 대사체) 분석이 소개되며, 대사 연구 분야에 큰 반향을 일으켰다. 대표 연구로, 돼지에서 동정맥 대사체 분석을 통해 각 장기 별 흡수, 분비되는 대사체 빅데이터가 작성되었다. 이를 통해, 기존에 잘 알려진 장기 별 대사적 특징이 성공적으로 재현되었을 뿐만 아니라, 새로운 장기 간 대사적 상호작용이 규명되었다. 그러나 돼지의 경우 UCP1을 발현하지 않아 기능적 갈색지방조직 연구가 어려운 제한이 있다. 갈색지방조직 연구 분야 표준 동물 모델은 설치류이다. 1970년도에 정립된 랫드를 활용한 고전적인 갈색지방조직 유래 동정맥 샘플링 기법을 활용하여, 일부 단백질을 분석하고 갈색지방조직 유래 아디포카인을 검출한 연구가 보고되며, 갈색지방조직 연구 분야 내 동정맥 분석 연구가 다시 주목받게 되었다.
이에 힘입어, 최근 더 작은 설치류인 마우스에서 동정맥 대사체 분석 연구가 성공적으로 수행되었다. 이를 통해, 저온 및 베타-아드레날린 매개 대사 활성 시 갈색지방조직이 흡수 및 분비하는 대사체 리스트가 작성되며 오믹스 기반 갈색지방조직 대사 생리 연구에 새로운 지평을 열었다. 마우스 기반 갈색지방조직에 최적화된 동정맥 오믹스 실험 모델을 정리하면 다음과 같다[그림 3]: (1) 다양한 버전의 대사 활성 갈색지방조직을 얻기 위해, 마우스에 온도 적응 실험(e.g. 30°C 열중립 상태 - 비활성 갈색지방, 22°C, 6°C 저온 상태 - 활성 갈색지방) 또는 베타-아드레날린 수용체 작용제 처리 실험을 수행한다. (2) 마우스를 마취한 후, 가장 큰 단일 갈색지방 저장고인 견갑간 갈색지방조직에서 직접 배출되는 정맥혈을 Sulzer 정맥을 통해 채취하고, 동맥혈의 경우 심장의 좌심실 혹은 경동맥에서 직접 채취한다. (3) 각 혈액 시료에서 혈청을 추출한 후, 가스/액체 크로마토그래피-질량분석기를 통해 대사체를 1차적으로 분석한다. (4) 갈색지방조직이 일련의 대사체를 흡수하거나 방출하는지 분석하기 위해, 각 대사체의 정맥 및 동맥에서의 검출량을 Log2 값 계산을 통해 분석한다. 예를 들어, 특정 대사체에 대한 Log2(정맥/동맥) 값이 0보다 작으면 해당 대사체의 농도가 정맥에서 더 높은 것을 의미하며, 이는 해당 대사체가 갈색지방조직으로부터 분비되고 있음을 의미한다. 반면 Log2 값이 0보다 크면, 해당 대사체가 갈색지방조직에 의해 흡수되고 있음을 의미한다. 이러한 분석 방법을 통해, 기존의 잘 알려진 갈색지방조직이 포도당, 젖산, 3-하이드록시부티르산, 아미노산 등 주요 혈중 연료를 활발히 흡수하고 지방산을 분비한다는 사실이 성공적으로 재현되었다. 이는 마우스 기반 동정맥 오믹스 연구 기법이 갈색지방조직의 대사적 다이나믹스 연구에 충분히 활용될 수 있음을 시사한다.
갈색지방조직은 단순한 발열 기관을 넘어, 다양한 대사적 기능과 상호작용을 통해 전신 에너지 대사 조절에 중요한 역할을 한다. 동위원소 추적 기반 대사체 분석, 동정맥 오믹스 분석과 같은 최신 대사 연구기법들을 활용하여 갈색지방조직이 다른 장기들과 교환하는 생체 대사 인자들과 관련 핵심 분자 경로를 규명하고, 이를 바탕으로, 갈색지방조직 매개 대사질환 치료의 새로운 분자적 표적이 발굴될 수 있을 날을 기대해 본다. 끝으로 갈색지방조직 생물학 분야와 관련 최신 연구를 소개할 수 있도록 기회를 주신 대한내분비학회 웹진 편집팀께 깊은 감사의 말씀을 드린다.