KAIST "노화 세포 젊은 세포로 되돌린다"

조광현 교수 연구팀 초기 원천기술 개발...수명 연장 새 방법 제시

노화된 세포를 젊은 세포로 되돌리는 역 노화 원천기술을 KAIST 연구팀이 개발했다. 이를 활용하면 노화 현상을 막고 각종 노인성 질환을 사전 억제할 수 있는 치료제를 개발할 단서를 찾을 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST(총장 신성철)는 바이오 및 뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 시스템생물학 연구를 통해 노화된 인간 진피 섬유아세포를 정상적인 젊은 세포로 되돌리는 역 노화의 초기 원천기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

조 교수팀의 이번 연구 결과는 아모레퍼시픽 기술연구원과의 산학 공동연구를 통해 최초로 개발한 노화 인공피부 모델에 이 기술을 적용, 입증하는 데 성공했다.

조 교수팀은 이번 연구를 위해 인간 진피 섬유아세포의 세포노화 신호전달 네트워크의 컴퓨터 모델을 개발한 후 시뮬레이션 분석을 통해 노화된 인간 진피 섬유아세포를 젊은 세포로 되돌리는데 필요한 핵심 인자를 찾아냈다. 이후 노화 인공피부 모델에서 핵심 인자를 조절함으로써 노화된 피부조직에서 감소된 콜라겐의 합성을 증가시키고 재생 능력을 회복시켜 젊은 피부조직의 특성을 보이게 하는 역 노화 기술을 개발했다.

이러한 역 노화 기술은 노화된 피부 등을 포함한 노화 현상 및 많은 노인성 질환의 발생을 사전에 억제할 수 있는 근본적 치료책을 제시한 것으로, 건강 수명을 오랫동안 유지하고 싶은 인류의 꿈을 실현하는데 한 걸음 다가선 결과라고 연구팀은 의미를 부여했다.

KAIST 바이오 및 뇌공학과 안수균 박사과정 학생, 강준수 연구원, 이수범 연구원과 아모레퍼시픽의 바이오사이언스랩이 참여한 이번 연구 결과는 국제저명학술지 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다.(논문명: Inhibition of 3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1 (PDK1) can revert cellular senescence in human dermal fibroblasts)

앙상블 불리언 네트워크 모델링 및 대규모 컴퓨터 시뮬레이션 분석

세포 노화 역행에 대한 표현형 검증 이미지

KAIST에 따르면 현재 널리 연구되고 있는 회춘 전략은 이미 분화된 세포를 역분화시키는 4개의 'OSKM(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc) 야마나카 전사인자'를 일시적으로 발현, 후성유전학적 리모델링(epigenetic remodeling)을 일으킴으로써 노화된 세포를 젊은 상태로 되돌리는 부분적 역분화(partial reprogramming)를 택하고 있다.

하지만 이 기술은 노화된 세포가 젊은 세포로 되돌아갈 수 있다는 것을 증명했지만 종양 형성과 암 진행을 유발하는 부작용이 생긴다. 이에 따라 이 같은 부작용을 배제할 수 있는 정교한 제어 전략이 과학 난제로 남아있다.

조 교수팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 시스템생물학 연구 방법을 통해 노화된 인간 진피 섬유아세포를 정상적인 젊은 세포로 되돌릴 수 있는 핵심 조절인자를 오래전부터 탐구해왔다.  4년에 걸친 연구 끝에 단백질 합성, 세포 성장 등을 조절하는 mTOR와 면역 물질 사이토카인의 생성에 관여하는 NF-kB를 동시에 제어하고 있는 상위 조절 인자인 'PDK1(3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1)'을 찾아냈다.

연구팀은 PDK1을 억제함으로써 노화된 인간 진피 섬유아세포를 다시 정상적인 젊은 세포로 되돌릴 수 있음을 분자 세포실험 및 노화 인공피부 모델 실험을 통해 입증했다. 연구를 통해 노화된 인간 진피 섬유아세포에서 PDK1을 억제했을 때 세포노화 표지 인자들이 사라지고 주변 환경에 적절하게 반응하는 정상 세포 기능을 회복하는 현상을 확인했다.

연구 결과 노화된 인간 진피 섬유아세포에서는 PDK1이 mTOR와 NF-kB를 활성화해 노화와 관련된 분비 표현형(SASP: Senescence Associated Secretary Phenotype)을 유발하고 노화 형질을 유지하는 것과 연관돼 있음을 밝혀냈다. 즉, PDK1을 억제함으로써 다시 원래의 정상적인 젊은 세포 상태로 안전하게 되돌릴 수 있음을 증명한 것이다.

조 교수팀이 연구 과정에서 찾아낸 표적 단백질 활성을 억제할 수 있는 저분자 화합물과 관련된 신약 개발과 전임상실험을 통해 노화된 세포의 정상 세포화라는 연구 결과는 새로운 노인성 질환의 치료 기술과  회춘 기술에 관한 연구를 본 궤도에 올려놓은 초석을 다진 획기적인 연구라고 KAIST는 설명했다.

실제 아모레퍼시픽 기술연구원은 이번 연구 결과의 동백추출물에서 PDK1 억제 성분을 추출해 노화된 피부의 주름을 개선하는 화장품을 개발하고 있다. 조광현 교수는 "그동안 비가역적 생명현상이라고 인식돼왔던 노화를 가역화할 가능성을 보여줬다"라며 "이번 연구는 노화를 가역적 생명현상으로 인식하고 이에 적극적으로 대처해 건강 수명을 연장하는 한편 노인성 질환을 예방할 수 있는 새로운 시대의 서막을 열었다는데 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구는 조광현 교수 연구팀의 시스템생물학 기반 가역화 기술 개발의 일환으로 이뤄졌다. 연구팀은 지난 1월 같은 기술을 적용해 대장암세포를 다시 정상 대장 세포로 되돌리는 연구에 성공하기도 했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 KAIST 그랜드챌린지 30 (KC30) 프로젝트 및 아모레퍼시픽 R&D 센터 지원으로 수행됐다.

조광현 KAIST 교수.