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우수논문소개

골격근 USP21 억제에 의한 산화 근섬유 표현형의 증가 및 기전 (대사 질환에 미치는 효과)

  • 작성자

    김아영, 김상건 (동국대학교)
  • 작성일자

    2021-12-15
  • 조회수

    1779

골격근 USP21 억제에 의한 산화 근섬유 표현형의 증가 및 기전

(대사 질환에 미치는 효과)

Ablation of USP21 in skeletal muscle promotes oxidative fiber phenotype, inhibiting obesity and type 2 diabetes

Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle

https://doi.org/10.1002/jcsm.12777, 2021

 

김아영

동국대학교 약학대학 박사후 연구원

spicy87@snu.ac.kr​

 

김상건

동국대학교 약학대학 교수

sgkim@dongguk.edu

 

연구배경

골격근은 전신의 에너지 항상성에 영향을 주는 열량 소비의 핵심 기관이며, 신체 내 에너지 수요를 충족시킬 때는 지질 이화작용을 일으킨다(1). 골격근 섬유는 비산화 근섬유 유형과 산화 근섬유 유형으로 구분하는데 기능적으로 전자는 쉽게 피로하고 연료와 산소 소비가 적은 반면 산화형 섬유는 쉽게 지치지 않아 지구력 운동에 유리하고 연료와 산소 소비가 높은 특징이 있다. 특히, 산화형 근섬유는 지질 이화작용이 높으므로(2), 산화 근섬유 유형의 증가는 전신대사의 개선은 물론 골격근 대사 장애의 위험을 낮출 수 있다(3). 또한 대사 질환 환자는 산화형 근섬유 비율이 낮은 것으로 보고되었다. 따라서 여러가지 노력에 의하여 산화형 근섬유의 비율을 높일 수 있다면 비만 또는 당뇨병 등 대사 질환의 발병 또는 진행을 억제할 것으로 기대한다(3, 4). 현재 전 세계의 여러 연구진이 근섬유의 유형 전환, 유형간 비율을 조절하여 열량 소비를 증가시키는 타겟을 찾고 있으며, 이들을 발굴하고 활용한다면 대사 질환과 근육 기능 장애로 인한 인류의 어려움을 극복하는 데 기여할 것으로 본다.

골격근내의 단백질 합성과 분해, 이들 간 균형은 골격근 기능을 정상으로 유지하기 위해서 미세하게 조절되는데(5), 이를 약학적으로 변화시킬 수 있는 방법이 현재 모색되고 있다. 여러 약물의 타겟이 될 수 있는 분자 중 Ubiquitin-specific protease (USP)는 다양한 질환의 표적으로 주목된다. 생물학적으로 USP는 기질단백질로부터 유비퀴틴을 떼어내어 단백질 안정성을 증가시키고, 이를 통하여 세포 기능과 신호에 영향을 주는 deubiquitinase 효소 중 큰 family에 속한다(6). 특정 USP가 골격근의 기능과 에너지 대사를 조절할 것으로 추측되지만 의외로 이에 관한 연구는 부족하였다. 이러한 정보 부재에 기반하여 본 연구에서는 골격근 근섬유 유형의 조절, 비율 변화, 미토콘드리아 연료 소비에 영향을 주는 조절자로서 USP21을 발견하였고, USP21의 발현 또는 활성의 변화가 비만과 대사질환을 극복할 수 있는지의 여부를 평가하였다. 

 

연구결과 

1. USP21 결손에 의한 산화형 근섬유 비율의 증가 및 열발생 촉진

골격근의 근섬유 유형 변화(switch)에 미치는 USP21의 역할을 탐구하기 위해 본 연구진은 USP21 결손(USP21-KO) 마우스와 골격근 선택적 USP21 결손(USP21-MKO) 마우스 모델을 활용하였다. 근육에서의 미토콘드리아 활성과 대사 유형 변화를 탐구한 결과 USP21-MKO 마우스의 장딴지근에서 산화형 근섬유(1형과 2a형)의 비율이 증가하고 역으로 비산화형 근섬유(2b형과 2X형)의 비율은 감소하였다(그림 1A). 미토콘드리아의 산화적 인산화를 지표하는 숙신산탈수소효소(succinate dehydrogenase; SDH) 활성은 USP21-MKO 마우스의 앞정강근 근육에서 증가하였고, 이 동물의 근육에 다시 USP21을 발현 시킬 경우 SDH 활성 증가는 상쇄되는 것으로 나타났다(그림 1B). 

골격근의 열발생(thermogenesis)은 에너지 소비를 증가하고, 체지방 축적을 억제하므로 개체의 전신 기초대사에 기여한다(7). 본 연구에서 마우스를 저온(4℃)에 6시간 노출할 때 근육의 Usp21 발현이 낮아졌다(그림 1C). 또한 흥미롭게도 USP21-KO 및 USP21-MKO 동물의 기초 체온은 모두 대조군보다 높았으며(그림 1D), 이들 동물이 저온(4℃)에 노출될 때는 체온 저하가 경감하였다(그림 1E). 이상의 결과는 USP21 억제가 열발생을 촉진하는 새로운 현상을 지지하며, 개체가 추위에 노출될 때 USP21 하향조절을 통한 열발생으로 저온노출에 적응하는 현상도 설명한다.

 



그림 1. 골격근 선택적 USP21 결손 마우스의 근섬유 유형변화 및 열발생 증가

 

2. USP21 결손에 의한 AMPK 활성화 

 



그림 2. USP21과발현에 의한 AMPK 활성 억제

 

USP21이 미치는 미토콘드리아 기능 변화를 연구하기 위하여 USP21-MKO 마우스의 장딴지근 시료를 전사체 분석하였을 때 USP21 결손은 AMPK 경로를 변화시키는 것으로 나타났다(그림 2A). USP21-MKO 마우스의 앞정강근에서 AMPK 인산화는 현저히 증가하였고, 이 동물의 근육에 USP21 유전자 발현을 증가시킬 때는 AMPK 인산화 촉진 효과가 대조군 수준으로 상쇄되었다(그림 2B). USP21을 과발현한 근육세포주(myotube)모델에서 산소 소비량을 측정한 결과, USP21 과발현 군에서는 산소 소비량 또한 유의미하게 감소하였다(그림 2C). 이러한 결과는 USP21이 AMPK를 경유하여 연료와 산소 소비에 관여한다는 것을 지지한다.

 

3. USP21의 새로운 기질 단백질 DNA-PKcs와 ACLY의 발견 

프로테오믹스 분석을 통하여 AMPK활성 변화에 기여하는 USP21의 새로운 기질을 도출하고자 하였다. USP21을 과발현할 경우에는 세포에서 USP21과 DNA-PKcs 또는 USP21과 ACLY 간 단백질 결합이 증진하였고(그림 3A), 동시에 DNA-PKcs와 ACLY의 유비퀴틴화가 줄어듦을  발견하였다(그림 3B). 이를 USP21활성 변화 측면에서 확인하기 위하여 USP21의 탈유비퀴틴 활성화 잔기를 비활성화한 USP21 돌연변이체를 제작하였고, 이 돌연변이체를 과발현할 경우에는 DNA-PKcs와 ACLY 량의 증가가 소멸되었다(그림 3C, 왼쪽). 즉, USP21 비활성화 변이체는 정상 USP21에 의한 AMPK와 ACC의 억제를 대조군 수준으로 회복시키는 것으로 나타났다(그림 3C, 오른쪽). 비슷한 결과로서 siRNA 도입에 의한 DNA-PKcs 또는 ACLY의 억제는 USP21에 의한 AMPK의 인산화 억제를 완화하였고(그림 3D), 이 때 USP21 과발현군과 비교하면 산소 소모량은 높아졌다(그림 3E). 

 

 



그림 3. USP21과발현에 의한 DNA-PKcs와 ACLY 안정화 및 AMPK의활성변화

 

4. 골격근 선택적 USP21 결손에 의한 비만의 완화 

본 연구에서 도출한 USP21 결손에 의한 산화형으로의 근육 섬유 유형 변화와 미토콘드리아의 활성증가의 가설은 USP21을 억제할 경우 비만 억제 효과를 기대하게 한다. 이를 검증하기 위하여 각 유전형의 마우스에 고지방식이를 먹인 결과 USP21-KO 마우스와 USP21-MKO 마우스는 모두 대조군과 비교할 때 체중 증가가 확연히 완화되었다(그림 4A, 4C). 지방을 염색하여 붉은 지방을 조직학적으로 관찰할 때 USP21 결손 마우스에서는 근육세포 내 지방 축적이 경감하였다(그림 4B, 4D). 

 

 


 

그림 4. USP21 결손이 고지방식이 유도성 비만에 미치는 효과 

 

5. 골격근 선택적 USP21의 결손에 의한 고혈당 완화 

근육의 인슐린 저항성은 대사질환에 크게 기여하여 전신의 혈당조절 균형을 깨뜨리고 고혈당에서 기여하는 것으로 알려져 있다(2). 추가로 USP21의 발현과 혈당 변화간 상관성을 알아본 결과 제 2형 당뇨병 환자의 근육에서는 USP21 단백질 량이 높게 나타났다(그림 5A). 또한 마우스의 공복 혈당과 USP21의 단백질 량 간에는 상관관계를 보였으며(그림 5B), 고지방식이를 섭취한 USP21-MKO 마우스의 공복 혈당은 대조군보다 낮게 나타났다(그림 5C). 본 연구에서 사용한 각 유전자형 마우스에 고지방식이를 섭취하게 하고 과량의 포도당을 투여하여 고농도의 포도당 유입을 일으켜 당 대사능을 평가(glucose tolerance test)하였을 때 USP21-MKO 마우스에서는 고지방식이 유도성 당 불내성이 완화되었다(그림 5D). 이러한 결과는 근육의 USP21을 억제할 경우 대사 개선이 전신적으로 일어날 수 있다는 가설을 지지한다.

 

 


그림 5. USP21과 혈당 간 상관관계 및 USP21 결손에 의한 당내성 개선효과

 

 

연구 성과 및 의의 

본 연구 이전까지는 대사 기능의 관점에서 생체 연료 저장과 근육 내 열량소비를 제어하는 USP 역할이 전혀 보고된 바가 없었다. 본 연구의 결과는 근육을 중심으로 생체 연료 소비 기능 조절에 기여하는 신규 표적으로 USP21을 제시하였고, 이를 증명하기 위하여 USP21 유전자 결손 마우스와 근육 선택적 유전자 결손 마우스를 새롭게 구축하여 분자생물학적 조절 기작 및 병태생리적 영향을 탐구하였다(그림 6). 

 

 

그림 6. USP21에 의한 골격근의 AMPK 중심축 생리 기능 조절 

 

요약하면, USP21의 결손은 기능적으로 골격근의 산화형 근섬유의 비율을 높이고, 동시에 근육내 미토콘드리아의 생합성 및 연료 소비를 촉진하는 새로운 사실을 발견하였으며 나아가 근육량의 증가도 관찰할 수 있었다. 또한, 이 과정에 관여하는 USP21이 지배하는 새로운 기질로서 DNA-PKcs와 ACLY를 찾았으며, 이들이 AMPK 활성과 연계되는 경로를 발견하였다. 발굴 분자의 의약적 가치는 대사질환 모델에서 평가하였는데 비만과 당뇨 등 대사 질환시 골격근에서는 USP21 발현이 증가하였고, 동물모델에서 USP21을 제거할 경우 비만과 당 불내성을 완화하였다. 본 연구의 결과는 인류가 갖는 대사 질환 또는 근육 질환으로 고통받는 환자의 치료를 위한 기초 정보를 제공하고 관련분야의 지식 확장에 기여할 것으로 기대한다. 

 

참고문헌

1. Ye J, and Medzhitov R. Control strategies in systemic metabolism. Nat Metab. 2019;1(10):947-57.

2. DeFronzo RA, and Tripathy D. Skeletal muscle insulin resistance is the primary defect in type 2 diabetes. Diabetes Care. 2009;32 Suppl 2(Suppl 2):S157-63.

3. Tanner CJ, Barakat HA, Dohm GL, Pories WJ, MacDonald KG, Cunningham PR, et al. Muscle fiber type is associated with obesity and weight loss. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2002;282(6):E1191-6.

4. He J, Watkins S, and Kelley DE. Skeletal muscle lipid content and oxidative enzyme activity in relation to muscle fiber type in type 2 diabetes and obesity. Diabetes. 2001;50(4):817-23.

5. Bowen TS, Schuler G, and Adams V. Skeletal muscle wasting in cachexia and sarcopenia: molecular pathophysiology and impact of exercise training. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 2015;6(3):197-207.

6. Komander D, Clague MJ, and Urbé S. Breaking the chains: structure and function of the deubiquitinases. Nat Rev Mol Cell Biol. 2009;10(8):550-63.

7. Periasamy M, Herrera JL, and Reis FCG. Skeletal muscle thermogenesis and its role in whole body energy metabolism. Diabetes Metab J. 2017;41(5):327-36.