당뇨병과혈관노화 유형준*, 김두만, 김보완, 김용기, 김인주, 김태화, 박중열, 손석만, 이문규, 이병완, 이인규, 차봉연 한림대학교 To whom correspondence should be addressed. E-mail yooyoo1@kornet.net 목차 1. 최종당화산물(Advanced glycosylation end products, AGE) 1) 수용체비의존성기전 2) 수용체-중개기전 2. 산화스트레스 3. 단백질카이네이즈 C (PKC, protein kinase C) 4. 참고문헌
당뇨병은관상동맥질환의강력하고독립적위험인자다. 고혈당은혈관조직에많은변화를초래하여죽상경화를가속시킨다. 최근당뇨병혈관변화들의병리학적변화를대부분설명할수있는기전으로다음의 3가지를주로거론하고있다. 첫째, 단백질과지질의당화, 둘째산화스트레스, 단백질카이네이즈 C (protein kinase C, PKC) 활성화등이바로그것이다. 한가지중요한사실은이 3가지기전은서로관계를갖고상호영향을미친다는점이다. 예를들어고혈당에의한산화스트레스는당화변성과 PKC 활성화를촉진한다. 1. 최종당화산물(Advanced glycosylation end products, AGE) 고혈당은점진적으로세포기능이상을초래한다. 당뇨병에서죽상경화가가속화되는중요한기전의하나는동맥벽에서의포도당과단백질혹은지질단백상호간의비효소적반응이다. 수시간수일수주 - 수개월 포도당 단백질 Schiff base 아마도리 산물 AGE 그림 1. 단백질당화과정. AGE: 최종당화산물(advanced glycation end products) 포도당은그림1에보듯이혈액순환중이거나혈관벽에있는단백질과반응하여초기에는화학적으로가역적당화산물(Schiff base) 을만든다. 이는수시간에일어난다. 이어서보다안정된아마도리(amadori) 산물( 대표적인산물이헤모글로빈 A1c) 을생산한다. 이는수일걸린다. 얼마간의장기간생존단백질( 혈관벽콜라겐) 의초기당화산물은더욱진행하여최종당화산물로된다. 여러종류의최종당화산물이있으나 carboxymethyl-lysine-protein adduct 가가장흔한생체내최종당화산물이
다. 최종당화산물은노화에따라지속적으로혈관벽에쌓이는데당뇨병에선쌓이는속도가가속화된다. 비효소적당화정도는노출당시의혈당농도에의해주로결정된다. 그러나최종당화산물형성의또다른결정적인자는조직미세환경의산화환원(redox) 포텐셜이다. 국소산화환원포텐셜이산화스트레스가증가하는쪽으로치우치는환경에선최종당화산물생성이증가한다. 최종당화산물은다양한기전으로죽상경화를촉진시키는데그다양한기전을수용체의측면에서수용체비의존성기전과수용체의존성기전으로나눈다. 1) 수용체비의존성기전 단백질과지질단백의당화는분자구조파열, 효소작용변경, 분해능력 감퇴, 수용체인지방해등으로그기능을간섭하여죽상경화를촉진한다. 가장연구가많이이루어진것은저밀도지단백(LDL) 입자이다. LDL의당 화로아포단백B와인지질구성에변화가일어나 LDL 소거의기능적변화와 산화변형에대한감수성증가가초래된다. 임상연구로도당뇨병환자의 LDL에서정상인경우보다최종당화산물농 도가증가된것을알수있다. LDL 아포단백B(LDL 의표면단백질) 의당화는 LDL 수용체결합도메인으로추정되는곳의라이신잔여물(lysine residue) 에서주로일어나는데, 추정 LDL수용체결합도메인은 LDL수용체에의한 LDL 의특정한인지에필수적이다. LDL 당화는포도당농도와상관적으로증가 하고최종당화산물-아포B 농도는당뇨병에서 4 배로상승한다. 아포B의당화 는 LDL수용체를통한 LDL의섭취를감소시켜생체내 LDL 소거를줄인다. 배 양사람섬유아세포실험에서당화LDL의분해가망가져있으며그정도는 당화정도와비례하였다. 반면에, 사람단핵구-유래대식세포는당화 LDL을 더잘인식하였다. 그러나이세포들에의한당화 LDL의섭취는 LDL 수용체 를통하지않고다른고용량이고친밀도가낮은경로를거친다. 즉, 대식세 포의청소수용체(scavenger receptor) 를통한다. LDL 당화는사람대동맥 내막세포와단핵구-유래대식세포에의해섭취되어포말세포형성을조장 하므로청소수용체에의한당화 LDL의인식은세포내콜레스테릴에스터 (cholesteryl ester) 이축적을촉진하여죽상경화를조장한다. 당화의또하나의죽상경화발생효과는 LDL의산화스트레스에대한감 수성증가유도이다. 당화중에정상적으로일어나는산화반응은, 전이 금속이나외부자유라디칼- 생성체계없이, LDL의아민-함유인지질성분
을산화시킬수있다. LDL의아민-함유인지질성분의당화진행은불포화 지방산잔여물의산화변형진행을초래한다. 최종당화산물-LDL 형성에뒤 따르는 LDL 산화는포도당농도에직접비례하려일어나고최종당화산물형 성억제제인아미노구아니딘으로억제가능하다. 이처럼당화는 LDL이산화 변형에약하게하고이는죽상경화발생의결정적단계로여겨진다. 또다른예는보체조절단백질의기능변화이다. 혈관내보체의막공 격복합체(MAC, membrane attack complex) 의침착은, 막공격복합체-표적 내피로부터섬유아세포증식인자와혈소판유래성장인자와같은성장인자 를분비시켜섬유아세포와평활근세포의증식을자극한다. 막공격복합체 침착은정상세포에선조절막단백질인 CD59 발현에의해억제된다. CD59는 보체활성화와막공격복합체형성을제한한다. 보체조절단백 CD59의당 화는 CD59를비활성화시켜성장인자와사이토카인의막공격복합체-유도방 출에대한당뇨병내피의감수성을증가시킨다. 콜라겐 VI, 라미닌, 비트로넥틴(vitronectin) 등의기질성분의당화는 음이온인헤파란설페이트의결합을저하시켜헤파란설페이트의교체를증 가시킨다. 헤파란설페이트가없으면기질결합프로테오글리칸과세포사 이에성장-조절인자들이비정상적으로관여하여다른기질성분들이과도 하게생산되게한다. 기질에최종당화산물이축적되어막관통인테그린수 용체와 3 개의특성적기질리간드의정상적상호작용을변경시킨다. 예를 들어콜라겐IV 의세포결합도메인의변형은내피세포부착을감소시킨다. 2) 수용체-중개기전 최종당화산물의세포상호작용은세포표면의최종당화산물결정인자에대한특유의수용체를통해일어난다. 면역글로불린수퍼패밀리의하나인최종당화산물수용체(RAGE, Receptor for AGE) 는단핵구- 유래대식세포, 내피세포, 평활근세포를포함하는죽상경화과정의모든세포에존재한다. 대식세포최종당화산물수용체계는최종당화산물교체와밀접한연관이있고노화에따른최종당화산물농도증가와노쇠단백질의분해에반응하는기전으로여겨진다. 성숙한동물에서최종당화산물수용체의세포발현은낮다. 그러나어떤병리적상황에선최종당화산물수용체의상향조절이지속적으로일어난다. 병소에서최종당화산물수용체발현세포가많은곳은축적된최종당화산물수용체리간드의부위와관련이있다. 당뇨병혈관계에서최종당화산물수용체를고도로발현하는세포는종종최종당화산물이많은곳에가까이있다.
내피세포에서최종당화산물의최종당화산물수용체와의상호작용은산화스트레스를유발하고전사인자인 NF-κB와 VCAM-1(vascular cell adhesion molecule-1) 을유도한다. 또한내피의울타리기능을감퇴시킨다. 내피세포층의투과성을증가시킨다. 즉, 죽상경화의초기병태가시작된다. 예를들어증가된지질이내피아래로들어온다. 단핵구와내피표면의접착작용을통해내피를통과하여단핵구가이동해들어온다. 단핵구최종당화산물수용체와최종당화산물의반응으로화학주성 (chemotaxis) 이유발되고온전한내피층을통해단핵구침윤이일어난다. 사람죽상경화병소의내막에서최종당화산물수용체-발현세포의침윤을발견한다. 최종당화산물과단핵구-대식세포상호작용은인터루킨-1, TNF-α (tumor necrosis factor- α), 혈소판유래성장인자, 인슐린양성장인자-I 등의성장인자를생산한다. 이러한성장인자들은죽상경화발생에깊이관여한다. 평활근세포에서최종당화산물-변형단백질과최종당화산물수용체가결합하여세포증식을조장한다. 이러한최종당화산물수용체-중개성장촉진효과는아마도사이토카인혹은성장인자에의해중개되는것으로여겨진다. 최종당화산물침착이증가하면최종당화산물-단백질과혈관벽세포의수용체-중개상호작용은병변으로염증세포들이이동하는것을촉진하고성장촉진사이토카인방출을조장한다. 2. 산화스트레스 산화스트레스가노화에큰영향을미친다는것은미국의 Harman의제안에서시작된다. 그는방사선에의한조직손상을연구하던중이것이자유라디칼에의한다는데근거하여노화도이의영향일것이라는 노화자유라디칼가설 을주창하였다. 이가설에따른다면, 노화란우리가호흡하는산소와신체의신진대사속도에의하여자유라디칼생성의증가로인해질병의발생및노화진행이일어난다는것이다. 그후많은후속연구에의해그의가설은다듬어지고있다. 혈관노화의주요한현상인죽상경화역시산화스트레스와밀접하다. 특히산화스트레스가증가하는당뇨병상태에서는더욱그러하다. 당뇨병에서자유라디칼은 (1) 비효소적단백당화, (2) 단당류의자가산화 (autoxidaiton), (3) 대사성스트레스, (4) 소르비톨경로활성도의변화, (5) 신경허혈- 재관류, (6) 염증이나저산소증과같은외적요인에의한세포손상으로인한간접적생산, (7) 항산화방어기전의약화에의해증가한다. 산화스트레스의증가로총합통칭되는자유라디칼의증가는지질, 단백
질, 탄수화물, 핵산등의세포구성성분들에손상을준다. 즉, 다불포화지방 산은과산화되고, 다당류는해중합(depolymerization) 되며, 핵산의구조도 변한다. 특히단백질은자유라디칼에민감하고산화변형된단백질은곧분 절화되어용해된다. 포도당은정상생리상태에서산화하여단백질과반응을잘하는케토알 데하이드, 과산화수소, 반응성이강한산화물들을낸다. 따라서포도당은 자유라디칼기전을통해분절화된단백질을만들고동시에산화에의해유 도된알데하이드를항산화효소를비롯한단백질을더욱변형시킨다. 이처럼 당뇨병에서의당화는자유라디칼에의한산화와밀접한관계가있어 ' 당산 화(glycoxidation)' 란표현을사용하고있다. 분명히자유라디칼은노화자체에의해증가되므로당뇨병에서자유라 디칼을논의할때에가령( 加齡 ) 의효과를고려해야한다. 3. 단백질카이네이즈 C (PKC, protein kinase C) 고혈당의대사적결과는포도당수송이대체로인슐린비의존적인세포에서나타난다. 세포내고혈당은 PI Glucose PKC를통하여당뇨병합병증병태 PC PIP Glycolysis 원인으로작용한다( 그림 2). de novo pathway Glycealdehyde3P LysoPA pyruvate PLD PLC PIP2 DAG IP3 [Ca 2+ ] i lactate PKC activation 그림 2. DAG-PKC 경로. 당뇨병에선모든단계가항진된다. PC: phophatidyl choline, LysoPA: lysophosphatidic acid ( 유형준그림) PKC 는혈관조직에서여러개의동형(isoform) 이발현되는데당뇨병모델 쥐에선대동맥, 심장, 망막에선주로 PKCβ2, 사구체에선 PKCβ1이주로나 타난다. PKC는세포에고루분포하여여러성장인자의전사와성장인자에대한반응시신호전달에관여한다. 혈관평활근세포에서 PKC 활성화는성장속도, DNA 합성, 성장인자수용체교체등을조절한다. 예로서, 고혈당-유도 PKC 활성화는혈관평활근세포와다른혈관벽세포( 내피세포, 단핵구-대식세포등) 에서혈소판유래성장인자- β 수용체발현을증가시킨다. PKC 활성화는 TGF- β(transforming growth factor- β) 발현을증가시킨다. TGF-β는프로테오글리칸과콜라겐의발현을활성화하고기질단백질을분해하는단백분해효소합성을감소시켜세포외기질생산을조절하는가
장중요한성장인자의하나이다. TGF-β 발현증가는모세혈관기저막을두 껍게하는데모세혈관기저막비후는당뇨병에서거의모든조직에서볼수 있는초기구조적이상소견의하나이다. PKCβ 선택적억제제인 LY333531 은 TGF- β와세포외기질단백질( 피브로넥틴, 콜라겐IV 등) 의사구체발현을 약화시킨다. 산화스트레스는혈관조직에서 DAG-PKC 경로를활성화시킨다. 고혈당에서 생성된산화물은 PKC 를활성화한다. 이상과같이죽상경화로대표되는혈관의노화는당뇨병에서촉진되고가중된다. 생리적노화에의한혈관의노화는당뇨병에의한병적노화의가중으로더욱가속화심화된다. 4. 참고문헌 송진영, 임성희, 서지영, 조영중, 유형준, 박성우, 임차혜: 최종당화산물이혈관평활근세포증식에미치는영향및그기전. 당뇨병 26(2): 91-99, 2002 유형준, 임성희, 김병태, 최문기, 박성우, 장학철: 당뇨병환자의적혈구막지질과산화에미치는加齡의영향. 대한내분비학회지 8:281-288, 1993 유형준: 당뇨병성대혈관합병증의발생기전. 당뇨병 20(5.1):523-527, 1996 유형준: 혈관내분비학. 대한내분비학회지 15(4,5): 463-473, 2000 Baynes JW:Role of oxidative stress in development of complications in diabetes. Diabetes 40:405-412, 1991 Brownlee M, Vlassara H, Kooney A, Ulrich P, Cerami A:Aminoguanidine prevents diabetes-induced arterial wall protein cross-linking. Science 232:1629-1632 Davies KJA:Protein damage and degradation by oxygen radicals. J Biol Chem 262(20):9895-9901, 1987 Fu MX, Blackledge JA, Dyer DG, Huggins TG, Richardson JM, Thorpe SR, Hirsch J, Feather MS, Baynes JW:Glycation and oxidation of protein in diabetes and aging. pp.369-372 In: 14Th IDF Proceeding, Elseiver, New York, 1991 Harman D:Aging;A theory based on free radical and radical chemistry. Journal of Gerontology 11:298-300, 1956 Hunt JV, Wolff SP:Oxidative glycation and free radical production:a causal mechanism of diabetic complications. Free Radical Research
Communications 12-13(1):115-123, 1991 Leivobitz BE, Siegel BV:Aspects of free radical reactions in biological systems: aging. J Gerontology 35:45-56, 1980 Oliver CN, Ahn B, Moerman EJ, Goldstein S, Stadtman ER:Age-related changes in oxidized protein. The J Biol Chem 262(12):5488-5491, 1987 Starke-Reed PE, Oliver CN:Protein oxidation and proteolysis during aging and oxidative stress. Archives of Biochemistry and Biophysics 275(2):559-567, 1989 Stringer MD, Görög PG, Freeman A, Kakkar VV:Lipid peroxides and atherosclerosis. BMJ 298:281-284, 1989 Yoo HJ, Chung MH, Chang YJ, Kim YS, Lim JK:Effect of Myeloperoxidase/Hydrogen Peroxide/Halide System on Thermal Gelation of Soluble Collagen. The Seoul J of Medicine 28(2):61-71, 1987 Yoo HJ, Kozaki K, Akishita M, Watanabe M, Eto M, Nagano K, Sudo N, Hashimoto M, KimS,Yoshizumi M,TobaK,OuchiY:Augmented Ca2+ influx is involved in the mechanism of enhanced proliferation of cultured vascular smooth muscle cells from spontaneously diabetic Goto-Kakizaki rats. Atherosclerosis 131:167-175, 1997 Disclaimer: "BioWave" is not political. The views and opinions expressed by its writers do not necessarily reflect those of the Biological Research Information Center(BRIC). c Copyright 2006, the Biological Research Information Center(BRIC), Pohang 790-784, Korea. 본글의저작권은 " 생물학연구정보센터 BioWave" 에있습니다. 일부내용인용시 " 생물학연구정보센터 BioWave (http://bric.postech.ac.kr/webzine) Vol. 8 No. 21" 으로정보출처를밝혀야합니다. 전체내용에대한인용시생물학연구정보센터의사전허락 (mail: biowave@bric.postech.ac.kr Tel: 054-279-8197~8) 을받으신후전재가가능 합니다.( 단. 원저작자의경우는정보출처만밝히시면됩니다.)