포스테키안

2020 여름호 / Hello Nobel

2020-07-27 378

Hello Nobel / 산소 농도에 따른 세포의 반응과 적응

2019년 노벨 생리의학상은 그레그 서멘자 교수(존스홉킨스 의대), 피터 랫클리프 교수(옥스퍼드대), 윌리엄 케일린 교수(하버드 의대)가 수상했습니다.
이들은 유기체 내에서 세포가 산소 농도 변화를 감지하고 이에 적응하는 메커니즘을 밝혔습니다. 암세포도 이 메커니즘에 따라 산소가 부족한 환경에서 적응하기 때문에, 암세포의 특정 인자를 조절함으로써 암세포 전이를 막는 것이 가능할 거라는 전망입니다.

세 명의 수상자들은 이미 2016년에 ‘래스커 기초의학상’을 공동으로 수상했습니다. 래스커상은 지난 73년간 래스커상 수상자 중 87명이 노벨상을 받았을 정도로 생명과학 분야의 노벨상으로 평가받습니다. 그래서 이들의 노벨 생리의학상 수상은 학계의 많은 사람이 예상하였습니다. 서멘자 교수 등은 산소가 부족한 환경에서 세포의 반응을 밝힘으로써 암을 비롯한 질병의 치료 가능성을 제시한 공로로 지난 2019년 노벨 생리의학상을 수상했습니다. 세포가 주변 환경의 산소 농도 변화에 따라 어떻게 반응하고 적응하는지를 알아낸 것입니다. 사람은 호흡을 통해 얻은 산소를 에너지로 변환하여 생명을 유지합니다.  따라서 주변의 산소 농도 변화에 세포가 빠르게 적응해야만 신진대사를 정상적으로 유지할 수 있습니다. 과격한 운동을 하거나, 산소가 부족한 고산 지대에 있거나, 몸에 상처가 났을 때는 체내의 산소 농도가 떨어집니다. 이때 인체는 산소 농도 감소를 감지하여 산소를 운반하는 적혈구와 혈관을 새롭게 생성합니다. 서멘자 교수 등은 산소 농도 감지 작용이 특정 장기에서뿐만 아니라, 체내 전체에 걸쳐 일어나는 활동이라는 것을 밝혔습니다. 또한, 이러한 과정은 적혈구생성인자(EPO)와 단백질 복합체 HIF에 의해 조절된다는 것을 발견하여 EPO와 HIF에 대한 연구를 진행했습니다. 연구진은 산소가 체내에 충분히 있을 때는 HIF 단백질이 분해되어 사라지지만, 산소가 부족한 환경에서는 HIF가 분해되지 못한다는 것을 확인했습니다. 즉, 세포가 저산소 환경에 놓이면 HIF 농도가 증가하면서 세포 내 산소 농도를 안정화하는 것입니다.

(좌)그레그 서멘자 교수 Gregg L. Semenza: http://m.dongascience.donga.com/news.php?idx=31600

(중)피터 랫클리프 교수 Peter J. Ratcliffe : https://simple.wikipedia.org/wiki/Peter_J._Ratcliffe#/media/File:Peter_J._Ratcliffe_(cropped).jpg

(우)윌리엄 케일린 교수 William G. Kaelin Jr : https://simple.wikipedia.org/wiki/William_Kaelin_Jr.#/media/File:William_G._Kaelin_Jr._UNIST_CGI_2019.jpg

 

산소 농도에 따른 HIF의 작용: https://www.nobelprize.org/
(1)산소 농도가 낮으면 HIF는 분해되지 않고 세포핵의 ARNT와 결합하여 저산소증을 조절하는 DNA 부분(HRE)에 붙습니다. (2)산소가 정상 농도일 때는 HIF에 하이드록실기(-OH)가 붙고, 단백질을 분해하는 분자인 프로테아좀이 HIF를 분해합니다.

 

이들의 연구는 암 치료를 비롯한 다양한 의학 분야에 활용할 수 있을 것으로 평가받습니다. 암세포는 일반적인 세포보다 빠르게 증식하기 때문에 종양이 자라는 속도를 주변 혈관의 형성 속도가 따라가지 못합니다. 따라서 종양의 안쪽에 있는 암세포는 혈관으로부터 산소를 제대로 공급받지 못하는 경우가 발생합니다. 이 경우, 안쪽에 있는 암세포에서는 산소 농도 안정화를 위해 HIF가 증가하게 됩니다. 이때 HIF를 조절하여 암세포의 산소 공급을 차단하면 암세포의 전이를 제어할 수 있는 것입니다. 암 치료뿐만 아니라 장기 이식 수술과 줄기세포 연구에도 HIF의 메커니즘을 활용할 수 있습니다. 장기를 이식하기 위해 신체로부터 장기를 분리하거나, 줄기세포 연구를 위해 줄기세포를 제작하는 과정에서 세포의 산소 부족이 나타날 수 있습니다. 이때 HIF 메커니즘을 응용하면 세포에 오랜 시간 동안 안정적으로 산소를 공급할 수 있을 것입니다.

참고 자료
(노벨상 홈페이지 기사) https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/press-release/ (노벨상 홈페이지 기사)
(네이버 포스트 기사) https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=26243231&memberNo=36236175&vType=VERTICAL
https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=27500845&memberNo=29381200&vType=VERTICAL

 

알리미 25기 무은재학부 19학번 장 준