신순영 교수(건국대학교 상허생명과학대학 생명과학특성학과) et al.

The EGR1-STAT3 Transcription Factor Axis Regulates α-MSH-induced Tyrosinase Gene Transcription in Melanocytes

건국대학교 상허생명과학대학 생명과학특성학과 신순영 교수
건국대학교 상허생명과학대학 생명과학특성학과 신순영 교수

[더케이뷰티사이언스]   건국대학교 신순영 교수 연구팀이 피부 색소 침착을 조절하는 새로운 메커니즘을 밝혀내, 지난 1월 2일 피부과학 연구저널인 ‘저널 오브 인베스티거티브 더마톨로지(Journal of Investigative Dermatology)’ 웹사이트에 게재되었다. 이번 연구는 미래창조과학부의 ‘중견연구자 지원사업’의 과제로 수행됐다. 이번에 밝힌 메커니즘인 EGR1-STAT3-Tyrosinase 신호전달 경로는 멜라닌의 생합성을 촉진시키는 새로운 경로로 이전 보고된 논문의 후속연구이다. 2017년 불로화 추출물 ‘아제라린(Agerarin)’을 처음 발견하면서 시작되었고, 2018년 아제라린이 STAT-3 전사인자 활성을 억제시켜 티로시나아제(Tyrosinase) 발현을 억제한다는 사실을 밝히면서 추가연구를 진행한 결과, 그 경로를 최종 규명하게 되었다. 연이은 연구 결과에 담긴 이야기가 무척 궁금해졌다. 어떻게 이런 성과를 낼 수 있었을까.

 

2017년에 아제라린을 처음 발견하셨는데, 연구를 시작하게 된 배경이 궁금합니다.

2014년 건국대 임융호 교수 연구팀과 공동으로 농촌진흥청에서 주관하는 ‘농생명바이오 식의약소재’ 연구개발사업의 일환으로 ‘식물유래 폴리페놀배당체 기반 화장품 소재 개발’ 과제 연구를 수행하게 되었습니다. 연구과정 중에 국화과 일종인 ‘불로화’1 식물추출물이 피부 주름개선, 항산화, 미백 효과를 보인다는 새로운 사실을 발견하고, 임융호 교수와 공동으로 특허를 출원했습니다. 처음에는 특허기술을 관련 기업에 기술 이전할 생각이었지만 구체화되지 않았어요. 이대로 연구 결과가 사장되기에는 아쉬운 기능성 식물 추출물이라 생각했고, 제가 직접 코스메슈티컬 화장품2을 개발해보기로 결심했습니다. 2016년 10월 ‘아제라 바이오텍(Agera BioTech)’ 1인 벤처기업을 창업하게 되면서 지금껏 연구를 이어올 수 있게 되었지요.

아제라바이오텍에서 후속 연구를 진행하면서 불로화식물 추출물에서 피부 미백과 보습 강화에 탁월한 식물 유효 성분 분리에 성공하고 분자구조를 밝혀내어 '아제라린' 이라고 명명하였고 국내 특허 등록 및 국제특허를 출원했습니다. 2018년 10월에는 중소벤처기업부의 여성창업활성화사업의 지원을 받아 ‘아제린(Agerin)’ 이라는 브랜드명으로 피부미백과 특히 민감성 피부와 극도로 건조한 피부의 보습 강화용 기능성화장품인 마스크 팩, 에센스 오일, 크림 제품을 패키지로 하는 첫 제품군도 론칭한 바 있습니다.

 

이번 연구의 주요 내용은 무엇인가요.

이번 논문은 피부색소 침착에 관한 분자기전을 연구한 내용입니다. 자외선에 노출되면, 표피에 있는 각질형성세포(Keratinocytes)에서 멜라닌생성세포 자극 호르몬(α-Melanocyte Stimulating Hormone; α-MSH)이 분비되어 멜라닌생성세포(Melanocyte)를 자극시킵니다. α-MSH 자극을 받은 멜라닌생성세포는 티로시나아제 유전자 발현을 촉진시키고, 티로시나아제 효소는 아미노산 일종인 타이로신(Tyrosine)을 산화시켜 멜라닌 생합성 과정을 시작하게 됩니다. 멜라닌생성세포에서 만들어진 고분자 형태의 멜라닌은 각질형성세포로 이동하게 됩니다. 시간이 지나면서 새로 만들어진 각질형성세포가 멜라닌이 들어있는 각질형성세포를 위쪽 각질층까지 밀어 올리게 되고, 결국에는 각질형성세포에 들어있는 멜라닌 색소의 검정색으로 인해 피부가 검게 보이게 됩니다.

그 동안 학계에서는 자외선 자극에 의해 멜라닌생성세포 자극 호르몬(α-MSH)이 각질형성세포에서 생성되면 멜라닌생성세포에서는 인산화효소 A(PKA)-CRE 결합단백질(CREB)-멜라닌 생성전사인자(MITF)로 연결되는 세포 신호전달경로를 통하여 티로시나아제 유전자 발현이 촉진된다고 알려져 있었습니다. 저희 연구팀은 이번 연구를 통하여 멜라닌 색소의 생합성 과정에서 중추적 역할을 하는 티로시나아제 활성 연구를 진행하던 중, 기존 학계에서 알려지지 않은 새로운 멜라닌 생합성 촉진 세포신호전달경로를 발견하게 되었습니다.

 

EGR1-STAT3-Tyrosinase 경로의 메커니즘에 대해 설명해주세요.

EGR1은 543아미노산을 가지는 약 80kDa 크기의 단백질이며 c-Terminal에 Cys2-His2 형태의 Zinc-finger motif를 가지는 전사인자입니다. EGR1 단백질은 과도한 자외선이나 방사선 노출로 인하여 피부세포 DNA에 심각한 손상이 생기면, 손상된 세포에서 EGR1 유전자 발현이 증가되어 손상된 DNA를 복구시켜주거나, DNA가 손상된 세포의 아포토시스(Apoptosis) 즉, 세포사멸(Cell death)을 유발하여, 우리 몸에서 손상된 DNA(돌연변이 DNA)를 가지는 세포가 증식하지 못하게 함으로써 피부세포의 항상성을 유지시켜주는 역할을 수행합니다.

자외선에 과다하게 노출된 피부 각질형성세포는 DNA 손상을 막아주기 위한 일환으로 멜라닌생성세포 자극호로몬(α-MSH)을 분비하여 멜라닌생성세포를 자극하면 멜라닌생성세포에서는 EGR1 발현이 유도됩니다. 이때 생성된 EGR1은 STAT3 유전자 프로모터 부위(Promoter region)에 결합하여 STAT3 단백질 양을 증가시키게 됩니다. 세포질 내에서 증가된 STAT3 단백질은 JAK1/2(Janus kinase 1/2) 인산화 효소에 의해 활성되고, 활성된 STAT3는 핵으로 이동하여 티로시나아제 유전자 프로모터와 결합함으로써, 티로시나아제 유전자 발현이 증가하게 됩니다. 증가된 티로시나아제 단백질은 아미노산인 타이로신을 산화시켜 멜라닌 생합성 과정이 시작되게 됩니다. 따라서 자외선이나 다양한 스트레스에 노출된 피부세포에서 EGR1 발현이 증가되면, 멜라닌 생성이 촉진되어 피부색이 까맣게 변하거나 기미, 주근깨, 검버섯 등의 색소침착이 증가하게 되는 것입니다.

a-MSH가 EGR1-STAT3 발현을 증가시켜 티로시나아제 유전자 발현을 조절하는 새로운 신호전달 경로.a-MSH; a-melanocyte stimulating hormone, CREB; cAMP response element bindingprotein, EGR1; Early growth response gene 1, ELK1; ETS-like transcription factor, ERK;Extracellular signal-regulated kinase, MC1R; Melanocortin 1 receptor, MITF; Melanocyteinducing transcription factor, PKA; Protein kinase A, STAT3; Signal transducer and activator oftranscription 3
a-MSH가 EGR1-STAT3 발현을 증가시켜 티로시나아제 유전자 발현을 조절하는 새로운 신호전달 경로.a-MSH; a-melanocyte stimulating hormone, CREB; cAMP response element bindingprotein, EGR1; Early growth response gene 1, ELK1; ETS-like transcription factor, ERK;Extracellular signal-regulated kinase, MC1R; Melanocortin 1 receptor, MITF; Melanocyteinducing transcription factor, PKA; Protein kinase A, STAT3; Signal transducer and activator oftranscription 3

불로화 추출물은 보습성분이자, 미백기능까지 할 수 있다는 연구결과도 있던데요.

저희 연구팀은 불로화 추출물에서 보습성을 나타내는 유효성분을 찾아내어 ‘아제라린’이라 명명하고 분자 구조를 밝혀 국내특허 등록과 함께 국제 특허를 출원하였습니다. 2017년 9월에는 불로화추출물의 아제라린이 일주기성 분자생체시계 유전자(Circadian Molecular Bioclock) 발현을 유도하여 피부 바이오리듬의 생리 활성을 촉진함으로써 피부 보습효과를 나타낸다는 연구 결과를 ‘Scientific Report’지에 발표한 바 있으며,3 2018년 7월에는 아제라린이 STAT3 전사인자 활성을 억제하여 자외선 노출에 의한 멜라닌 생성을 억제하여 피부 미백 효과를 나타낸다는 연구 결과를 ‘Journal of Dermatological Science’지에 발표함으로써 불로화 추출물이 보습 효능뿐만 아니라 미백기능까지 할 수 있다는 사실을 입증하였습니다.4 그리고 이번 연구 결과는 전사인자 EGR1이 STAT3 유전자 발현을 조절하여 자외선 노출에 의한 멜라닌 색소 침착을 조절한다는 연구내용입니다. 이를 통해, 불로화 추출물은 EGR1 활성을 억제하여 STAT3 유전자 발현을 감소시킴으로써 미백 기능을 나타낸다고 추정할 수 있습니다.

 

EGR1 억제 소재에 대해서는 어떻게(타깃을 찾아) 연구를 시작하셨나요?

EGR1에 의한 멜라닌 생성 조절은 피부암 일종인 흑색종(Melanoma)을 연구하는 과정에서 우연히 발견되었습니다. 흑색종은 멜라닌생성세포에서 발생되는 악성 피부종양으로서, 암의 성장 속도가 매우 빠르고 림프관을 따라 뼈, 폐, 뇌 등 다양한 다른 장기로 전이가 쉽게 진 행되어 5년 생존률이 평균 30% 정도로써 피부암 중에는 사망률이 가장 높은 악성종양입니다. 한국인에서는 손바닥, 발바닥이나 손가락, 발가락 등의 말단 부위에서 잘 발생한다고 알려져있는데요, 우리나라에서도 흑색종 환자가 점차 증가하고 있는 추세입니다.

저희 연구팀은 오랫동안 EGR1 단백질에 의한 암전이 활성 기능을 연구하고 있었는데요, 그 중의 한 가지 프로젝트가 흑색종의 폐전이 과정에서 EGR1의 역할을 규명하는 것이었 습니다. 연구과정 중에 shRNA5를 이용하여 EGR1 발현을 억제시키면 폐 전이가 현저히 억제되는 사실을 밝혀냈는데, 이때 EGR1 발현이 억제되는 암 조직에서는 멜라닌 생성 자체가 현저하게 줄어든다는 사실도 발견하게 되었습니다. ‘암조직의 개체 차이 때문인가, 실험이 잘못되었나’ 의심스러워 여러 번 실험을 반복 하였는데, 모든 실험에서 예외 없이 EGR1 발현이 억제되면 멜라닌 생성이 현저하게 줄어든 겁니다. 이런 현상이 흑색종 암세포에서만 나타나는지 알아보기 위하여, 정상 멜라닌생성세포에서 EGR1 발현을 억제시켜 보았더니, 정상세포에서도 EGR1 발현이 억제되면 멜라닌 생합성 과정이 차단된다는 사실을 확인하게 되었습니다. 이런 현상은 학계에서 보고된 적이 없었던 새로운 분자기전이라 생각해서, 피부 미백 효과를 집중적으로 연구하게 되었죠. EGR1 발현을 억제시키면 미백 효과뿐만 아니라 피부암 예방에도 좋은 효과가 있을 것으로 기대하고 있습니다.

 

불로초 추출물을 기반으로 한 보습 화장품이 가지는 차별점은 무엇인가요?

우선, 불로화추출물에 의한 보습효과는 단순히 피부에서 방출되는 수분을 막아주는 효과가 아니라 매우 정교한 피부 생리 활성을 촉진하여 보습기능을 나타냅니다. 좀 더 구체적으로 말씀드리자면, 피부 표피(Epidermis)에는 세라마이드(Ceramide)와 스핑고마이에린(Sphingomyelin) 등의 지질층이 피부장벽을 구성하고 있어 피부 보습 유지에 중요한 역할을 합니다. 그리고 지질은 표피 각질형성세포에서 글리세롤(Glycerol); C3H8O3분자에 지방산(Fatty acid)이 결합하여 생합성 됩니다. 글리세롤은 물 분자와 결합하여 수분이 피부에서 빠져나가는 것을 방지해주는 천연보습인자(NMF; Natural moisturing factor)로도 작용하기 때문에 피부 표피 속 글리세롤은 피부장벽 생성과 보습 유지에 매우 중요한 분자인데요. 많은 화장품에 포함되어 있는 글리세롤(글리세린)은 피부 각질위에 얇은 필름을 형성하여 피부의 수분 유출을 방지하는 효과를 보이지만, 지질을 합성하여 피부장벽을 생성시키는 역할을 기대하기는 어렵습니다.

한편, 표피층의 글리세롤과 수분은 표피(Epidermis)와 진피(Dermis) 사이에 위치하는 기저세포층(Basal cell layer)에서 ‘아쿠아포린-3(Aquaporin-3)’라는 물질수송단백질(Transporter protein)을 통하여 진피에서 공급됩니다. 아쿠아포린-3 단백질 발현은 우리 몸의 각종 대사와 생리 현상을 주관하는 일주기성 분자생체시계(Molecular Clock)에 의해 조절되는데요. 불로화 추출물의 ‘아제라린’은 밤에 활동하는 분자생체시계 유전자인 클락(CLOCK) 유전자 활성을 촉진하여 아쿠아포린-3 단백질 양을 많이 증가시켜 피부 속 깊은 곳에서 수분과 글리세롤을 표피층으로 공급시켜줍니다. 또한, 멜라닌 색소의 생합성 과정에서 중추적 역할을 하는 티로시나아제 유전자 발현을 억제합니다.

일반적으로 우리 인체는 낮 동안에 손상된 피부를 밤사이에 회복시켜 줍니다. 즉, 낮 동안에 손실된 피부 수분을 밤에는 아쿠아포린-3가 작용하여 피부 속 수분을 채워주는 역할을 하는데요. 스트레스나 지나친 자외선 노출 등의 자극은 이와 같은 정상적 일주기성 바이오 리듬(Circadian Biorhythm)을 교란시켜 밤사이의 피부 재생능력이 약해져 적절한 보습과 미백 작용이 감소됩니다. 따라서, 불로화 추출물 보습 화장품은 인위적인 수분 공급이 아니라 밤사이에 우리 몸 스스로가 손상된 피부장벽을 복구하고 보습 활동을 촉진하도록 피부 분자생체시계를 활성시켜주는 원리에 기반하고 있습니다. 바로 이러한 생체 생리활성 친화적 기능성이야말로 불로화 추출 기능성화장품의 가장 매력적인 장점이라고 할 수 있습니다.

 

이번 연구로 기대되는 성과와 의미는 무엇인가요?

그동안 피부 미백제를 위한 기능성화장품 소재는 대부분 PKA-CREB-MITF로 이어지는 세포신호전달 작용을 차단하는 소재 개발에 주로 초점이 맞춰져있었습니다. PKA-CREB-MITF 세포신호전달 경로는 멜라닌 생성과정에 중요하게 작용하지만, 다른 피부 생리작용에도 중요하게 작용하기 때문에 이 경로를 차단하는 피부 색소침착 억제 화장품소재는 크고 작은 다양한 부작용이 야기될 수 있었습니다. 이번 연구결과의 의미는 기존에 알려져 있던 PKA-CREB-MITF 세포신호전달 경로가 활성된 상태에서 저희가 발견한 EGR1-STAT3 활성 분자 경로가 억제되면 피부 멜라닌 생성이 억제된다는 사실을 새롭게 알게된 겁니다. 이러한 사실은 EGR1-STAT3 전사인자가 멜라닌 생합성 과정에서 절대적으로 필요한 세포 신호 경로라는 사실을 의미하는 것이며, PKA-CREB-MITF 신호전달경로를 차단하지 않아도 피부 색소 침착 억제 효과를 나타낼 수 있음을 증명하게 된 것이지요.

 

발견하신 신호전달경로를 기반으로 추가적인 연구계획이 있는지요?

이번에 발견한 EGR1-STAT3 전사인자 축을 기반으로 이를 제어할 수 있는 새로운 천연물 소재를 발굴하여 새로운 개념의 미백 기능성 화장품을 개발할 예정입니다. 피부를 검게 하는 멜라닌은 미용학적으로는 기피하고 싶겠지만, 피부과학적으로는 강력한 자외선 자극으로부터 피부세포의 DNA 손상을 막아주는 아주 중요한 생리 현상입니다. 무조건적으로 멜라닌 생성을 억제시키면 오히려 피부 손상이 야기되고 피부노화 현상이 촉진될 수 있어요.

미백(美白)의 뜻이 “아름다운 하얀색”이지만 저희가 추구하는 아름다움은 단순히 얼굴을 하얗게 만드는 ‘Whitening’의 개념이 아니라, 건강하고 밝게 빛나는 ‘Brightening’ 피부입니다. 이번 연구 결과를 바탕으로 멜라닌 과다 생성에 의한 기미나 주근깨, 검버섯등과 같은 비정상 피부 색소 침착은 효과적으로 막아주지만, 멜라닌 고유의 피부 보호 작용을 최적으로 유지해주는, 그래서 건강하고 밝은 새로운 개념의 차세대 ‘Skin Brightening 기능성화장품’을 만드는 것이 목표이자 차별점이 될 것입니다.

 

교수님의 발자취를 따라가다보니 암 관련 연구 및 염증 연구를 끊임없이 해오고 계셔서 놀랐습니다. 성과를 어떻게 끊임없이 보여줄 수 있는지 그 비결이 궁금합니다.

비결이라기보다는 몸에 배인 생활 습관인 것 같습니다. 저는 천재도 아니고 비범하지도 않지만, 연구 자체를 즐기려 노력하고 있어요. 아직 궁금한 것이 너무 많고 배워야 할 것도 너무 많다고 생각합니다. 생명현상은 정말 신비로운 것 같아요. 파고 들면 들수록, 알면 알수록, 모르는 게 너무 많다는 걸 느끼게 되어 경외롭게 느껴집니다.

 

앞으로는 어떤 연구를 하고 싶으신지요, 혹 관심 있는 특정분야는 무엇인지요?

피부과학 분야는 공부하면 할수록 너무 매력적입니다. 피부는 우리 인체가 외부 환경과 직접 접촉하면서 위해 환경에 맞서 우리 생체를 보호하는 가장 크고 가장 중요한 장기인데도, 피부과학 분야 중요도가 학계나 사회에서 저평가 되고 있는 것 같아 안타깝습니다. 피부과학분야는 다른 생명과학 분야와 마찬가지로 아직 해결되지 않은 과학적 난제가 수없이 많이 있는 것 같습니다.

그 중에서도 대표적 난치성 질환인 아토피성 피부염(Atopic dermatitis) 분야에 특별히 관심을 갖고 있습니다. 아토피 질환은 아직까지도 규명되지 않은 너무나 복잡한 병의 원인과 발병과정, 다양한 염증성 사이토카인(Cytokine)의 역할, 복잡한 면역체계가 관여하고 있습니다. 특히 어린아이에게 극심한 가려움증을 포함해서 너무 가혹한 고통을 주는 질환으로, 아직까지 이렇다 할 치료제가 개발되지않고 있습니다. 그래서 개인적으로 아토피 분야는 학문적으로 매력적인 연구주제라 생각되며, 산업적으로도 글로벌 블루오션 분야라고 생각됩니다. 이에 따라 아토피 피부염의 발생 원인과 치료 기전을 좀 더 체계적으로 연구해보기 위하여 노력하고 있는 중입니다.


1. 不老花; 학명: Ageratum houstonianum
2. Cosmetics와 Pharmaceutics 합성어로서 약리 효과를 나타내는 기능성 화장품
3. 2017년9월 Scientific Report에 발표. (Agerarin, identified from Ageratum houstonianum, stimulates circadian CLOCK mediated aquaporin-3 gene expression in HaCaT keratinocytes. 2017;11;7(1):11175. doi:10.1038/s41598-017-11642-x.)
4. 2018년 Journal of Dermatological Scince에 발표. (Agerarin inhibits α-MSH–induced TYR gene transcription via STAT3 suppression independent of CREB-MITF pathway. 2018;91:104-112).
5. small hairpin RNA. 특정 단백질을 합성하는 RNAmRNA와의 상보적 염기서열을 이용하여 mRNA가 단백질로 번역되지 못하게 간섭함으로써 결과적으로 단백질 발현을 감소시키는 분자생물학적 실험 기법


REFERENCES
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