심각한 황사와 대기오염으로 호흡기 질환 환자가 급증하고 있는 가운데, 호흡기 감염질환을 조절하는 핵심 효소가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

이에 따라 미생물 감염 호흡기 질환 치료제 개발에 새로운 가능성을 열었다는 평가다.

이번 연구결과는 활성 산소 연구의 권위 있는 학술지인 ARS(Antioxidant and Redox Signaling)지 1월호에 게재됐다.

윤주헌, 배윤수 교수팀은 코 점막에 미생물이 감염될 때 발생하는 염증반응에서 활성산소종을 생성하는 효소(듀옥스2, Duox2)의 역할이 중요하고, 이 효소의 발현을 억제하면 염증반응도 억제된다는 염증 조절 메커니즘을 규명했다.

활성산소종(ROS, reactive oxygen species)은 산소가 물로 변하는 도중에 생성되는 반응성이 강한 독성물질로, 스트레스, 흡연, 환경오염, 자외선 등에 의해 과다하게 발생해 암, 심장병, 노화 등을 유발하는 것으로 알려져 있다.

대부분의 호흡기 질환은 외부로부터 유입된 세균 바이러스와 같은 미생물들이 개방된 호흡기의 점막에 다양한 면역반응을 유발하면서 과도하게 염증이 생겨 발병된다.

이 질환은 염증을 조절함으로써 치료 또는 예방할 수 있다.

연구팀은 코 점막 상피세포에서 세균을 인식하는 단백질(TLR5)이 활성화되면 활성산소종이 듀옥스2를 통해 발생되고, 듀옥스2의 발현을 억제하면 활성산소종의 생성도 감소한다는 것을 확인했다.

뿐만 아니라 TLR5의 활성화로 생긴 염증반응도 현격히 저하된다는 사실을 사람과 쥐의 코 점막상피세포에서 입증했다.

이번 연구결과는 코 점막 상피세포에서 활성산소종의 생성을 조절해 염증을 완화할 수 있음을 보여주는 첫 사례이다.

또한 세균감염으로 염증이 생긴 환자의 조직에서 듀옥스2의 발현이 현격히 증가했음을 확인했는데, 이것은 듀옥스2에 의해 생성된 활성산소종이 코 점막 염증질환을 치료할 수 있는 중요한 인자임을 보여주는 결과라고 할 수 있다.

이는 활성산소종의 기능이 노화, 세포사멸 뿐만 아니라 선천적 면역반응과 그에 따른 염증반응에도 중요한 신호인자로 작용할 수 있음을 보여준다.

윤주헌 교수는 "최근 전 세계적으로 이슈가 된 사스(SARS, 중증 급성 호흡증후군)와 황사로 인한 호흡기 질환이 증가하고 있지만, 현재까지 안전하면서 구체적인 치료법이 개발되지 못하고 있다"고 환기시켰다.

이어 윤 교수는 "활성산소종을 생성하는 핵심 효소의 발견과 염증 조절 메커니즘의 규명은 호흡기 감염질환의 새로운 치료법과 예방법을 개발하는데 새로운 가능성을 제시한 의미 있는 연구 결과"라고 밝혔다. 연세의대 윤주헌, 주정희 교수팀과 이화여대 배윤수 교수팀이 공동으로 진행한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업(SRC)의 지원으로 수행되었고,
(논문명: Dual Oxidase 2 is Essential for the Toll-Like Receptor 5-Mediated Inflammatory Response in Airway Mucosa)
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붙임 1. 연구결과 개요
2. 용어설명
3. 사진 설명
4. 연구진 이력사항

문의처 : 연세대학교 의과대학 윤주헌 교수 (02-2228-2003)
연세대학교 생체방어연구센터 주정희 연구교수 (02-2228-2776)
한국연구재단 전략홍보실 정책홍보팀 조은혜 선임연구원 (042-869-6116)


연 구 결 과 개 요


Dual Oxidase 2 is Essential for the Toll-Like Receptor 5-Mediated Inflammatory Response in Airway Mucosa
(Dual Oxidase는 TLR5에 의해 매개되는 호흡기 점막의 염증반응에 중요하다)
대부분의 호흡기 질환은 외부로부터 유입 물질들에 대한 호흡기의 점막 상피 세포의 면역반응에 의한 염증에 기인한다. 세균 또는 바이러스와 같은 다양한 미생물 또는 알레르기 유발 물질들은 항상 외부로 개방된 호흡기의 점막에 다양한 면역 반응을 유발할 수 있고, 이에 의해 과도하게 염증 반응이 진행되면서 호흡기 질환이 발병될 수 있으며 이러한 점막 상피 세포에서 면역반응에 의한 염증을 조절함으로써 효과적으로 예방 또는 치료할 수 있다.
Toll-like receptors (TLRs)는 선천적 면역반응 (innate immune response)에 있어서 중요한 역할을 하는 막 단백질로, 지금까지 13가지 종류의 TLR 이 지금까지 알려졌다. 그중에서 TLR5는 flagellin protein을 인지하여 세균 감염 시 일차적인 선천면역반응을 이끌어 내는 중요한 역할을 한다. 반면 활성산소종 (Reactive oxygen species)은 다양한 외부자극에 의해 세포막에 위치하는 NAD(P)H oxidase라는 효소를 통해 생성되는 물질로 세포의 성장, 분화, 사멸 등의 조절에 있어서 중요한 이차신호전달 물질로 작용한다. NAD(P)H oxidase에 대한 활발한 연구가 진행된 결과 다양한 유사체가 존재함이 보고되었다. 이중 하나인 DUOX계열 효소들은 호흡기 상피세포에서 다른 이종효소에 비해 월등히 많은 양이 존재한다.
이번 연구를 통해 사람의 코 점막 상피세포에서 TLR5의 특이적 ligand인 flagellin 단백질이 유도하는 활성산소종 생성은 Dual oxidase2 (Duox2)의 활성화에 기인하며 이 과정은 세포내 Ca이온의 이동에 의해 조절됨을 밝혔다. 또한 본 연구진은 유전적 조작으로 Duox2 유전자의 정상적 발현이 억제시켜 일차배양 된 사람의 비강상피세포와 Duox2 유전자 변형 마우스의 비강 점막 조직에서 flagellin 에 의해 유도되는 염증성 싸이토카인의 분비와 염증세포의 침윤현상이 현저히 억제됨을 확인하였다. 세균감염에 기인한 염증 증상이 진행된 환자조직에서 정상조직에 비해 Duox2의 발현이 현저히 높은 것을 확인하였다. 이러한 결과들은 Flagellin에 의해 생성되는 활성산소종은 Duox2가 그 생성 주체며 TLR5에 의해 매개되는 선천면역과 염증반응 조절에 핵심적인 역할을 한다. 이와 같은 일련의 신호전달 기작의 발견은 호흡기에서 미생물 감염에 의해 발생하는 염증질환의 효과적 치료 기술 구축 및 신약 후보물질 도출에 중요한 자료가 될 것이다.



용 어 설 명


1. ARS(Antioxidant and Redox Signaling)지
○ 건강과 질병을 조절하는 redox signaling(산화/환원 신호전달) 원리연구를 다루는 SCI저널로, redox 관련 기반 치료제 및 유전자, 약리, 영양에 관한 폭넓은 영역을 주제로 하며, 특히 첨단 연구분야인 구조 생물학, 줄기 세포, 재생 의학, 후성유전학(epigenetics), 영상, 임상 결과와 예방 및 치료 영양 등을 다룸 (Latest Impact Factor is 8.209)

2. 점막상피세포
○ 상피세포 사이는 단단한 결합구조를 이루고 있어서 물질 및 병원체 통과의 장벽을 이루고 있고, 점막 상피세포는 mucin, trypsin 등의 방어 물질을 분비하고 있으며 이를 통해 외부에서 침입한 병원체, 항원 등을 기계적, 화학적으로 제거하는데, 이들이 과도하게 분비되거나 부족하게 되면 만성폐쇄성 폐질환, 천식, 중이염, 각막질환, 만성췌장염, 낭포성섬유증, 설사 질환 등 다양한 신체 질환을 일으키게 됨

3. Toll- like receptor (TLR)
○ 우리 몸을 방어하는 면역 시스템은 선천적 면역과 후천적 면역 두 가지가 있는데, 선천면역반응 (innate immune response)은 특히 외부 환경과 인체 방어막의 경계면인 상피세포막에서 각각 특수한 선천 면역 요소들을 통해 각자 특징적인 생체 방어 체계를 구성하고 있다. 미생물감염 등 여러 외부 자극을 인지하기 위하여 상피세포의 표면에는 외부 pathogen의 분자패턴을 인식하는 pattern recognition receptors인 Toll-like receptor (TLRs) 가 발현되며, 선천면역을 유도하는 동물면역체계의 최전선 기지 역할을 담당한다.

4. 활성산소종
○ 최근 많은 연구들에 의하면 활성 산소종은 단순히 호흡과정에서 생성되는 부산물로 알려져 왔으나, 최근 외부자극과 세포막 수용체를 통하여 세포막에 위치해 있는 NAD(P)H oxidase에 의해 특정지역에 일시적으로 생성되는 낮은 농도의 활성산소종은 세포 성장, 분화, 사멸 등의 세포기능을 조절하는 새로운 개념의 세포신호전달의 이차전달물질 (second messenger) 의 기능을 수행한다.

사 진 설 명




그림 A. Duox2의 유전자 발현을 선택적으로 억제 시킨 세포주 (DUOX2 ShRNA)에서는 flagellin에 의해 생성되는 활성산소종의 생성이 억제되는 것을 확인하였다 이는 flagellin에 의하여 생성되는 활성산소종의 생성기구가 Duox2임을 알 수 있다.

그림 B. Duox2 유전자를 변형시킨 돌연변이 마우스 (Duox2 -/-) 에서는 정상 쥐에 비해 flagellin에 의하여 유도되는 염증세포의 침윤이 현저히 저하됨을 볼 수 있다.




그림 C. 세균감염으로 염증소견을 보이는 비염환자의 조직 (sinusitis)에서 Duox2 유전자의 발현이 정상자 (Normal control)에 비해 증가되어 있는 것을 확인하였다.















(사진설명) 주정희 교수(오른쪽 뒤)가 홍수현 연구원과 함께 사람의 코 점막상피세포를 배양하고 있다.