대한비만학회지 : 제 20 권제 2 호 2011 종설 비만과 ER Stress 성균관대학교의과대학분자세포생물학교실및삼성생명과학연구소 구승회 * Obesity and ER Stress Seung-Hoi Koo * Department of Molecular Cell Biology and Samsung Biomedical Research Institute, Sungkyunkwan University School of Medicine 요 약 Endoplastic reticulum (ER) 은 membrane에싸여있는세포내소기관으로모든진핵생물에존재하며단백질의 folding, lipid와 sterol의생성그리고 calcium의보관의역할을수행한다. Unfolded protein response (UPR) 은이와같은기능을수행하는 ER의기능저하를감지하는여러가지신호전달체계를총칭하는말로써 ER stress에따른세포의사멸또는생존의반응을결정하는역할을갖게된다. UPR은 ER의기능을보호하기위하여 ER의단백질 folding 능력향상, 잘못 folding된단백질의분해그리고전반적인단백질생성저하등을유도하나, 고지방식이섭취에의한비만과같은만성적 ER stress유발상황에서는인슐린저항성유발및보다심각한대사질환을일으킬수있는주요기전으로보고되고있다. 본종설에서는비만에의해유발되는생리학적만성 ER stress유발에따른대사질환의분자적기전에대해고찰하고자한다. ꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏ 중심단어 : ER stress, 비만, UPR, 대사질환 서론비만은비정상적인또는과다한지방의축적에따른건강의위협상태로정의된다. 이미전세계적으로 5번째로많은사망요인으로보고된비만에의해매년적어도 280만명이상의성인이사망한다. 세계보건기구 (WHO) 의 2008년도보고서에따르면, 전세계적으로약 15억의성인이과체중을보이며, 그중 5억명이비만인구로분류된다. 이와같은비만은특히고지방, 고염류, 고탄수화물의음식섭취와도시화에따른운동부족에따른섭취한열량과소모한열량의불균형을그근본적원인으로판단할수있다. 비만은또한당뇨병의 44%, 심혈관질환의 23%, 그리고기타비만관련암질환의 7~40% 의발병원인으로보고되고있는데, 이는특히비만에의한간세포및다른 peripheral tissue의인슐린저항성증가및염증반응을일으키는 cytokine들의혈중및세포내농도증가에의해기인되는것으로판단된다. 1) 따라 서, 비만에의한인슐린저항성및염증반응증가의근본기전을밝히는연구는이와같은대사성질환치료를위한새로운접근법개발의초석이될것으로사료된다. 비만에의한대사성질환발병기전으로최근 endoplasmic reticulum (ER) 의연관된신호전달체계가대두되고있다. ER은진핵생물에존재하는세포내소기관으로단백단백질의 folding 및그 quality control, 그리고다른세포내소기관으로이동의중요담당기관이다. 또한 phospholipid 및 sterol 등각종 lipid의생성그리고 calcium 의보관장소의역할을수행한다. 2) ER에새로생성된아직 folding이정상적으로진행되지않은단백질이과다하게축적되면, unfolded protein response (UPR) 가활성화된다. 흥미롭게도이들 UPR 신호전달계는염증및 stress에의한신호전달계와상당부분중첩됨이발견되는데, 초기의 ER stress에의한 UPR은 ER의기능을보호하기위하여 ER의단백질 folding 능력향상, 잘못 folding된단백질의분해그 ꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏ 접수일자 : 2011 년 5 월 31 일, 심사일자 : 2011 년 6 월 15 일, 게재승인일자 : 2011 년 6 월 15 일교신저자 : 구승회, (440-330) 경기도수원시장안구천천동 300 번지성균관대학교의과대학분자세포생물학교실및삼성생명과학연구소 Tel: 031-299-6122, Fax: 031-299-6239, E-mail: shkoo@skku.edu, Mobile: 010-7202-8548-45 -
- 대한비만학회지 : 제 20 권제 2 호 2011 - 리고전반적인단백질생성저하등을통하여세포및개체의생존을촉진한다. 하지만, 비만과같은만성적 ER stress 유발상황에서는췌장베타세포의사멸을촉진하거나, peripheral tissue에서인슐린저항성유발을통하여당뇨병과같은심각한대사질환을일으키는분자적기전으로이해되고있다. 본종설에서는비만에의해유발되는생리학적만성 ER stress유발에따른대사질환의분자적기전에대해고찰하고자한다. 비만과인슐린저항성염증반응의관계일반적으로높은혈중유리지방산 (free fatty acids) 은인슐린저항성과염증반응유발에중요한역할을하는것으로생각되고있다. 실제로비만인사람에서혈중유리지방산의증가가보고되어있으며, 이의감소는인슐린저항성및염증관련 cytokines의분비를낮추는것으로알려져있다. 3) 간이나근육같은장기로의유리지방산의유입은 diacylglycerol, ceramide 등의 second messenger의증가를유발한다. 이들 second messenger는 TNF-alpha나 IL6와같은염증관련 cytokine과함께인슐린작용을억제하고, 비만시에동반되는인슐린저항성을유발한다. 특히이와같은자극에의해활성화되는 serine/threonine kinase인 c-jun NH2-terminal kinase (JNK), IκB-alpha kinase (IKK), protein kinase C (PKC) 등은인슐린신호전달계기능의핵심인 insulin receptor (IR) 및 insulin receptor substrate (IRS) 의 serine/threonine 인산화를증가시켜전체신호전달계의교란을가져온다. 하지만, 모든비만환자의경우에서혈중유리지방산의증가가보고되어있지는않으며, 인슐린저항성을동반하는제2형당뇨병환자에서혈중유리지방산의감소가인슐린저항성의완화를가져오지만완벽한회복은가져오지못하는것으로보고되었다. 4) 따라서, 비만에의 한인슐린저항성증가기전이단순한세포내신호전달계의교란에그치지않고, 세포내에비가역적인다른변화를촉진하였음을가정할수있게된다. 실제로세포내소기관특히 ER의기능교란을야기하는 ER stress유발이유력한가능성으로대두되고있다. ER Stress와 Unfolded Protein Response (UPR) Endoplastic reticulum (ER) 은 membrane에싸여있는세포내소기관으로모든진핵생물에존재하며단백질의정상적인합성, folding, 그리고수송과정이일어나는핵심기관이다. 또한, phospholipid 및 sterol을포함한 lipid의생성장소이며세포내 calcium의보관장소로서의역할을수행한다. ER에새로생성된아직 folding이정상적으로진행되지않은단백질이과다하게축적되면, unfolded protein response (UPR) 가활성화된다. 2,5) UPR은이와같은기능을수행하는 ER의기능저하를감지하는여러가지신호전달체계를총칭하는말로써 ER stress에따른세포의사멸또는생존의반응을결정하는역할을갖게되는데, 일반적으로 UPR은 ER 의기능을보호하기위하여 ER의단백질 folding 능력향상, 잘못 folding된단백질의분해그리고전반적인단백질생성저하등을유도하게된다. UPR은대체로 ER의 membrane에결합되어있는세가지 sensor (PKR-like eukaryotic initiation factor 2α kinase (PERK), inositol-requiring enzyme-1 (IRE1), 그리고 activating transcription factor-6 (ATF6)) 를이용하여 ER의잘못 folding된단백질을감지하고각각의신호전달계를활성화하게된다 (Fig. 1) Stress가없는상황에서는이들 transmembrane 단백질들은 molecular chaperone인 BiP (GRP78) 과결합하여활성이억제되어있다. 잘못 folding된단백질의증가에따른 ER stress 상황에서는 BiP와의결합 Fig. 1. Three canonical branches of UPR. ER membrane-bound proteins PKR-like eukaryotic initiation factor 2α kinase (PERK), inositol-requiring enzyme-1 (IRE1), and activating transcription factor-6 (ATF6) constitute three major sensors for detecting misfolded proteins in the ER, and activate distinctive signaling cascades to relieve such conditions. - 46 -
- 비만과 ER Stress - 력이약해지면서이들세가지 sensor의활성이증가하게된다. 6,7) PERK를이용한신호전달계는 eukaryotic initiation factor-α (eif2a) 의인산화를통한 translational control을통하여단백질의생성을저하시키는한편 activating transcription factor-4 (ATF4)/C/EBP homologous protein (CHOP) 등을이용한특정유전자군의전사증가를유도한다. 8-10) PERK에의해증가되는일련의단백질들은 ER stress에의해서유도되는 reactive oxygen species (ROS) 증가에따른산화스트레스를감소시키는역할을하는데, 이는 ATF4 및 Nrf2를이용한 antioxidant response gene (heme oxygenase-1 (HO-1), thioredoxin reductase 1 (TXNRD1), glutathione S-treansferase) 들의조절을통해서이루어진다. 11) IRE1은염증반응관련신호전달계의주요인자의활성화를촉진하고또한자체의 RNase 기능을이용하여 XBP1이라고하는 bzip family의전사조절인자의 splicing을유도하게된다 (XBP-1s의생성 ). 12) 반면역시 bzip family의전사조절인자인 ATF6은그자체가 ER에존재하며신호를감지하게되는데, 이전사조절인자의활성화는 Golgi에서 proteolysis를거치게된다. 13) XBP-1s 및 ATF6는 BiP와같은 chaperone, ER의생성, phospholipid 생성, 그리고 ER과연관된단백질의분해 (ER-associated protein degradation, ERAD) 및분비에관련된단백질의생성을증가시키는역할을한다. 14) 이에따라서전반적인단백질생성의감소혹은 UPR target 유전자들의 transcription증가를통하여 ER의기능향상을유도하고 ER stress를해소하는역할을수행하는데, 이와같은방법으로도 ER의항상성이유지되지않게되면세포는사멸 (apoptosis) 에이르게되며, UPR이역시이단계에도관여하는것으로알려진다. 었다. 18) 제2형당뇨병생쥐모델에서는간에서의 ATF6의감소에따른 glucose production증가가보고되면서, ATF6가혈당조절의새로운 target으로밝혀졌다. 또한 ER에존재하는ATF6와유사한 bzip factor인 CREBH의경우에는 chronic ER stress가유발된생쥐의간에서 gluconeogenesis 를유도하는것이최근보고되었다. 19) 따라서, UPR 신호전달계에의한 glucose 대사의직접적전사조절이새로운분자적기전의하나로대두되고있다고사료된다. Lipid 대사에서 ER의역할은이미 ER-bound transcription factor인 sterol regulatory element binding protein (SREBP) 의발견과더불어서많이알려져있다. 20) SREBP isoform들은 end product인 lipid가감소되면 ER에서 Golgi로의이동에따른활성화가일어나면서 fatty acid와 cholesterol의합성증가를전사적으로조절하게된다. 21) 간에서는 XBP1s에의한 lipogenesis관련유전자의전사적조절도보고되었다. 실제로 liver-specific XBP1 knockout mouse에서혈중 lipid 의감소가일어나며, 지방간형성이억제됨이보고되었다. 또한, PERK를 mammary gland에서제거한생쥐에서는 milk에서 fatty acid 조성의감소가일어남이확인되었다. 22) 보다생리적인모델에서 high fat diet에의한 chronic ER stress 상황을유도한 Gadd34 transgenic mouse는실제로지방간형성이억제됨을확인할수있었다. 23) 하지만간에서 ATF6를제거한생쥐에서는오히려지방간이증가한결과를나타내는등보다사려깊은해석이필요한시점이다. 24) 아마도앞으로의연구에서보다생리적인 UPR 유발조건 (high glucose 등 ) 과극심한세포사멸을유발하는 UPR 조건 (tunicamycin 처리등 ) 의구분이필요할것으로판단된다. Glucose 및 Lipid 대사에서 UPR 의역할 ER Stress 와비만및당뇨의연관성 에너지대사에관련된신호전달계는많은경우에 ER에서일어나게되는데, 실제로 UPR이이들에너지대사의조절과정에관련되어있다. Glucose대사의경우에는 PERK knockout mouse에서간에서의 gluconeogenesis의문제가생긴것이보고되었다. 또한 chronic ER stress 과정에서간에서의 eif2a의인산화조절이 glucose 대사와밀접한관련이있는것이밝혀진바있다. 15,16) 또한 PERK knockout mouse가 ER failure에따른 pancreatic beta cell의기능이상과사멸이보고됨에따라서 glucose 대사에도 PERK 신호전달계가세포의 survival에미치는영향이중요한기전으로생각되게되었다. 17) 최근의연구에따르면, UPR에의해실제로 glucose 대사가전사적으로조절되는것이보고되었다. ER stress에의해서 CREB의 coactivator인 CRTC2의핵으로의이동이 ATF6와더불어서 XBP1의발현증가를유발하며, 반대로 gluconeogenesis는억제하는기전이보고되 당뇨병은 glucose 대사를조절하는인슐린의기능이떨어짐으로발병하게된다. 주지하다시피제1형당뇨병의경우 autoimmune 기전또는여러가지 monogenic 결함으로인하여췌장의 beta cell이인슐린분비를제대로못하게되는한편, 제2형당뇨병의경우는우선인슐린저항성이간이나근육세포등에서기인하게되어이에따른 beta cell에서의인슐린분비증가가일어나게되고, 궁극적으로는 beta cell 사멸에의한병증을나타내게된다. 제1형당뇨병중유전적인형태인 Wollcott-Rallison syndrome의경우에는 PERK 유전자의돌연변이에의한 postnatal development과정에서의 beta cell 사멸이그원인으로보고되고있다. 25) 또한또다른형태의유전적제1형당뇨병인 Wolfram's syndrome의경우에서는 PERK의하위유전자인 wfs1 유전자의돌연변이에따른 beta cell failure가그원인으로밝혀졌다. 26) beta cell의오작동과사멸뿐만아니고, 제2형당뇨 - 47 -
- 대한비만학회지 : 제 20 권제 2 호 2011 - 병초기의간, 근육세포에서의인슐린저항성에도 ER stress 와 UPR이관여한다는보고가최근에발표되고있다. 제2형당뇨병의경우에는제1형과마찬가지로 ER stress에따른말기의 beta cell 사멸이그원인으로초기에보고가되어왔지만, 최근에는특히비만에따른간에서의 ER stress가 IRE1/JNK 신호전달계를활성화시켜서인슐린저항성을불러일으키는것으로보고가되었다. 실제로 XBP1이제거된생쥐의경우 ER stress에대한감수성증가에따른인슐린저항성이나타나는데, 이는 IRE1/JNK 신호전달계활성화에따른 IRS의 serine 인산화영향인것으로밝혀졌다. 27) 반대로, XBP1이활성화된세포는인슐린저항성에대한억제가보고된바있다. 후속실험에따르면제2형당뇨병의생쥐모델인 db/db mouse에 ER stress를해소시킬수있는 molecular chaperon을주입하게되면, 혈당의정상화및간과근육세포등의인슐린기능향상의효과를보이게됨에따라서, ER stress에의한 UPR이실질적으로인슐린저항성을일으키는주원인의하나로서판단할수있게되었다. 28) 최근의논문에따르면, 비만상황에서흔히동반되는 leptin resistance가 ER stress와연관된다는가설이제시되었다. 지방세포에서분비되는 adipokine 중의하나인 leptin 은뇌의시상하부에작동하여 food intake을감소시킴으로써체중조절을하는주요한인자이다. 29) Leptin은일반적으로시상하부등에서 Ob-Rb leptin receptor와결합하여 JAK2-STAT3 신호전달계의활성화를통하여그효과를나타내는것으로알려져있다. 30) 하지만, 혈중 leptin의농도가비만생쥐모델에서뿐만아니라비만환자에서도높게나타나있으며, 이에따라서 leptin을이용한비만치료가실패하게되었다. 이러한현상을바탕으로하여비만상황에서 leptin resistance가존재함이밝혀짐에따라서이현상을유발하는분자적기전에관한연구가시급한시점이었다. 31-33) 최근연구에따르면, ER stress를유발하는약물의처리가 leptin에의한 STAT3의활성화를저해하는것으로밝혀졌다. 34) 이와같은연구는최근비만생쥐모델을이용한연구에서도재현되는등, 비만에의한 ER stress 유발이더욱극심한비만및관련질병유발의기전이될수있음을제시하였다고판단된다. 35-37) 결론 실에서도 high fat diet에의한 chronic ER stress의유발이생쥐의간에서 PERK/ATF4 신호전달계를활성화시켜서궁극적으로 phosphatic acid phosphatase인 Lipin2를발현증가시킴에따라 triacylglycerol의축적및인슐린저항성을유도한다는새로운분자적기전을제시한바있다. 38) 앞으로도 UPR에의한인슐린저항성및세포사멸에관한새로운연구가발표될가능성이지대함에따라서, 보다효과적으로 ER의기능을개선하는방법을통한치료법의도입이바람직할것으로판단된다. 실제로이와같은 organelle therapy 의개념으로 ER stress를완화하는새로운접근이이루어지고있다. 따라서이들세포내소기관의기능이상을치료하는 chemical에의해서대사경로와염증반응경로의상호작용을제어하고, 나아가서인슐린저항성및대사질환을개선하는새로운시도가점차활발해질것으로생각된다. ABSTRACT Obesity and ER Stress Endoplastic reticulum (ER) is one of the cellular organelle found in all eukaryotes. It plays a critical role in the protein folding, lipid and sterol biosynthesis, and the storage of intracellular calcium. Unfolded protein response (UPR) refers to the collective signaling cascades that is activated in response to the malfunction of ER, and is responsible for either promoting apoptosis or promoting survival of the affected cells or organisms. Normally, UPR protects the function of ER by enhancing the induction of proper folding of proteins, degrading misfolded proteins, and reducing the general protein synthesis by decreasing the activity of general translational machinery. However, UPR has been shown to be a major culprit in invoking insulin resistance and other more severe metabolic diseases under the state of chronic ER stress in response to obesity caused by high fat diet. In this review, we would like to discuss the molecular mechanism for the promotion of metabolic diseases by obesity-mediated physiological chronic ER stress. 전술한바와같이, ER은세포내에서다양한 nutrient와여러환경적신호를받아들이고제어하는세포내소기관으로새롭게인식되고있다. 본종설에제시된바와같이여러가지실험적증거를바탕으로하여비만에의한 chronic ER stress의증가가특정 UPR 경로를통한인슐린저항성증가또는췌장 beta cell의사멸을유도하여심각한대사성질환을유발할수있는가능성이제시되었다. 최근본인의연구 Key words: ER stress, Obesity, UPR, Metabolic disease 참고문헌 1. Bray GA. Medical consequences of obesity. J Clin Endocrinol Metab 2004;89(6):2583-9. - 48 -
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