세포 및 조직의 단백질 손상을 제한하는 피부 내 방어 시스템, 글리옥살라아제

디올 사이언스(Dior Science) 연구원 Carine Nizard, 피에르 에 마리 퀴리 대학(Université Pierre and Marie Curie, UPMC-Sorbonne Université) 부교수 Isabelle Petropoulos와의 인터뷰.

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UPMC 와 Dior Science의 협력 연구는 UPMC 실험실 디렉터 Bertrand Friguet와 LVMH 연구소의 연구과학자 Carine Nizard의 주도 아래 18년 전부터 시작되었다. 해당 연구팀의 작업과 성과에 관해 Carine Nizard, 그리고 그녀의 오랜 동료인 UPMC의 Isabelle Petropoulos와 함께 이야기 나눈다.

Bel Dumé (이하 BD): 연구 배경에 관해 설명해 준다면?

Carine Nizard와 Isabelle Petropoulos(이하 CN & IP): 인체 내의 모든 세포는 안정적이면서 기능적인 프로테옴을 유지하기 위해 단백질 항상성을 조절하는 정교한 메커니즘에 의존한다. 시간의 흐름에 따라 세포 내 프로테옴의 안정성을 유지하기가 점점 어려워지고, 이는 점진적인 단백질 변성과 차후 일반적인 피부 노화로 이어진다.

피부에는 비접힘 및/또는 비 기능성 단백질을 제거하기 위해 다양한 시스템이 있는데, 우리는 그중에서도 가장 중요한 시스템인 세포와 세포핵 내의 프로테아솜(proteasomes)에 관한 연구를 우리 연구의 출발점으로 삼았다. 이 시스템은 자연적인 노화 과정은 물론, 자외선 및 모든 타입의 산화 스트레스(두 가지만 꼽자면 공해와 담배 연기)에 지속해서 노출됨으로써 변화를 일으킨다. 세포 내에서 발견되는 프로테아솜과 유사한 론 단백질분해효소(LON protease)는 미토콘드리아 내에 존재한다.

(DNA를 회복해주는 시스템이 많은 것과는 대조적으로), 단백질은 일단 산화되어야 회복이 가능한 단 두 개의 아미노산으로 이루어져 있어 그것을 회복하는 시스템은 소수로 국한된다. 그중 하나로 PMSR 또는 MSR(메티오닌 술폭사이드 환원 효소: Methionine Sulfoxide Reductase)으로 알려진 시스템이 있다. 이 시스템은 피부 내에 존재하면서 산화 스트레스로부터 피부를 보호한다.

BD: MSR에 관련한 연구 작업을 설명해 준다면? 그 과정에서 어떻게 글리옥살라아제 시스템에 관한 연구로 연결하게 되었나?

CN & IP: 우리는 in vitro 실험을 통해 자외선에 노출된 피부 세포를 연구했고, MSR의 발현과 활동이 연령과 광노출에 따라 감소한다는 사실을 발견했다. 따라서 시스템의 효율성은 떨어지고 피부 보호 기능이 제대로 작동하지 못하게 된다. 아울러 우리는 재건된 피부 모형들을 연구했고, 이 경우 피부가 산화될 때보다 적은 양의 빛을 반사한다는 (다시 말해, 방사 휘도계 측정에 따르면 피부 반사율이 감소한다는) 사실을 밝혀냈다.

이러한 결과를 토대로, 우리는 리포크로만(lipochroman)이라는 활성 성분을 이용한 코스메틱 제품을 개발했다. 이 물질은 강력한 항산화 효능을 지닌 비타민 E 유사체로, 공해나 자외선 등 환경적 요소로 인해 생성되는 활성산소종(ROS)과 활성 질소 종(RNS)을 효과적으로 제거한다. 또한, 리포크로만은 MSR의 활동을 촉진한다.

GLO 시스템은 인체 내 해독 작용과 항글리코산화 시스템으로 잘 알려진 또 하나의 시스템으로, 프로테아솜 및 MSR과 유사하면서도 그보다 선행하여 단백질에 유해한 특정 성분들을 제거함으로써 이들과는 다른 단계에서 작용한다. 최근 들어 우리 연구진은 이 시스템이 또한 동물 수명에 중요한 역할을 수행한다는 사실을 발견했고, 따라서 우리는 이 시스템이 사람의 피부에 어떻게 반응하는지에 대한 연구가 대단히 중요하다고 생각했다.

BD: 글리옥살라아제에 관한 연구 내용과 지금까지 얻어낸 가장 중요한 결과를 간략히 설명해 준다면?

CN and IP: 우리는 글리옥살라아제(GLO)가 단백질과 세포에 유해한 디카르보닐이나 글리옥살(GO) 같은 특정 대사 산물과 산화 스트레스를 어떻게 제거하는지 관찰 중이다. 지금까지 연구원들에게 이 시스템은 주로 당뇨성 혈관 합병증이나 심장 혈관계 질환 예방을 수행하는 역할로 잘 알려져 있었지만, 피부 세포 내부 그 자체에서 디카르보닐을 해독하는 또 하나의 중요한 역할에 대해서는 거의 알려진 바가 없었다.

GLO는 디카르보닐을 제거하여 더 이상의 산화 작용이 일어나지 않도록 세포를 보호한다. 앞서 언급한 바와 같이, 그것은 일종의 해독 시스템이지만, 우리는 지금까지 그것이 피부 내에 존재했는지 그 여부조차 알지 못했다. 우리의 연구는 디카르보닐 스트레스가 각질 형성 세포 단백질에도 또한 영향을 미친다는 것을 입증하며, 정상적인 인간 피부에 GLO 시스템이 실재한다는 사실을 최초로 증명해냈다. 세포 내 글리케이션(glycation) 및 글리코산화(glycoxidation) 과정은 세포의 기능상 변질을 초래한다. 따라서 GLO 시스템은 이러한 변화를 방지하고 피부 항상성을 보존하는 데 있어서 매우 지대한 역할을 한다.

BD: 글리옥살라아제는 피부 어느 부위에서 발견되며 그 기능은 무엇인가?

CN & IP: 특히 표피 각질 형성 세포와 진피 섬유아세포에서 발견되며, 우리가 그동안 연구했던 여러 다른 시스템과 마찬가지로 특히 표피 기저층에서 단백질 항상성에 대한 보호 역할을 수행하는 것으로 보인다. 우리는 또한 글리옥살라아제가 각질 형성 세포의 확산과 분화에 관련한 중요한 역할을 할 수도 있다는 것을 시사하는 예비적 결과를 가지고 있다.

BD: GLO 시스템의 보호 기능을 간략하게 설명해 준다면?

CN & IP: GLO 효소 및 글리옥살라아제1(GLO1), 글리옥살라아제 2(GLO2)는 포도당과 그 외 탄수화물의 대사로부터 (글리옥살의 경우) 직접 그리고 (메틸글리옥살의 경우) 간접적으로 생성되는 디카르보닐 화합물인 글리옥살(GO)과 메틸글리옥살(MGO)을 제거하고 형질 변화를 일으킨다. GO와 MGO는 세포에 유독하며, 세포 내 단백질과 반응하여 이를 변형시키고 그 기능에 영향을 준다. GLO1과 GLO2는 그러한 물질들을 - 예를 들어 GO의 경우 글리콜산염(glycolate) 같이 - 보다 독성이 적은 생성물로 변환한다.

이러한 해독 작용 덕분에, GLO 시스템은 GO와 MGO가 세포 내에 축적되는 것을 방지하여 세포의 기원에서 나타나는 단백질 손상을 제한하고, 궁극적으로는 조직의 노화를 막아 준다.

BD: 연구팀에서 가장 중요한 실험들에 관해 설명해 준다면?

CN & IP: 노쇠한 각질 세포 및/또는 고령의 대상자들로부터 획득한 각질 형성 세포 내의 GLO에 관한 우리의 in vitro 연구는 이들 세포에서 (효소 발현의 변화 없이도) GLO1 활동이 현저하게 감소한다는 사실을 밝히고 있다. 이러한 시스템의 변화는 GO와 MGO에 의해 변성된 단백질의 증대를 유발한다. 이렇게 형성된 단백질들은 또한 빛에 노출되지 않은 피부와 비교하여 빛에 노출되어 노화된 피부, 특히 진피에 축적된다.

그에 반해서, 이들 샘플 내에서 GO에 인해 변성된 단백질 레벨은 GLO1이 강하게 발현되는 표피의 기저층에서는 증가하지 않는다. 따라서 GLO 시스템은 증식 중인 세포가 손상되지 않도록 보호하는 역할을 하는 것으로 보인다.

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Bel Dumé

Science Writer & Editor

Bel Dumé PhD is a science and technology writer and editor based in Paris, France. She has over 10 years experience in science communication, both within a major publishing house and several press agencies.