글리옥살라아제, 피부 세포 내에 자연적으로 존재하는 강력한 손상 방지 시스템

프랑스의 디올 사이언스(Dior Science)와 피에르 에 마리 퀴리 대학교(Université Pierre et Marie Curie, UPMC-Sorbonne Université) 소속 연구원들은 피부가 실제로 천연 보호 시스템을 자체적으로 보유하고 있음을 확인했다.

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시간의 흐름에 따라 세포의 핵심부 자체에서 일어나는 단백질 변성은 세포, 나아가 궁극적으로 조직에 돌이킬 수 없는 손상을 가한다. 글리옥살라아제(GO)는 인체에 자연적으로 내재한 강력한 손상 예방 시스템 중 하나로, UPMC-소르본 대학(UPMC-Sorbonne Universités)과 디올 사이언스(Dior Science)의 공동연구원들이 시행한 새로운 실험들에 의하면, 이 시스템은 피부 세포 내에 존재한다. GLO는 세포내효소인 글리옥살라아제1(GLO1)과 글리옥살라아제2(GLO 2)로 구성되어 있으며, 이 두 효소는 함께 협력하여 일상적인 신진대사는 물론, 태양 자외선과 공해 같은 다양한 산화 스트레스 인자가 원인이 되어 생성되는 특정 유해 디카르보닐 물질들을 해독하는 작용을 한다.

새로운 실험은 산소 반응성 종(ROS)이 피부 내에 존재 또는 부재한 부위에서 특히 디카르보닐 화합물인 글리옥살(GO)과 메틸글리옥살(MGO)에 의해 이루어지는 변화가 엘라스틴과 콜라겐 같은 세포 외 구조적 단백질뿐만 아니라 세포 내 단백질에도 영향을 미친다는 결과를 보여준다. GLO는 GO와 MGO를 그 생성 즉시 감지하고 중화하여 DNA와 단백질 같은 세포 및 세포 구성 요소를 공격하지 못하도록 방지한다.

이 시스템은 먼저 GLO1, 그런 다음 GLO2로 이어지는 투-펀치 프로세스를 통해 보호 작용을 발휘한다. 이 두 효소는 글리코산염(글리옥살의 경우) 같은 무독성 분자를 생성한다.

Dior Science의 Carine Nizard와 UPMC의 Isabelle Petropoulos가 이끄는 공동연구진은 GLO 시스템이 인간 표피의 각질형성세포(조직 재생을 담당하는 세포)와 진피의 섬유아세포(피하 조직 바로 위에 있는 층)에 위치한다는 사실을 최초로 발견했다. 그러나 GLO는 시간이 흐르면서 약화하는 경향을 보이고, 그 효과는 저하된다. 이러한 시스템의 약화는 불행히도 피부가 자외선에 노출될 때 한층 가속된다.

피부 내 GLO 효소의 위치를 밝혀내는 과정

이러한 현상이 일어나는 이유를 이해하고자, 연구진은 청년 피부와 노년 피부, 또는 빛에 노출된 인간 피부 샘플을 통해 GLO 효소가 각각의 피부 내에서 어디에 위치하는지 알아보기로 했다. 연구원들은 ‘면역조직화학염색(immunohistochemical staining)’이라는 기술을 사용하여 실험을 시행했으며, 해당 실험에서 Nizard와 Petropoulos, 그리고 박사 과정 학생인 Sabrina Radjei는 GLO1 또는 GLO2 양쪽 모두에 각각 결합하는 항인간항체로 실험 샘플들의 단면을 염색했다.

연구원들은 복부 피부 수술에서 따로 떼어낸 노년 피부와 청년 피부 생검으로부터 해당 샘플들을 채집했다. 노년 피부 표본은 평균 연령 63.2 ±1.6세의 기증자, 청년 피부 표본은 평균 연령 27.5 ±1.7세의 기증자를 통해 획득했다. 이와 동시에, 연구진은 26세에서 65세에 이르는 기증자로부터 얻은 정상적인 인간 성인 표피 각질 형성 세포(NHEK)도 함께 연구했다. 이 세포들은 인위적으로 노화되어 더 증식할 수 없고 노화의 징후(특정 바이오마커)를 나타내는 복제 노화(replicative senescence)의 대상이 되었다. 마지막으로, 연구진은 일광에 노출된 피부 세포 (팔뚝에서 채취)와 일광 보호 피부 세포(팔 상단 안쪽에서 채취)를 관찰했다. 다시 언급하지만, 해당 샘플들은 생검으로부터 얻은 것이다.

GLO의 발현과 활동

연구진은 모든 샘플을 통해, GLO1은 표피의 기저층(줄기세포가 발견되는 곳)에 주로 위치하는 반면, GLO2는 상층 각질 형성 세포에 위치하고 있음을 발견했다. 전반적인 GLO 발현은 노화가 되어도 피부 섬유아세포 내에서 변화를 보이지 않으나, GLO1의 활동 및 발현은 감소한다. 이러한 변화는 곧, 피부가 노화될수록 GLO 시스템이 그 기능을 제대로 수행할 수 없으며, 손상된 단백질이 세포 내에 축적된다는 것을 의미한다. 또한, 이 단백질 축적은 광노화된 노년 피부 샘플에서도 일어나는데, 반면 빛에 노출되지 않은 청년 샘플에서는 미미하게 나타난다.

반면에, GLO1이 강하게 발현되는 표피의 기저층에서는 손상된 단백질 레벨이 노년 피부나 청년 피부 양쪽 모두에서 증가하지 않는다. 이러한 사실은 GLO 시스템이 전구 세포가 손상되지 않도록 보호하고 있음을 시사한다.

"우리는 자외선에 노출되면 ROS의 생성이 증가하고 DNA가 변형되며, 단백질이 산화되면서 피부 노화가 촉진된다고 오랫동안 알고 있었다." Nizard와 Petropoulos는 이렇게 설명한다. "우리는 이 새로운 연구 작업을 통해 일광에 노출된 피부 샘플과 일광에 보호된 피부 샘플을 비교한 후 GLO1 발현에는 확연히 드러나는 차이가 없다는 사실을 알게 되었다. 그렇지만 노년 피부 샘플의 경우, 노화된 피부가 빛에 노출되었을 때 주로 진피는 물론, 표피에까지 대단히 많은 양의 당화 단백질이 축적되어 있었다는 것을 또한 발견했다. 한편, GLO2 효소는 청년 피부 샘플과 노년 피부 샘플 모두에서 일광에 보호된 표피와 비교했을 때 일광에 노출된 표피에서 더 적게 발현되었다." 고 연구원들은 덧붙인다.

이러한 결과는 자외선이 글리옥살라아제가 각질 형성 세포를 보호하는 방식에 변화를 줄 수 있음을 보여준다. 그렇다면, (선크림 사용과 같은) 간단한 방법으로 가능한 한 오랫동안 글리옥살라아제 자체를 보호하거나, 그 기능이 저하되기 시작할 때, 혹은 그 이전에라도 (국소 사용이 가능한 기술적 활성 표적 성분들을 사용하여) 효소의 활동을 실제로 더욱 활발하게 한다면 한층 젊은 피부를 오래도록 유지하는 데 도움이 될 수 있을까?

참고 자료: Experimental Dermatology, 2016, 25 475-494 / doi: 10.1111/exd.12995

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.