아쿠아타이드, 오토파지 그리고 항노화

Aquatide Activation of SIRT1 Reduces Cellular Senescence through a SIRT1-FOXO1-Autophagy Axis

저자는 임채진(인코스팜), 이용문(충북대학교), 강승구(강원대학교), 임형욱(UCSF, 글래스톤 연구소), 신경오(충북대학교), 정세규(서원대학교), 허양훈(한국기초과학연구원), 최수인(한국기초과학연구원), 고명호(인코스팜), 서호성(한국원자력연구원), 박병덕(네오팜USA), 박기돈(인코스팜), 안정근(충남대학교), 요시카주 우치다(UCSF), 박경호(한림대학교). 2017년 8월 ‘Biomolecules & Therapeutics’에 실린 원고를 정리했다. 국내 원료기업 인코스팜(대표 박기돈)이 개발한 아쿠아타이드(Aquatide)의 효과를 게재한 첫번째 논문이다. 이 원료는 AHC yee cream for face 시즌6의 핵심 원료였고, AHC eyecream for face 시즌 7, Logically skin 미스트 및 세럼 등으로 제품화됐다.

ABSTRACT
Ultraviolet (UV) irradiation is a relevant environment factor to induce cellular senescence and photoaging. Both autophagy- and silent information regulator T1 (SIRT1)-dependent pathways are critical cellular processes of not only maintaining normal cellular functions, but also protecting cellular senescence in skin exposed to UV irradiation. In the present studies, we investigated whether modulation of autophagy induction using a novel synthetic SIRT1 activator, heptasodium hexacarboxymethyl dipeptide-12(named as Aquatide), suppresses the UVB irradiation-induced skin aging. Treatment with Aquatide directly activates SIRT1 and stimulates autophagy induction in cultured human dermal fibroblasts. Next, we found that Aquatidemediated activation of SIRT1 increases autophagy induction via deacetylation of forkhead box class O (FOXO) 1. Finally, UVB irradiation-induced cellular senescence measured by SA-β-gal staining was significantly decreased in cells treated with Aquatide in parallel to occurring SIRT1 activationdependent autophagy. Together, Aquatide modulates autophagy through SIRT1 activation, contributing to suppression of skin aging caused by UV irradiation.
 
KEYWORDS

Autophagy, Senescence, Aquatide, Anti-aging, Cutaneous cellular senescence, UV irradiation, SIRT1

연구의 필요성

‘세월엔 장사없다’고 합니다. 우리 피부도 역시 세월이 흐르며 늙습니다. 그렇다고 늙도록 놔둘 수는 없습니다. 피부의 노화를 줄일 방법을 연구해야 하는 이유입니다. 피부는 우리 신체의 바깥을 감싸는 조직으로서, 미적인 아름다움을 표현해 줄 뿐만 아니라, 외부에서 가해지는 다양한 스트레스 요인들 – 병원균의 감염, UV 조사, 산화 스트레스, 독성 물질 및 물리적 자극-로부터 우리 신체를 보호하는 첫번째 방어 기전으로 작용합니다. 이런 중요한 역할을 수행하는 피부가 항상 건강한 상태로 유지되고 미적인 아름다움을 계속 나타내면 좋겠지만 나이를 먹거나 스트레스를 과도하게 받는 일이 많아지면서, 각종 노화 현상–칙칙함, 주름, 늘어짐, 색소침착 등-이 나타나고, 방어 기전이 제대로 작동하지 못해 각종 피부 질환에 취약한 상태로 변하게 됩니다. 특히 우리 피부에 작용하는 스트레스 요인 중에서, 자외선 조사는 세포 및 신체 노화를 유발하는 대표적인 요인으로 손꼽히고 있기에, 이로 인해 발생되는 노화를 억제하거나 회복시키기 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있습니다.

나이 및 스트레스에 의해 피부 상태가 변하는 근본적인 이유는 피부를 구성하는 세포가 나이를 먹거나 외부 자극에 노출됨에 따라 젊고 건강할 때와는 다르게 변하기 때문입니다. 특히 피부의 각질형성세포와 섬유아세포는 자외선에 직접 노출되기 때문에 좀 더 취약한 상태에 있게 됩니다. 이를 좀 더 자세히 살펴보면, 세포 안에는 항상 문제를 야기하는 물질–변화되거나 잘못 만들어진 단백질, 산화된 지질, 노화된 미토콘드리아 –이 생기는데, 이러한 것들은 자체적인 정화 시스템을 통해 분해되어 세포가 다시 성장할 수 있게 원료로 사용되도록 하는 작용 기전이 있지만, 나이를 먹음에 따라 이 활성이 약화됩니다. 이 활성을 과학자들은 오토파지(Autophagy)라고 부릅니다. 오토파지는 세포 안에서 만들어지고 쌓여지는 쓰레기 더미들–위에서 설명한 세포 내에서 문제를 야기하는 물질들-을 작은 막으로 감싸서 분해효소가 가득한 라이소좀과 결합시켜 분해시키는 일련의 과정입니다. 여러 연구진의 연구를 통해, 오토파지 활성화는 세포사멸, 분화, 염증, 면역 활성 등을 조절하여 세포 및 조직의 항상성을 유지시키는 데 매우 중요한 역할을 수행하고 있으며, 이러한 오토파지 활성의 억제 및 약화는 노화 관련 질환의 발병 및 악화에 매우 밀접한 연관을 맺고 있기에 많은 연구진들이 오토파지 활성 조절 물질을 개발하여 우리 신체의 노화 및 관련 질환을 억제하는 데 이용하고자 노력하고 있습니다.

연구 내용

본 연구진은 합성 펩타이드 유도체 라이브러리에 대한 활성 분석을 통해, 오토파지를 활성화시키는 신규 펩타이드 유도체를 개발하고자 본 연구를 시작했습니다. 피부 세포에 각 물질을 처리한 후 오토파지 활성화 과정에서 생성되는 LC-3II의 증가를 Western Blot으로 검증한 후(Figure 1-A), 3차원 인공피부 모델에서의 LC3 염색도 증가 비교(Figure 1-B), 공초점 현미경 하에서의 LC3 puncta 형성 변화 비교(Figure 1-C), 및 전자현미경 하에서의 Autophagosome 및 Autolysosome의 생성도를 비교함으로(Figure 1-D), 신규 오토파지 활성화 소재 아쿠아타이드를 발굴할 수 있었습니다.

아쿠아타이드가 오토파지를 활성화시킨다는 결과를 확보한 후, cDNA array 및 다양한 유전자, 단백질의 발현 변화에 대한 추가 연구를 통해, 아쿠아타이드는 장수 단백질로 유명한 Sirtuin-1 단백질을 활성화시킨다는 결과를 확보할 수 있었습니다. Sirtuin-1 단백질은 세포 내 단백질의 구조를 변화시켜 노화를 차단하고 세포를 치유하는 단백질의 발현을 촉진시킴으로써 생명 연장 및 노화 현상 완화에 매우 중요한 역할을 수행하는 유전자로 알려져 있습니다. 서구의 적포도주를 즐기는 사람들이 장수하는 이유가 그 안에 Sirtuin-1을 활성화시키는 물질이 많기 때문이라는 연구도 있을 정도입니다. 여러 실험을 통해 아쿠아타이드는 Sirtuin-1 단백질의 효소 활성을 농도 의존적으로 증가시켜주며(Figure 2-A), 이 과정에서 Sirtuin-1 단백질과 직접적인 결합이 이뤄짐을 확인할 수 있었습니다 (Figure 2-B).

아쿠아타이드가 Sirtuin-1 단백질과 결합하여 효소 활성을 증가시킴에 따라, Sirtuin-1 하위 단백질의 활성 변화를 검토하였습니다. 그 결과, 노화 억제와 오토파지 활성화에 매우 중요한 역할을 수행하고 있는 FoxO1 단백질의 아세틸화 패턴 변화(Figure 3-A, B) 및 Sirtuin-1 단백질 활성을 인위적으로 억제하였을 때, 아쿠아타이드에 의해 증가된 오토파지 활성화가 억제됨을 확인하여(Figure 3-C,D,E), 아쿠아타이드와 Sirtuin-1 간의 상호 관계를 증명할 수있었습니다.

아쿠아타이드에 의한 오토파지 활성화가 세포에 긍정적 영향을 미치는지를 검토하기 위해 자외선 조사로부터 세포 노화 억제 활성이 나타나는지를 검토해 보았습니다. 자외선 조사는 세포의 노화를 가속화시키고, 심할 경우에는 세포를 사멸시거나 암을 유발하기 때문입니다. 그 결과, 세포에 자외선을 가했을 때 증가되는 세포의 노화 현상이 아쿠아타이드 처리에 의해 대폭 개선됨을 확인할 수 있었고, 이러한 현상은 Sirtuin-1 활성 억제제인 Ex-527이라는 물질에 의해 방해되었습니다. 이를 통해 아쿠아타이드는 Sirtuin-1 활성화를 통해 오토파지도 활성화시키고, 세포 노화도 억제할 수 있음을 증명할 수 있었습니다( Figure 4-A, B).

연구성과 및 기대효과

일련의 연구를 통해, Sirtuin-1 활성화 기전을 가지는 오토파지활성화 소재인 아쿠아타이드를 이용하여 피부 노화를 근본적으로 억제하고 회복시킬 수 있는 화장품의 개발이 가능하며, 나아가서는 오토파지 활성화 소재가 피부를 비롯한 다양한 신체 장기의 노화를 차단하고, 노화 관련 질병의 치료 및 완화에 효과적일 수 있음을 확인할 수 있었습니다. 세월엔 장사가 없습니다. 우리 피부도 나이를 먹어감에 따라 같이 늙어갑니다. 하지만, 오토파지 활성화를 통해 세포의 노화되는 상태를 개선시켜주면 나이를 먹어가는 우리 피부 세포를 좀 더 건강하게 해주고, 이를 통해 건강한 피부로 가꿔줄 수 있을 것입니다.

REFERENCES

1. Lim, C.J., et al., Aquatide Activation of SIRT1 Reduces Cellular Senescence through a SIRT1-FOXO1-Autophagy Axis. Biomol Ther (Seoul), 2017. 25(5): p. 511-518.

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7. Rittie, L., et al., UV-light-induced signal cascades and skin aging. Ageing Res. Rev. 2002. 1, 705-720