세포노화와 수명연장에서의 시르투인의 역할
1. 개요
시르투인(Sirtuin)은 Deacetylation 효소 활성을 갖는 단백질로서 지난 20여년간 많은 연구를 통해 세포의 노화를 지연시키고 개체의 수명을 증가시키는 인자로 잘 알려져 있다. 시르투인에 의한 이러한 노화 억제 효과는 텔로미어의 감소 억제와 유전제 완전성 유지, DNA 수선 향상 등을 통해 이루어 진다고 밝혀지고 있다. 뿐만 아니라 인슐린 신호와 AMPK, FOX 신호 전달 과정을 통해 노화 지연이 이루어 진다고 제시되고 있으며 그 발현량에 따라 노화에 영향을 주고 식이제한에 의한 수명연장도 시르투인을 통한다는 결과들이 제시되고 있다. 이를 바탕으로 시르투인을 조절하는 약물을 개발하여 수명을 조절하고 노화에 따른 질병을 치료하려는 연구도 이루어지고 있다. 하지만 한편으로는 노화에 대한 시르투인의 영향에 대한 논란이 존재하고 있다. 여기서는 노화와 수명 연장에 대한 시르투인의 영향에 대한 연구 결과들을 정리하고자 한다.
2. 주요 내용
시르투인은 NAD+(nicotinamide dinucleotide) 의존적 deacylase들로 노화와 관련된 질병을 억제하고 노화를 회복시킨다고 연구되고 있다. 시르투인은 DNA 수정, 지방 분화, 포도당 분비, 인슐린 감수성, 지방산 산화, 신경세포생성, 염증반응, 노화 등 다양한 생명활동에 참여하는 것으로 밝혀졌다. 효모에서 SIR2가 염색체에서 벗어난 DNA (extrachromosomal DNA) 고리의 형성을 감소시키면서 30% 가까이 수명을 연장시킴이 밝혀지면서 이와 유사한 아미노산 배열을 갖는 시르투인이 수명연장 조절 단백질로서 주목을 받게 된다. 시르투인의 주요한 활성을 deacetylation이며 O-ADP-ribosylation, demalonylation, desuccinylatin, deproprionylation의 활성도 가짐이 제시되었다.1
하나의 시르투인을 가지는 단세포인 효모와 달리 다세포 동물들에서는 여러 개의 시르투인들이 발견되었다. 예쁜꼬마선충에서는 4개의 시르투인 sir-2.1, sir-2.2, sir-2.3, sir-2.4가 발견이 되었으며 sit-2.1이 가장 효모의 SIR2와 유사했다. Sir-2.1은 진피, 근육, 장 세포와 머리의 신경세포에서 발현이 되었으며 충분한 양분이 있었을 때 부분적으로 핵에 존재하며 영양분이 부족한 상황에서는 장과 근육에서 핵으로 모이는 것으로 확인되었다. 초파리에는 5개의 시르투인(dSirt1, dSirt2, dSirt4, dSirt6, dSir7)이 있으며 dSirt2가 효모의 SIR2와 가장 유사하다. 이들은 신경세포와 fat body의 핵과 세포질에서 높은 발현을 보인다. 최근의 연구에서 dSirt4가 미토콘드리아로 가는 신호서열을 가지고 있음이 밝혀졌다. 하지만 dSirt4가 제거된 경우에도 파리는 건강하며 미토콘드리아의 호흡기능에도 영향은 없었다. 포유동물에는 7개의 시르투인이 존재하며 서로 다른 효소적 활성과 세포내 위치를 가지고 있다. SIRT1은 효모의 SIR2와 가장 유사한 아미노산 서열을 가지며 주로 핵에 존재하고 세포질과 핵을 오간다. SIRT2는 주로 세포질에 존재하며 체세포 분열시 염색질(chromatin)에 결합한다. SIRT3는 미토콘드리아에 존재하며 DNA 손상과 같은 스트레스 상황에서 핵으로 이동한다. SIRT4와 SIRT5도 미토콘드리아에 존재하며 SIRT6와 SIRT7은 핵의 heterochromation 부위에 주로 존재한다. SIRT4와 SIRT6의 주요 활성은 ADP-ribosylation이며 SIRT5는 demalonylation과 desuccinylation 활성을 가진다.
2.1. 시르투인의 노화억제 효과
세포노화는 세포 주기가 영원히 멈추는 생리적인 현상으로 형태적으로 평평해지고 핵과 핵소체의 크기가 커지고 세포질에 액포(vacuoles)가 나타난다. b-galactosidase(SA-b-gla), 텔로미어의 감소, heterochromatic foci, G1기에서의 세포 주기 정지, DNA 손상에 따른 ATM, p53, p16, p21의 증가가 세포노화에 의해 나타나며 이들이 세포노화를 확인하는 방법이 된다. 세포노화는 젊은 개체에서는 스트레스에 의해 이상이 발생한 세포들의 축적을 막아주는 역할을 하는 한편 나이든 개체에서는 노화에 따른 질병 유발을 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 개체가 나이 듦에 따라 세포노화가 일어난 세포의 수가 증가하게 된다.
아직은 여러 논란이 존재하지만 시르투인이 세포노화를 늦추고 개체의 수명을 연장시키는 가장 중요한 인자 중 하나일 것으로 예상되고 있다. 특히 SIRT1과 SIRT6에 대한 연구를 통해서 세포노화에 대한 시르투인의 영향이 많이 연구되었다. SIRT2를 제외한 포유동물의 시르투인은 세포노화에 따라 발현이 감소하는 것으로 알려졌다. SIRT1가 SIRT6에 대한 억제제와 siRNA, miRNA 처리는 이들의 활성을 줄이면서 이른 세포노화를 촉진하게 된다. 역으로 SIRT1과 SIRT6를 과발현 시키면 세포노화가 억제가 된다. 이러한 결과들은 시르투인이 세포노화를 억제함을 보여준다.
시르투인에 의한 세포노화의 억제는 주로 DNA 손상 회복의 촉진과 텔로미어 감소 억제를 통해 이루어진다. 시르투인은 DNA 손상과 수리에 반응하고 정상적인 염색질의 응축을 유지함으로써 게놈의 완전성을 확보하고 노화를 늦추게 된다. 특히 핵에 존재하는 SIRT1, SIRT6, SIRT7이 염색직의 구조를 안정화시켜 유전자 발현을 억제하는 전사조절인자로 작용하게 된다. SIRT1은 히스톤 -H3, -H4, -H1, DNMT1, 전사인자들, DNA 수선 단백질 등 50개 이상의 단백질들을 deacetylation 시킨다. 초파리의 dSir2도 염색질의 silencing에 대한 후생학적 유전에 관여하며 dSir2의 돌연변이는 위치 효과 다각화(Position-effect variegation)라고 알려진 이질염색질에 의한 silencing 현상의 저하를 가져온다. SIRT1과 SIRT6는 텔로미어의 연장에 필요한 텔로미어 역전사효소의 발현을 조절하고 히스톤 H3K9와 H3K56을deacetylation함으로써 텔로미어 완전성을 유지하는 것으로 알려졌다. SIRT1과 SIRT6는 DNA 손상부위로 이동하여 PARP1, Ku70, NBS, WRN helicase 등을 deacetylation 함으로써 DNA 손상 회복을 촉진한다. 더욱이 시르투인은 FOXO, NFkB, p53과 같은 여러 신호전달 인자들을 deacetylation 시키고 세포노화를 조절하게 된다. SIRT1은 FOXO3, FOXO4, p53을 통해 종양유전자와 스트레스에 의한 세포노화를 억제하고 SIRT6는 NFkB의 RelA의 발현을 조절하게 된다.
시르투인은 줄기세포의 노화도 조절하는데 이는 줄기세포의 self-renewal 유지에 중요하다. 배아줄기세포에서 SIRT1의 발현은 높으며 분화가 되면서 miRNA에 의한 전사후 조절에 의해 발현이 감소하게 된다. SIRT1의 감소는 DNA 손상을 증가시키고 조혈모세포와 내피세포 전구세포에서 노화 현상을 일으키게 된다. 반면에 SIRT1을 과발현 시키면 뼈 유래 중간엽 줄기세포의 노화를 늦추게 된다. SIRT3 또한 조혈모세포에서 높게 발현이 되며 미토콘드리아 기능과 ROS 스트레스 조절을 통해 노화를 억제한다고 제시되었다.
2.2. 시르투인과 개체 수명
여러 동물 모델에서 수명 연장에 대한 시르투인의 영향에 대해 연구가 이루어졌다. 효소와 예쁜꼬마선충, 초파리, 마우스에서 시르투인의 발현 증가는 수명을 증가시켰다. 시르투인에 의한 개체의 수명 증가는 효모를 이용한 연구로 SIR2/3/4 복합체가 HM loci를 silencing하고 a/α mating type 유전자의 동시발현을 막음으로써 수명을 배로 증가시킴을 확인 했다. SIR2는 독성이 있는 리보좀 DNA 고리의 재조합과 형성을 억제함으로써 단독으로도 수명을 연장 시켰다. SIR2의 이러한 수명연장 효과는 상위개체들에서도 확인이 되었으며 미토콘드리아 기능 조절, 염증 억제, 게놈 안정성 조절 등을 통해 수명 연장 효과를 나타내었다. 초파리에도 dSir2의 과발현은 수명을 증가시켰고 dSir2의 제거는 수명을 단축시켰다. 특히 신경세포 전체와 fat body에서 과발현된 경우 수명을 증가시켰지만 운동 신경 세포와 근육세포에서 과발현 시킨 경우에는 수명을 증가시키지 않았다. 마우스에서는 뇌하수체에서 SIRT1을 특이적으로 과발현 시켰을 때 수명이 증가함을 확인했다. 이는 시르투인의 수명 연장 효과가 조직 특이적임을 보여준다.
SIRT1을 제외한 다른 시르투인들도 수명연장 효과가 있음이 제시되었다. SIRT6이 과발현된 마우스의 수명이 증가하였으며 SIRT6와 SIRT7이 제거된 마우스는 수명이 감소하였다. SIRT3는 유럽을 장수인구에서 polymorphism이 보고되었다. dSirt4는 초파리에서 몸 전체와 fat body에서 과발현 되었을 때 수명을 연장시키고 기아에 저항성을 가짐이 보고되었다. 공복시 dSirt4의 발현이 fat body에서 증가하고 dSIrt4가 없는 경우 생식능력과 운동성, 수명이 모두 감사하였다.
시르투인의 이러한 효과들은 AMPK, 인슐린/IGF-1, mTOR, FOXO 신호전달 과정을 통해 이루어지는 것으로 밝혀지고 있다. FOXO 전사 인자는 가장 유력한 시르투인의 작용점으로 예쁜꼬마선충에서 sir-2.1에 의해 수명이 증가할 때 FOXO homologue인 daf-16에 의존적임이 제시되었다. Daf-16을 제거하면 sir-2.1 과발현에 의한 효과가 사라지게 된다. 열 스트레스를 받으면 daf-16과 Sir-2.1이 물리적으로 상호작용하게 되고 sir-2.1이 감소하면 Daf-16의 핵으로의 이동에는 영향을 주지 않지만 Daf-16의 표적 유전자의 활성이 억제된다. 역으로 초파리에서는 dFOXO에 의한 수명 증가가 dSir2에 의존적임이 제시되었다. Fat body에서 활성상태의 dFOXO가 과발현 되었을 때 수명이 증가하는데 dSir2가 RNAi에 의해 감소하면 그 효과가 사라졌다. FOXO는 인슐린/IGF-1 신호의 주요한 인자이며 인슐린/IGF-1 또한 시르투인에 의한 수명연장에 관여하고 있다. Sir-2.1과 Daf-16의 직접적인 상호작용에서 인슐린 유사 수용체인 daf-2의 발현이 감소하면 상호작용이 일어나지 못한다. 또한 daf-2 돌연변이에 의해 수명이 증가한 경우 sir-2.1에 제거되어도 수명에 영향을 미치지 않고 daf-2가 제거되면 sir-2.1이 과발현 되어도 수명이 증가하지 않는다. 포유류에서도 인슐린/IGF-1와 시르투인의 관계는 많이 연구가 되었다. SIRT1-p53 경로가 IGF-1에 의해 조절이 되고 IGF-1에 의한 DNA 수선이 SIRT1에 의존적임이 제시되었다. SIRT6 도입 마우스는 IGF1의 혈중 농도가 감사하고 IGFBP1의 발현이 증가하며 IGF1 신호 인자들의 인산화 정도가 변하게 된다. SIRT6 도입에 의한 수명 연장이 지방에서의 IGF1 신호 억제에 의해 이루어지며 male 특이적으로 나타난다.2
AMPK 신호경로도 수명과 관련되어 있음이 잘 알려져 있다. AMPK 신호의 증가는 수명을 증가시킨다. 예쁜꼬마선충에서 AMPK(aak-2)의 돌연변이는 sir-2.1 과발현에 의한 수명증가를 반감시키며 이는 시르투인의 수명연장이 AMPK를 경유함을 나타낸다. SIRT1은 LKB1을 직접적으로deacetylation 시킨으로써 AMPK를 활성화시키며 AMPK 또한 NAD+의 양을 증가시키며 SIRT1을 활성화시킨다. AMPK는 인슐린/IGF-1 경로와도 상호작용하며 수명을 조절하게 된다. 이외에도 여러 인자들이 시르투인에 의한 수명연장에 관여하고 있다. 예쁜꼬마선충에서는 14-3-3, kat-1, hcf-1, cts-1이 관련되어 있다. 14-3-3은 여러 단백질들의 세포 내 위치 조절에 관여하는 단백질로 Sir-2.1과 직접적으로 결합하며 14-3-3을 구성하는 par-5와 ftt-2에 돌연변이가 있으면 sir-2.1에 의한 수명 연장 효과와 DAF-16의 활성화를 억제하게 된다. Kat-1은 돌연변이가 생겨 기능을 잃으면 조기 노화를 일으키며 sir-2.1 과발현에 의한 효과를 억제한다. FOXO의 억제인자인 hcf-1은 sir-2.1의 하위 인자로 수명조절에 참여하고 있다. Sir-2.1의 수명연장 효과는 미토콘드리아의 UPR(unfolded protein response)에 의존성을 보이며 미토콘드리아의 기능을 조절하는 cts-1, fzo-1, hsp-6, ubl-5등에 의해 영향을 받게 된다.3
2.3. 시르투인에 의한 수명 연장에 대한 논란
많은 증거들이 시르투인에 의한 세포노화 억제와 수명 연장을 보여주고 있지만 여러 보고들에서는 시르투인의 역할에 대해 의문을 제기하고 있다. 시르투인 과발현 연구에 사용된 예쁜꼬마선충인 geln3를 이종교배시키면 시르투인의 효과가 없어진다는 보고가 있다. 이는 시르투인 과발현 연구가 유전적 배경을 제대로 안정화 시키지 않아서 나타난 결과라 주장했다 하지만 다른 연구그룹에서는 이종교배에서도 시르투인에 의한 수명 증가가 나타남을 보였다. 유전적 배경에 대한 연구결과가 초파리에서도 제시되었으며 대조군에 문제가 있음에 제기 되었다. 한편, fat body에서의 dSir2의 감소가 수명에 영향을 주지 않았다. 한편 시르투인의 발현정도에 따라 정반대의 모순적인 결과들이 보고 되었다. 초파리에서 dSirt2가 2~11배로 약하게 과발현된 경우 수명이 증가했지만 45배로 강력한 과발현은 오히려 수명을 단축시켰다. 마우스에서도 SIRT1이 3~4배로 약하게 과발현 되면 항산화 효소의 양을 증가시키며 노화에 따른 심장 비대를 막았지만 12배 이상의 과발현에서는 산화적 스트레스를 오히려 증가시켜 심장 비대를 촉진 했다.
2.4. 식이제한과 시르투인
식이제한은 많은 동물 모델에서 수명을 연장시킨다고 알려져 있다. 일부 논란이 있으나 시르투인이 식이제한에 의해 증가하고 그 결과 수명연장과 노화 관련 질환의 감소가 나타나는 것으로 생각되고 있다. 식이제한은 시르투인의 발현을 증가시키고 활성화 시킨다. 식이제한은 AMPK 신화를 증가시키고 NAD+의 양을 늘린다. 예쁜꼬마선충에서 공복은 sir-2.1의 발현을 신경세포를 제외하고 장과 근육세포에서 증가시켰다. 초파리에서도 저칼로리 음식에 의해 dSir2의 발현이 증가한다. 포유류에서는 SIRT4를 제외하고 시르투인들이 식이제한에 의해 증가한다. 백색지방과 골격근, 신장, 뇌, 장에서 SIRT1의 발현이 증가한다. 간에서는 증가한다는 보고와 감소한다는 보고가 모두 있다. SIRT6는 식이제한에 의해 증가한 SIRT1, FOXO3a, NRF에 의해 간접적으로 증가하게 된다. SIRT3는 식이제한에 의해 근육, 백색지방, 간 등 여러 조직에서 증가한다.
한편 시르투인의 부재는 식이제한에 의한 수명증가를 억제한다. 효모에서 SIR2가 없으면 식이제한에 의한 수명증가 효과가 나타나지 않으며 시르투인 기능에 중요한 NAD+ 순환에 필요한 PNC1을 제거한 경우에도 수명증가가 제한되었다. ad465, ad113, 과 같이 흡수에 문제가 있어 식이제한이 이루어지는 예쁜꼬마선충 eat-2 계통에서 sir-2.1의 돌연변이는 수명연장 효과를 막았다. 하지만 좀더 심한 식이제한을 겪게 되는 ad116에서는 sir-2.1의 돌연변이가 영향을 주지 않았다. 초파리에서는 dSit2가 식이제한에 부분적으로 참여함이 제시되었고 포유류에서도 시르투인이 식이제한에 의한 수명증가에 관여함이 제시되었다. SIRT1 넉아웃 마우스에서 식이제한에 의한 대사반응이 잘 나타나지 않으며 운동량의 증가도 나타나지 않고 수명증가 효과도 나타나지 않는다. SIRT3 넉아웃은 식이제한에 의한 산화적 스트레스와 손상을 증가시킨다. 하지만 시르투인이 식이제한에 의한 수명증가에 영향을 주지 않는 다는 보고들 또한 많이 존재한다. 효모의 gpa2Δ아 hsk2Δ에 의한 식이제한 모델에서는 SIR2가 영향을 주었으나 fob1Δ에서는 영향을 주지 않았다. 예쁜꼬마선충에서는 eat-2와 같은 유전적 형질에 의한 식이제한 모델에서는 시르투인이 영향을 미치나 음식을 제한하는 경우에는 sir-2.1이 영향을 주지 않았다. 초파리에서도 dSir4.5, dSir17 돌연변이가 식이제한에 의한 수명 증가에 영향을 미치지 않았다. 이러한 원인으로는 계통, 유전적 배경의 차이, 시르투인간 상보적 작용 등 여러가지가 제시되고 있다.
3. 결론
지난 20여년간 시르투인에 의한 세포노화 억제와 수명 연장이 활발히 연구 되었고, 노화억제와 노화에 의한 질병 치료의 표적으로서 제시가 되었다. 실제 이를 표적으로 하여 질병을 치료하고자 시르투인을 활성화 시키는 인자들이 발굴이 되었으며 와인에 많이 들어 있다는 레스베라드롤 등이 시르투인 활성화제로 제시되었다. 실제 여러 물질들이 임상단계에 까지 가있으며 암, 퇴행성뇌질환, 심혈관질환, 당뇨 등 다양한 병에 적용이 되고 있다.4 하지만 아직까지도 시르투인의 효과에 대한 의문과 시르투인의 deacetylation 이외의 효소활성이 미치는 영향 등과 같은 밝혀야 할 과제들이 존재하고 있으며 더욱 활발한 연구가 이루어 져야 할 것이다.
References
1 Lee, S. H., Lee, J. H., Lee, H. Y. & Min, K. J. Sirtuin signaling in cellular senescence and aging. BMB Rep 52, 24-34 (2019).
2 Kanfi, Y. et al. The sirtuin SIRT6 regulates lifespan in male mice. Nature 483, 218-221, doi:10.1038/nature10815 (2012).
3 Mouchiroud, L. et al. The NAD(+)/Sirtuin Pathway Modulates Longevity through Activation of Mitochondrial UPR and FOXO Signaling. Cell 154, 430-441, doi:10.1016/j.cell.2013.06.016 (2013).
4 Bonkowski, M. S. & Sinclair, D. A. Slowing ageing by design: the rise of NAD(+) and sirtuin-activating compounds. Nat Rev Mol Cell Biol 17, 679-690, doi:10.1038/nrm.2016.93 (2016).