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비알코올성지방간에서의 후성유전학적 조절자들의 역할과 치료 전략

 

이윤경, yunkyeonglee25@gmail.com

숙명여자대학교 생명시스템학과

 

 

Key words

NAFLD, Therapeutic strategies in NAFLD, Epigenetics, Epigenetic regulators

비알코올성지방간, 비알코올성지방간의 치료 전략, 후성유전학, 후성유전학적 조절자들

 

1. 개요

1.1. 비알코올성지방간이란?

비알코올성지방간(Non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)는 전 세계 인구의 20-40%가 가지고 있을 정도로 매우 흔한 간 질환(Liver disease)이며, 비만, 제2형 당뇨병(Type II diabetes), 고지혈증(Hyperlipidaemia), 고콜레트세롤혈증(Hypercholesterolaemia), 고혈압(Hypertension), 대사증후군(Metabolic syndrome) 등 다른 대사 질환과 동시에 가지고 있을 확률이 높다. 이 때문에 최근에 전문가들은 대사조절장애관련지방간(Metabolic dysfunction-associated fatty liver disease, MAFLD)라고 바꿔부를 것을 제안하며 논의 중에 있다.

비알코올성지방간은 알코올 섭취(알코올 과다 섭취에 의해 간에 지방이 축적되는 질환은 알코올성지방간)나 바이러스(Hepatitis B/C virus) 감염이 없이도 간에 지방이 5% 이상 축적되는 질환을 의미하며, 고지방 식이와 같은 서구화된 식습관과 좌식 생활에 의한 운동 부족 등이 원인으로 지목되고 있다. 초기에는 단순지방증(Simple steatosis)로 시작하여, 그 중 20-30%는 염증 반응이나 간조직 손상 등이 동반되는 지방간염(Non-alcoholic steatohepatitis, NASH)으로, 더 심해지면 간조직이 정상조직보다 비정상조직이 많아져서 제 기능을 하지 못하고 딱딱하게 변하는 간섬유화(Fibrosis)와 간경화(Cirrhosis)로 이어지며, 최종적으로 간암(Hepatocellular carcinoma, HCC)으로 발전할 수 있다. 뿐만 아니라 심혈관계 질환(Cardiovascular diseases), 만성신장질환(Chronic kidney disease), 여러 종류의 암과 같은 다양한 질환으로 이어질 수가 있다.

비알코올성지방간은 여러 대사 질환과 동반되거나 다른 질병을 유도할 수 있어서 주의를 요하는데, 단순지방증과 지방간염은 앞단계로 되돌릴 수 있지만 식이 조절, 운동 등을 통한 생활 습관 교정이나 비만 치료와 같은 방법을 제외하고는 아직 FDA에 의해 승인된 치료 약이 없다. 또 섬유화부터는 되돌릴 수가 없고 간 이식 외에는 치료 방법이 존재하지 않는다. 지금까지 이 질환에 대한 연구가 많이 이루어져 왔지만 정확한 메커니즘이나 치료 방법에 대해서는 더 많은 연구가 필요한 실정이다.

 

1.2. 후성유전학적 조절자들

최근에 DNA 염기서열은 변하지 않으면서 유전자 발현은 변하는 것을 연구하는 후성유전학(Epigenetics)에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있고, 수많은 질병에서의 원인과 치료 전략을 찾는 것에 후성유전학적 관점과 적용이 각광받고 있으며, 관련 논문들의 수가 큰 폭으로 증가하고 있다. 후성유전학적 변화는 유전자와 환경의 상호작용에 의해 벌어지는 경우가 많으며, 주로 음식물, 독성 물질, 스트레스 등에서 기인한다. 후성유전학적으로 유전자 발현을 조절하는 것에 역할을 하는 요인들을 후생유전학적 조절자들(Epigenetic regulators)라고 한다. 이 조절자들에 의해 후성유전학적 변화들을 획득하게 되는 것이다. 또한 이렇게 획득한 변화들이 후속 세대에 유전된다.

후성유전학적 조절(Epigenetic regulation)에는 염색질 재구성(Chromatin remodelling), DNA 메틸화(DNA methylation)와 히스톤 단백질 변형(Histone modification), 마이크로 RNA와 같은 비번역 RNA(Non-coding RNAs, ncRNAs) 등이 있다. 히스톤 단백질 변형은 번역후 변형(Post-translational modifications)이라고도 부르며, 메틸화(Methylation), 아세틸화(Acetylation), 인산화(Phosphorylation), 유비퀴틴화(Ubiquitylation), 수모화(SUMOylation) 등이 있다. 히스톤 단백질의 아미노산 잔기에 변형이 일어나며, 이런 변형을 일으키는 효소와 다시 변형을 없애는 효소가 모두 존재한다. 이러한 변화에 의해 유전자의 발현이 활성화되기도 하고 반대로 억제되기도 한다. 예를 들면, 히스톤 탈메틸화 효소인 LSD1(Lysine-specific demethylase 1)은 유전자의 프로모터 부위의 히스톤 단백질 3의 라이신 잔기 4에 붙어있는 메틸기(Methyl group)을 떼어내어 유전자 발현을 억제하고, 라이신 잔기 9에 붙어있는 메틸기를 떼어내어 유전자 발현을 활성화시킨다.

 

2. 주요내용

2.1. 비알코올성지방간을 유발하는 후성유전학적 변화들

물질대사를 담당하고, 인체 내에서 가장 큰 조직인 간은 간세포(Hepatocytes), 간 성상세포(Hepatic stellate cells), 간 대식세포(Liver macrophages) 등 여러 종류의 세포로 구성되어 있지만간세포가 대부분을 차지한다. 각 세포마다 후성유전학적 변화들의 패턴이 다르게 나타나고, 이 변화들이 비알코올성지방간의 병증을 유발하는 데에 중요한 역할을 한다.

비알코올성지방간은 간세포에서의 메틸화가 변형되어 있다고 보고된 경우가 많다. 고지방 식이를 먹여 비알코올성지방간을 유도한 마우스 모델에서 히스톤 메틸화와 이 과정에서 역할을 하는 단백질이 줄어들어 있음을 확인하였다. 또 다른 연구에서는 당과 지방 대사를 조절하는 단백질의 아세틸화의 정도가 변했을 때, 지방 항상성이 깨지고, 따라서 혈중 지방 농도가 높아지고, 지방간이 생기는 것을 밝혔다.

이외에도 non-coding RNA들의 조절 역시 후성유전학적 조절에 포함되는데, non-coding RNA의 일종인 miRNA는 전사 단계와 전사 후 단계에서 유전자 발현을 조절한다. miRNA에 의한 유전자의 발현 패턴의 변화는 지방의 지방 흡수(Lipid uptake), 신생 지방 합성(De novo lipogenesis), 지방 산화(Lipid oxidation), 간에서의 지방 배출(Hepatic lipid export), 세포 사멸(Apoptosis), 세포 증식(Cell proliferation), 섬유화(Fibrosis) 등과 같은 중요한 대사 경로를 포함해 비알코올성지방간의 병증 유발과 관련된 다양한 조절 경로를 바뀌게 한다.

간 대식세포는 비알코올성지방간에서의 염증반응이나 섬유화에 중대한 역할을 한다. 간 대식세포의 분화에 영향을 끼치는 여러 유전자들에게 벌어지는 후성유전학적 변화들이 섬유화를 촉진하기도 하고 항상성을 유지하는 것에 도움을 주기도 한다.

마지막으로 간 성상세포가 활성화되는 것은 간 섬유화가 일어날 때 주요한 현상이다. 그 후에 간 성상세포의 운명이 바로 후성유전학적 조절에 의해 조절된다. 최근 한 연구에 따르면 한 유전자의 인산화 여부가 간 성상세포의 증식을 증가시키고 섬유화를 유발한다고 한다. 또한 간 섬유화가 벌어질 때의 DNA의 메틸화의 변이를 확인했을 때, 저메틸화가 섬유화의 시작 단계와 진행에 매우 중요함을 알 수 있었다.

 

2.2. 비알코올성지방간을 유발하는 후성유전학적 기작

비알코올성지방간을 유발하는 후성유전학적 변화에 대한 기작에 대해서도 많은 연구가 이루어져 오고 있다. 비알코올성지방간은 주로 유전체와 환경 요인들 간의 다양한 상호 작용에 의해 영향을 받는데, 특히 섭취하는 음식물에 의해 유전자가 조절되어 비알코올성지방간이 시작된다. 주로 고지방 식이에 의해 질병이 발병되는데, 이때 어떻게 DNA와 히스톤 단백질이 변형되어 후성유전학적 변화를 획득하게 되는 것일까? 여러 연구에 따르면 후성유전학적 조절자들이 세포 중간 대사에 의해 만들어지는 식이 인자와 보조인자들을 감지해서 이런 변화들에 세포가 적응할 수 있도록 유전자의 스위치를 켜고 끄는 것이다.

비번역 RNA(ncRNA)의 경우에는 마이크로 RNA(microRNA, miRNA)가 가장 잘 연구되어져 있는데, miRNA의 발현이 잘못 조절되는 것이 비알코올성지방간을 포함한 여러 대사 질환의 발병을 개시한다는 것이 많은 연구들을 통해 밝혀져있다. 따라서 혈장 내에서 miRNA의 발현의 특성을 확인하는 것은 단순 지방증, 비알코올성지방간염, 섬유화, 심지어 간암까지 여러 종류의 간 손상을 확인할 수 있는 바이오마커로 사용할 수 있다.

DNA 메틸화를 설명하자면, DNA의 CpG sites (5’-C-phosphate-G-3’), 즉 cytosine nucleotide 다음에 guanine nucleotide가 위치하는 부위를 말하며, 유전자의 프로모터 부위에 많이 존재하는데, 이를 CpG island라고 부른다. CpG의 cytosine이 DNA 메틸화 효소에 의해 메틸화되어 5-methylcytosine이 되어 있는 경우가 많고, 인간 유전체에서 70-80%의 CpG가 메틸화되어 있다. 비알코올성지방간에서 간에서의 DNA 메틸화에 변화가 확인되었고, 이런 변화는 고지방 식이를 한 엄마 쥐가 낳은 새끼들에게까지 이어져 새끼들 역시 지방간염이나 섬유화가 일어나기 쉽다는 것이 밝혀져 있다.

예시를 들면, 후성유전학적 변화가 지방 합성 조절에 중요한 역할을 하는 PPARγ를 조절할 수 있는데, 고지방 식이로 인해 간에서 PPARγ이 과발현되면 지방의 축적으로 이어지고, 이어서 비알코올성지방간이 발병된다. 이때, Pparγ 프로모터 부위에 DNA 메틸화가 변해있고, 이것이 간에서의 지방 축적을 증가시킨다는 보고가 있다. 이 외에도 Srebf2, Mttp, Nrf2, Gnmt1, PGC1-α, TGFβ1, Collagen1A1, PDGFα, IGFBP2, MT-ND6, Sirt1 등에서의 DNA 메틸화에 생긴 변화가 비알코올성지방간을 유발하는 것에 관여하는 것으로 알려져 있다.

히스톤 변형은 크로마틴 구조나 유전자 발현을 변화시키는 또다른 후성유전학적 조절 요인이다. 히스톤 변형 중 아세틸화와 탈아세틸화, 메틸화와 탈메틸화에 대해 가장 많이 연구되어져 왔다. 섭취하는 음식을 포함한 다양한 요인에 의해 히스톤의 꼬리 부위에 다양한 히스톤 변형 잔기들이 붙으면서 크로마틴의 구조에 영향을 끼치고, 이어서 유전자 발현에도 변화가 발생한다. 지금까지 밝혀진 히스톤 변형으로 인해 유전자 발현이 변하면서 비알코올성지방간이 발병하게 되는 예로는 지방 합성과 관련된 유전자인 SREBP1c, FASN, ACLY, Pparγ의 프로모터 부위에 히스톤 잔기가 과아세틸화, Pparα의 유전자에 히스톤 메틸화에 변화가 생긴 것, ChREBP의 아세틸화에 의한 전사 활성화 변화, Pparγ2, CD36, FABP4, PLIN2, CIDEC 등의 히스톤 메틸화 변화 변화 등이 있다.

 

2.3. 새로운 치료 전략으로써의 후성유전학적 조절자들

후생유전학적 조절자들을 타겟팅하는 것은 암을 포함한 여러 질병을 치료하는 좋은 방법이 될 수 있고, 실제로 전임상과 임상 단계에서 적용되어지고 있다. 대표적으로, 히스톤 탈아세틸화효소 저해제(Histone deacetylase inhibitor, HDACi)들은 암 환자를 치료하는데 개발되어져 사용되고 있는데, 이미 FDA의 승인을 받은 것으로는 Vorinostat, Romidepsin, Bellinostat, Panobinostat 등이 있다.

암에서뿐만 아니라 최근에는 이 보고서에서 다룬 비알코올성지방간을 비롯한 대사 질환을 치료하는 데에도 이렇게 후성유전학적 조절자들을 타겟하는 것이 새로운 질병 치료 돌파구가 될 수 있음을 여러 논문들이 시사하고 있다. 또한 후성유적학적 요인들을 기반으로 한 약물이나 진단 바이오마커들(Biomarkers)이 개발되어지고 승인을 받고 있다.

이번 보고서에서 다루는 비알코올성지방간 역시 병의 진단, 관찰, 치료 반응 예측 등을 확인하기 위해 후성유전학적 마커들을 바이오마커로 사용할 수가 있다. DNA 메틸화, 히스톤 변형, Non-coding RNA(ncRNA) 등 후성유전학적 변형을 건강한 사람과 환자를 비교해서 병의 진단, 병의 진행 정도 등을 분석하여 개인에게 맞춤형 치료를 제시할 수 있는 것이다.

그렇다면 치료적인 관점에서 후성유전학적 조절자들을 타겟팅하는 것이 왜 좋은 전략일까? 먼저 후성유전학적 변형과 이에 따른 유전자 발현의 조절이나 변형이 비알코올성지방간 같은 질병의 원인이 됨이 확인이 되었고, 후성유전학적 조절자들의 특성을 생각해보면 각각의 변형에 대해 ‘reversible’하다. (e.g. methylation - demethylation, etc.) 그렇기에 비정상적인 변형들을 다시 정상적으로 되돌릴 수 있다. 예를 들면, DNA methylation inhibitors들을 약물로 사용해서 섬유화 진행을 억제하는 것이다. 또한 바이오마커 부분에서 언급했듯 개인마다 다른 후성유전학적 변형과 병의 진행 정도에 따른 맞춤형 치료가 가능하여 부작용이 적을 것이다.

구체적인 예로는 여러 탈아세틸화 효소들이 비알코올성지방간에서 중요한 역할을 하며, 그 중 HDAC8는 인슐린 저항성을 유발하며, 간암 세포의 증식을 촉진하는 데, 이때 HDAC8를 억제하면 간에서의 지방간 병변을 개선할 수 있다. 또한 JMJD2B라는 히스톤 탈메틸화 효소가 PPARγ2와 그 하위 유전자인 CD36, FABP4, PLIN2, CIDEC의 프로모터 부위에서 H3K9의 메틸기(di-/tri-)를 제거하는데, 메틸기가 제거되면서 지방 합성이 증가하고, 비알코올성지방간의 발병이 촉진되는 것이다. 그래서 JMJD2B의 활성을 막는 억제재를 사용하여 반대 효과를 얻을 수 있을 것이다.

 

3. 결론

개요에서 언급했듯 비알코올성지방간 환자는 세계적으로 계속 늘어나는 추세이고, 공식적으로 승인된 약물이 존재하지 않아 치료에 많은 어려움이 있다. 많은 연구들이 비알코올성지방간이 후성유전학적 변화들로 유도되는 질환임을 증명해오고 있고, 따라서 후성유전학적 조절자들을 타겟팅하여 치료에 적용하는 것은 비알코올성지방간에 대한 뚜렷한 치료책이 없는 현재의 실정에 새로운 바람을 불어넣고 있고, 병의 진단이나 진행 정도를 측정할 수 있는 바이오마커로 사용할 수 있다. 하지만 타겟을 찾는 것과 약물로 개발했을 때의 부작용이 없는지에 대해서는 더욱 연구가 필요하다.

더 연구가 필요한 또 하나의 한계점은 지금까지의 연구는 주로 동물 모델을 사용했다는 점인데, 인간의 체내에서 발생하는 비알코올성지방간의 발병 기작과 증세는 동물 모델에서와 다를 수가 있다. 그리고 성별, 스트레스, 유전적 변이, 조직 특이성 등 다양한 변화 유발 요인들이 존재하므로 극복해야 할 점들이 많이 있다.

한편 후성유전학 연구는 유전학적 요소들과 음식물 섭취와 같은 환경적 요인 간의 상호작용에 대해 연결점을 제공한다. 이처럼 비알코올성지방간의 발달과 진행에 후성유전학 조절은 음식 섭취에 의해 영향을 많이 받으므로 식이를 조절하는 것 역시 중요한데, 칼로리 제한, 지중해식 식단, 간헐적 단식, 당분이 많이 포함된 음료를 피하는 등의 방법을 후성유전학적 치료법과 병행한다면 시너지 효과가 날 것으로 기대한다.

아직까지 존재하는 한계점에도 불구하고, 후성유전학적 조절자들에 의한 변화에 의해 비알코올성지방간이 유도되는 기작을 밝히고, 이런 측면을 아직까지 특별한 치료 방법이 없는 비알코올성지방간에 대한 치료책으로 적용할 수 있다는 점은 혁신적으로 다가온다. 앞으로도 후성유전학적 조절자들에 대한 더 많은 연구와 동물 모델을 넘어서서 간 유래 줄기세포를 사용한 오가노이드 제작 등의 방법으로 사람마다 맞춤형으로 치료 전략을 제시할 수 있기를 기대해본다. (2019년에 iPSC을 이용한 간 오가노이드 제작을 한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터에서 성공했고, 이를 이용해 간독성을 확인하고, 신약 개발의 효율성을 높일 수 있다는 내용의 논문이 Journal of Hepatology에 게재되었다. - 바이오스펙터 조정민 기자 기사 중)

 

References