핵수용체 조절 피부장벽강화 천연물 소재 연구
핵수용체 조절 피부장벽강화 천연물 소재 연구
  • 김수남 책임연구원(한국과학기술연구원) ( office@thekbs.co.kr)
  • 승인 2019.11.20 13:15
  • 매거진 : 2019년 10월호
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Skin application of natural product regulating nuclear receptor

 

서론

김수남 책임연구원
김수남 책임연구원

핵수용체(Nuclear receptor)는 리간드(Ligand)에 의해 활성화되는 전사인자(Transcription factor)로 세포분화, 발생, 생체 항상성 유지, 대사 조절 등 생체에서 다양한 기능을 수행하고 있다. 사람에서는 48개, 생쥐에서는 49개, 쥐에서는 47개가 보고되고 있다. 핵수용체에 결합하는 리간드는 일상생활에서 흔히 접하게 되는 비타민 A, 비타민 D, 남성호르몬, 여성호르몬, 부신피질호르몬, 갑상선호르몬 등 내인성 호르몬과 같은 지방친화성의 물질이다.

핵수용체와 관련된 유전자의 많은 수는 질병과 연관되어 있으며 미국 식품의약품안전청USFDA이 승인한 약물의 약 13%가 핵수용체를 표적으로 하고 있다. 핵수용체는 주로 분자량 50~100 kDa 크기의 단백질이며 리간드 결합 도메인에 리간드들이 결합하면 형태가 바뀌면서 DNA에 결합하여 전사인자로서의 역할을 나타낸다.[1]

제1형 수용체는 주로 스테로이드 수용체이며, 세포질에 존재하다가 리간드와 결합하여 Homodimer가 되어 핵으로 이동하여 그 활성을 나타내며, 제2형 수용체는 세포핵에서 주로 RXR과 Heterodimer의 형태로 존재하고 Corepressor와 결합하고 있다가 리간드와 결합하면서 Corepressor가 해리되고 Coactivator와 결합하면서 전사인자로서의 활성을 나타내게 된다.[2]

 

피부장벽과 핵수용체

피부는 외부 물질이나 자극으로부터 신체를 보호해서 항상성(Homeostasis)을 유지해주는 가장 중요한 기관이다. 1928년에 처음으로 Marchinini와 Shade가 피부장벽(Skin barrier)이라는 개념을 소개하였으며, 장벽이란 두개의 환경 사이에서 두개의 공간을 분리하여 물질 등이 서로 자유롭게 이동하지 못하도록 방지하는 역할을 하는 것으로 정의 내렸다. 피부 장벽 기능의 약 90% 이상은 표피(Epidermis)에서 나타내며 특히 각질층(Stratum corneum)이 주된 기능을 하고 있다. 피부장벽은 아래 그림1처럼 벽돌과 회반죽(Brick and mortar) 구조를 가지고 있다.[3]

각질층을 이루는 지질은 50%의 세라마이드, 25%의 콜레스테롤, 15%의 유리지방산으로 이루어져 있으며, 이러한 지질 성분들이 핵수용체에 대한 리간드로서 제공된다. 피부에 존재하는 핵수용체는 전통적인 수용체(Classical receptors)로서 당질코르티코이드호르몬수용체(Glucocorticoid receptor, GR), 무기질코르티코이드수용체(Mineralocorticoid receptor, MR), 에스트로겐수용체(Estrogen receptor, ER), 프로게스테론수용체(Progesterone receptor, PR), 안드로겐수용체(Androgen receptor, AR)가 있으며, RXR heterodimer로 레티노이드 X 수용체(Retinoid X receptor, RXRα,β,γ), 퍼록시좀 증식자 활성화 수용체(Peroxisome proliferator-activated receptors, PPARα,β/δ,γ), 간 X 수용체(Liver X receptor), 갑상선호르몬 수용체(Thyroid receptor, TR), 레티노이드 수용체(Retinoid receptor, RARα,β,γ), 비타민 D 수용체(Vitamin D receptor, VDR) 등이 있다.[4]

그림 1. 형태적 기능적 요소들로 표시한 피부장벽의 모식도.
그림 1. 형태적 기능적 요소들로 표시한 피부장벽의 모식도.

이들 수용체 중 PPAR은 피부세포의 분화, 장벽기능 회복, 지질생합성 등에 매우 중요한 수용체로 알려져 있다. PPARα 및 PPARγ를 활성화시키는 내인성 리간드는 α-linoleic acid, DHA, linoleic acid, arachidonic acid, LTB4, 12HETE, 15HETE, prostaglandins 등이 있으며 PPARβ/δ에 대한 내인성리간드는 현재까지는 알려지지 않았다. PPARα 활성화의 결과로 피부분화마커인 Filaggrin, Involucrin, Loricrin 등의 발현이 촉진되며, PPARγ의 활성화로 Aquaporin 3, Involucrin, Loricrin, Filaggrin 등의 발현이 촉진되며, PPARβ/δ의 활성화로 Transglutaminase 1, Involucrin, Loricrin의 발현이 촉진된다.

피부염증에 미치는 PPAR의 역할을 살펴보면, 각질형성세포(Keratinocyte), 랑게르한스세포(Langerhans cells), T 임파구(T-lymphocytes), 조절 T 임파구(Regulatory T-lumphocytes)에 작용하여 염증성 사이토카인인 TNFα, IL-1α, IL-1β, IL-6, IL-8, IL-17, IFN-γ 등의 발현을 변화시키며, 면역 세포의 이동, 증식 등에 영향을 미치는 것으로 알려졌다. 위 염증 조절 효과의 결과로 PPARα은 아토피피부염(atopic dermatitis)에 영향을 미칠 수 있으며, PPARγ는 건선(Psoriasis)과 모낭편평태선(Lichen planopilaris)에 영향을 미칠 수 있으며, PPARβ/δ는 건선에 영향을 미칠 수 있음이 제시되었다.[5]

 

핵수용체 조절 기전을 통한 천연물 소재 발굴 연구

핵수용체는 위에서 기술한 바와 같은 효능을 가지므로, PPAR을 경유하여 피부장벽을 강화하여 아토피피부염을 개선할 수 있는 천연물소재를 연구하였다. 여러가지 천연물 중 국화과(Compositae)에 속하는 쑥(Artemisia argyi)은 전통적으로 동양에서 사용되어 온 전통의약으로 주로 여러가지 염증성질환을 다스리는데 사용되어 왔다. 본 연구에서 쑥의 PPAR의 활성화에 미치는 영향을 살펴본 결과 주로 PPARα를 활성화시키며, PPARγ는 매우 약하게 활성화 시키는 것을 확인할 수 있었다 (그림 2).

그림 2. 쑥의 PPAR활성화에 미치는 영향[6]
그림 2. 쑥의 PPAR활성화에 미치는 영향[6]

쑥의 성분 중 어느 성분이 PPAR의 활성화에 영향을 미치는지를 Affinity selection ultrafiltration LC-MS를 통해 확인한 결과 주요성분으로 알려져 있는 Eupatilin이 활성성분임을 확인할 수 있었다. Eupatilin은 쑥과 마찬가지로 PPAR에 대한 활성을 가지는데, 수용체에 대한 binding assay 결과를 보면 PPARα에 대한 결합은 IC50 값이 1.18 μM이며, PPARγ에 대한 결합은 IC50값이 100 μM 이상으로 주로 PPARα와 직접적인 결합을 통해 그 활성을 나타냄을 알 수 있었다 ( 그림 3).[6]

Eupatilin이 PPARα를 경유하여 피부장벽을 강화하는지를 확인하기 위하여 PPARα가 감소되는모델인 Oxazolone 유도 아토피피부염 모델을 도입하였다. Eupatilin을 1.5%, 3% 도포한 결과 부종과 홍반 증상을 감소시켰으며 표피두께를 감소시키며, Mast cell의 침윤을 감소시켰다 (그림 4).

43 RESEARCH PAPER 44그림 4. Eupatilin의 피부두께 및 염증세포 침윤에 미치는 영향[7]
그림 4. Eupatilin의 피부두께 및 염증세포 침윤에 미치는 영향[7]

Eupatilin은 아토피 피부염의 경우 생합성이 증가되는 IgE의 혈액 내 양을 감소시키고, 아토피 피부염을 일으키는 주요 원인이 되는T h2 싸이토카인인 IL-4의 혈액내 양을 감소시켰다. 그리고 그외의 염증성 싸이토카인인 TNFα, IFN-γ, IL-1β, IL-33, IL-25를 감소시키며, 가려움증을 나타내는 TSLP의 발현 양 또한 감소시켰다. 피부세포 분화와 관련되는 Filaggrin과 Loricrin은 아토피 피부염의 경우 그 발현이 감소되었는데, Eupatilin 처리군에서는 다시 그 발현이 회복되어 피부의 보습기능을 유지해 주는 것이 확인되었다.(그림 5).

그림 5. Eupatilin의 피부분화 관련 마커들에 미치는 영향[7]
그림 5. Eupatilin의 피부분화 관련 마커들에 미치는 영향[7]

Eupatilin이 PPARα를 경유하는 이외에 아토피 피부염에 대한 치료효과의 기전을 확인하기 위해 Mast cell 인 RBL-2H3세포에서 IL-4에 대한 발현을 측정한 결과 그 발현을 감소시켰으며, 그 하위단계인 탈과립까지 저하시키는 것으로 확인되었다 (그림 6).

그림 6. Eupatilin이 IL-4및 탈과립에 미치는 영향
그림 6. Eupatilin이 IL-4및 탈과립에 미치는 영향

아래에 Eupatilin이 아토피 피부염을 경감시키는 기전을 모식도로 표현해 보았다(그림 7). 즉 외부 알러젠에 의하여 피부장벽이 망가지면서 유리되는 여러가지 요인들이 Th2 세포로의 분화를 촉진시켜 IL-4의 발현을 증가시킴으로써 아토피 피부염을 유도하는데, Eupatilin은 IL-33, IL-25의 발현 감소, IL-4 발현 감소, 탈과립 감소, TSLP의 발현 감소 등에 영향을 미쳐서 아토피 피부염에 대한 개선 효과를 가지는 것으로 사료된다.

그림 7. Eupatilin의 아토피 피부염 경감에 미치는 신호전달 과정 모식도
그림 7. Eupatilin의 아토피 피부염 경감에 미치는 신호전달 과정 모식도

핵수용체 조절 천연물 연구 시 고려할 점

PPARα와 PPARγ는 모두 항염증 작용을 가지고 있고, 피부세포의 증식을 억제하고 분화를 촉진시킨다는 특성을 가지고 있고, 특히 PPARγ는 수분의 전달체(Transporter)로써 작용하는 Aquaporin 3의 발현을 증가시키므로, 아토피 피부염에 효능을 더 높여줄 것으로 생각되어서 PPARα/γ dual agonist를 피부에 적용해 보았다. 그 결과 아토피 피부염의 상태를 더욱 화시켰다(Data not shown). 3가지 천연물과 화합물을 더 적용해 보았어도 마찬 가지 결과를 얻었다. 이러한 현상이 나타나는 원인은 면역세포 중 대식세포(Macrophage)의 반응때문으로 생각된다. IL-4는 대식세포에 작용하여 M2 polarization을 일으켜 항염증 작용을 나타내는 것으로 알려져 있다 (그림8). 신호전달 과정을 따라가 보면 Downstream에 STAT6 뿐만 아니라 PPARγ 및 PPARβ/δ가 존재하여 M2 polarization을 일으키는 것을 확인할 수 있다.[8] 그러나 천식에서 보고된 바에 의하면 대식세포에서 과도한 M2 polarization은 세포들의 Recruit를 증가시키고 점액분비를 촉진시키며 기도의 과반응 상태를 일으킨다고 한다.[9] 또한 대식세포의 M2 polarization을 감소하면 천식 등으로부터 보호할 수 있다는 보고를 보면 대식세포의 과활성화가 알러지 질환에 많은 영향을 미침을 알 수 있다.[10]

그림 8. 대식세포에서의 IL-4 하위 신호[8]
그림 8. 대식세포에서의 IL-4 하위 신호[8]

그러므로 아토피 피부염에서도 IL-4를 저하시킨다고 하여도 PPARγ에 미치는 효능이 남아있다면, 비슷한 기전으로 아토피 피부염이 악화되지 않을까 생각된다. 천연물은 MC/MT(multi-target/multi-component)의 특성을 가지고 있으므로, 아토피 피부염을 개선하는 소재를 개발할 때에는 피부세포와 면역세포 모두에 미치는 영향을 고려하여 신중하게 선정하여야 할 것으로 사료된다.

REFERENCES

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_receptor

2. Sever R, Glass CK. Signaling by nuclear receptors. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013 5(3):a016709.

3. Darlenski R, Kazandjieva J, Tsankov N. SKIN BARRIER FUNCTION: MORPHOLOGICAL BASIS AND REGULATORY MECHANISMS. J Clin Med. 2011; 4(1):36-45

4. Schmuth M, Watson RE, Deplewski D, Dubrac S, Zouboulis CC, Griffiths CE. Nuclear hormone receptors in human skin. Horm Metab Res. 2007 39(2):96-105.

5. Schmuth M, Moosbrugger-Martinz V, Blunder S, Dubrac S. Role of PPAR, LXR, and PXR in epidermal homeostasis and inflammation. Biochim Biophys Acta. 2014 1841(3):463-73.

6. Choi Y, Jung Y, Kim SN. Identification of Eupatilin from Artemisia argyi as a Selective PPARα Agonist Using Affinity Selection Ultrafiltration LC-MS. Molecules. 2015 20(8):13753-63

7. Jung Y, Kim JC, Park NJ, Bong SK, Lee S, Jegal H, Jin LT, Kim SM, Kim YK, Kim SN. Eupatilin, an activator of PPARα, inhibits the development of oxazolone-induced atopic dermatitis symptoms in Balb/c mice. Biochem Biophys Res Commun. 2018 496(2):508-514.

8. Chawla A. Control of macrophage activation and function by PPARs. Circ Res. 2010 106(10):1559-69.

9. Liu YC, Zou XB, Chai YF, Yao YM. Macrophage polarization in inflammatory diseases. Int J Biol Sci. 2014 10(5):520-9.

10. Moreira AP, Cavassani KA, Hullinger R, Rosada RS, Fong DJ, Murray L, Hesson DP, Hogaboam CM. Serum amyloid P attenuates M2 macrophage activation and protects against fungal spore-induced allergic airway disease. J Allergy Clin Immunol. 2010 126(4):712-721.e7.


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