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1 분자세포1생물학뉴스레터 논/단 서 론 대사질환의 새로운 치료제 타겟으로 최근 몇 년 사이 지방 산과 그 부산물에 의해 활성화되는 G단백질 연결 수용체 (G protein-coupled receptor, GPCR)들이 그 후보군으로 떠 오르고 있다 [1]. 생활수준의 향상과 서구화로 인해 비만, 고혈압, 지질대사 이상 및 인슐린저항성과 같은 대사질환들이 급증하고 있으 며, 이로 인해 제 2형 당뇨병 및 당뇨합병증, 동맥경화에 의 한 심근경색, 뇌졸중 등의 치명적 질환이 전 세계적으로 증 가추세에 있다 [2]. 비만, 제 2형 당뇨병과 심혈관계 질환등 은 서구화된 사회에서 여러 다른 질병의 발병률과 조기사망 률이 높아지는 주요 원인으로 세계 각국 건강 보험 재정에 큰 부담이 되 가고 있는 실정이다. 현재 이러한 대사 질환 발병률을 낮추는데 많은 노력을 기울이고 있지만, 대사 질 환 모델의 새로운 치료제 타겟으로 부상하고 있는 GPCR들 을 선택적으로 조절하는 부분은 아직 초기단계일 뿐이다. 본 논단에서는 대사 질환 모델의 치료제 타겟으로 다양한 연구들이 진행되고 있는 GPCR들 중에서 최근 오메가-3 불 포화 지방산에 의해 활성화되어 대사 질환의 여러 증상들을 완화 및 개선시키는 결과들을 보여주고 있는 GPR120의 활 성 기작과 대사 질환의 치료제 타겟으로서의 효용성 및 그 가치에 대해 설명하고자 한다. GPR120 활성 기작 GPR120은 로돕신계 GPCR에 속하며 2005년 일본 교토 대 Tsujimoto 그룹에 의해 긴사슬 불포화 지방산 (long chain unsaturated fatty acid)의 수용체로 처음 밝혀졌 다 [3]. GPR120은 여러 조직에서 발현되는데 그 중에서 특 히 폐와 대장 조직에서 높은 발현 수준을 보이고, 대사 과 정 및 염증/면역반응 조절에 중요한 역할을 하는 여러 장 기 조직들, 뇌, 흉선, 뇌하수체, 소장, 지방조직, 골격근, 심 장, 위, 간에서도 발현이 보고되었다 [3-6]. 또한 고지방 식을 섭취시킨 쥐의 긴발가락평근 (extensor digitorum longus skeletal muscle), 심장, 지방조직, 대식세포등에 서 GPR120의 발현이 선택적으로 증가되는 것도 보고된 바 있다 [4, 5, 7]. GPR120은 십이지장에서 그렐린 [8], 소장 과 제 2형 미뢰 세포에서는 a-gustacin [9, 10], 대장에서 GLP-1 [3, 11], 시상하부 궁상핵에서는 NPY와 [12] 함께 발현이 관찰되어 해당 부위에서 GPR120의 역할에 관한 연 구들이 진행되고 있다. GPR120은 서로 다른 종들 사이에서 잘 보존되어 있지만 [13], 인간의 경우 다른 종의 GPR120와 비교하여 세포 내 대사질환 치료 타겟으로서 GPR120의 효용성과 그 가치 오다영 University of California, San Diego Department of Medicine Division of Endocrinology and Metabolism E-mail: [email protected]

대사질환 치료 타겟으로서 GPR120의 효용성과 그 가치 › file › webzine › 2014_04_02.pdf · 도 오메가-3 불포화 지방산을 비만/당뇨 쥐의 뇌실

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1 ● ● 분 자 세 포 1 생 물 학 뉴 스 레 터

논/단

서 론

대사질환의 새로운 치료제 타겟으로 최근 몇 년 사이 지방

산과 그 부산물에 의해 활성화되는 G단백질 연결 수용체 (G

protein-coupled receptor, GPCR)들이 그 후보군으로 떠

오르고 있다 [1].

생활수준의 향상과 서구화로 인해 비만, 고혈압, 지질대사

이상 및 인슐린저항성과 같은 대사질환들이 급증하고 있으

며, 이로 인해 제 2형 당뇨병 및 당뇨합병증, 동맥경화에 의

한 심근경색, 뇌졸중 등의 치명적 질환이 전 세계적으로 증

가추세에 있다 [2]. 비만, 제 2형 당뇨병과 심혈관계 질환등

은 서구화된 사회에서 여러 다른 질병의 발병률과 조기사망

률이 높아지는 주요 원인으로 세계 각국 건강 보험 재정에

큰 부담이 되 가고 있는 실정이다. 현재 이러한 대사 질환

발병률을 낮추는데 많은 노력을 기울이고 있지만, 대사 질

환 모델의 새로운 치료제 타겟으로 부상하고 있는 GPCR들

을 선택적으로 조절하는 부분은 아직 초기단계일 뿐이다.

본 논단에서는 대사 질환 모델의 치료제 타겟으로 다양한

연구들이 진행되고 있는 GPCR들 중에서 최근 오메가-3 불

포화 지방산에 의해 활성화되어 대사 질환의 여러 증상들을

완화 및 개선시키는 결과들을 보여주고 있는 GPR120의 활

성 기작과 대사 질환의 치료제 타겟으로서의 효용성 및 그

가치에 대해 설명하고자 한다.

GPR120 활성 기작

GPR120은 로돕신계 GPCR에 속하며 2005년 일본 교토

대 Tsujimoto 그룹에 의해 긴사슬 불포화 지방산 (long

chain unsaturated fatty acid)의 수용체로 처음 밝혀졌

다 [3]. GPR120은 여러 조직에서 발현되는데 그 중에서 특

히 폐와 대장 조직에서 높은 발현 수준을 보이고, 대사 과

정 및 염증/면역반응 조절에 중요한 역할을 하는 여러 장

기 조직들, 뇌, 흉선, 뇌하수체, 소장, 지방조직, 골격근, 심

장, 위, 간에서도 발현이 보고되었다 [3-6]. 또한 고지방

식을 섭취시킨 쥐의 긴발가락평근 (extensor digitorum

longus skeletal muscle), 심장, 지방조직, 대식세포등에

서 GPR120의 발현이 선택적으로 증가되는 것도 보고된 바

있다 [4, 5, 7]. GPR120은 십이지장에서 그렐린 [8], 소장

과 제 2형 미뢰 세포에서는 a-gustacin [9, 10], 대장에서

GLP-1 [3, 11], 시상하부 궁상핵에서는 NPY와 [12] 함께

발현이 관찰되어 해당 부위에서 GPR120의 역할에 관한 연

구들이 진행되고 있다.

GPR120은 서로 다른 종들 사이에서 잘 보존되어 있지만

[13], 인간의 경우 다른 종의 GPR120와 비교하여 세포 내

대사질환 치료 타겟으로서GPR120의 효용성과 그 가치

오 다 영

University of California, San Diego

Department of Medicine

Division of Endocrinology and Metabolism

E-mail: [email protected]

Page 2: 대사질환 치료 타겟으로서 GPR120의 효용성과 그 가치 › file › webzine › 2014_04_02.pdf · 도 오메가-3 불포화 지방산을 비만/당뇨 쥐의 뇌실

웹 진 2014ㅣ04 ● ● 2

3번째 고리에서 16개의 아미노산이 추가되어 있는 긴 형의

GPR120와 16개의 아미노산이 없는 다른 종과 유사한 길

이의 짧은 GPR120가 공존하고 있다 [13, 14]. 일단 기능

적인 면에서 같은 리간드에 의해 활성되었을 때 긴 형의

GPR120가 짧은 형에 비해 활성도가 낮다는 보고가 있지만

[14, 15], 왜 인간에서만 두 형태의 GPR120가 존재하는지,

그 기능 상의 차이점이- 특히 약물 개발의 타겟으로서- 무

엇인지, 질환 모델에서 유전적 연관이 있는지 등에 관한 연

구가 더 필요시 되고 있다.

GPR120이 긴사슬 불포화 지방산의 수용체라는 것이 최초

로 밝혀진 이후 최근 연구 결과들에 따르면 긴사슬 지방산

중에서도 a-linolenic acid, DHA (docosahexaenoic acid)

와 같은 오메가-3 불포화 지방산에 의해 GPR120이 가장

강하게 활성화되는 것으로 밝혀지고 있다 [12, 16]. 서구식

고지방식에 많이 들어있는 각종 포화지방산들은 체내에서

염증을 유발하여 비만과 당뇨병의 원인이 되는 반면, 어유에

서 유래한 DHA나 EPA (eicosapentaenoic acid)와 같은 오

메가-3 불포화 지방산은 염증을 치료하는 효과가 있다. 특

히 DHA는 동맥경화와 심장병예방 및 관절염, 천식, 궤양성

대장염과 같은 만성 염증성 질환에 탁월한 치료효능을 나타

낸다고 알려져있다 [17, 18]. GPR120 유전자가 결손된 쥐

모델을 이용한 최근의 연구 결과에서 [16], 고지방식이로 유

발한 비만 쥐에서는 당뇨병및 인슐린 저항이 발생하는 반면,

어유를 같이 먹인 쥐에서는 당뇨병이 현저히 개선되고 이러

한 항당뇨효과가 GPR120 유전자가 결손된 쥐에서는 사라

짐이 발견되었는데, 이러한 사실은 어유에 포함된 오메가-3

불포화 지방산의 항당뇨병 효과가 GPR120라는 세포막 수용

체를 경유하여 나타나는 것임을 증명한 것이다.

GPR120은 Gaq단백질과 beta-arrestin 2에 의한 신호전달

체계를 보여준다 [3, 16]. 오메가-3 불포화 지방산과 같은

리간드에 의해 GPR120이 활성화 되면 세포 내 칼슘 농도가

증가하고 beta-arrestin 2와 결합한 GPR120의 내재화가

일어나게 되는 등 전형적인 GPCR 활성 기작을 보여 준다.

이러한 GPR120 신호 전달 체계는 세포 및 조직 특이성에

따라 다른 효과를 보이게 되는데, 지방세포에서는 오메가-3

불포화 지방산에 의해 활성화된 GPR120의 Gaq단백질 의

존적인 신호 전달이 세포 내로의 포도당 흡수를 증가시켜서

고지방식이로 유발한 비만/당뇨 쥐의 혈당을 낮추는 효과를

나타낸다 (그림 1, [16]). 또한 대식세포에서는 GPR120가

일단 오메가-3 불포화 지방산에 의해 활성화되면, 그 하위

에서 작용하는 beta-arrestin 2를 통하여 염증 유도 물질인

LPS, TNF-a에 의해 야기된 TLR4/ TNFR-TAK1-TAB1

으로 이어지는 염증신호가 완전하게 차단된다. 오메가-3 불

포화 지방산은 이렇게 GPR120를 통해 염증신호를 차단함

으로써, 지방조직 및 간에서 염증을 유발하는 대식세포의 활

성을 강력하게 억제하는 항염증 효과를 보여준다 (그림 1,

[16]). 많은 대사 질환, 특히 제 2형 당뇨병과 인슐린 저항성

등은 만성적 염증 반응과 밀접하게 연관되어 있는데, 이러한

GPR120 활성화가 보여주는 항염증 효과는 혈당 강하 효과

와 더불어 많은 제약 회사들 사이에서 GPR120을 대사 질환

치료제 타겟으로 부상시키는데 큰 역할을 하고 있다.

그림 1. GPR120는 오메가-3 불포화지방산의 세포막 수용체로 대식세포에서

염증 반응을 억제하고 지방세포에서는 인슐린에 의한 포도당 흡수를 촉진시켜 인슐린 저항성을 개선하는 등의 항당뇨 효과를 보인다.

GPR120의 생리학적 기능과 대사 질환에 대한 영향

1. 지방생성

GPR120는 지방세포와 지방조직에서 높은 수준으로 발현

되고, 미성숙 지방세포에서는 발현이 관찰되지 않는 등,

GPR120는 지방세포의 분화, 성숙되어 가는 과정을 따라 발

Molecular and Cellular Biology Newsletter

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논/단

3 ● ● 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

현이 증가하는 양상을 보인다 (그림 2, [11]). 고지방식을 먹

인 쥐와 비만한 사람의 [7, 16] 지방 조직에서 정상식을 먹

인 쥐나 정상 체중의 사람에 비해 GPR120의 발현이 높은

것이 보고 되어 있는데, 이는 GPR120의 활성이 비만도를

증가시킬 수도 있지 않나하는 의문을 갖게 한다. 하지만 고

지방식을 먹인 GPR120가 결손된 쥐가 정상 쥐에 비해 지

방세포의 크기가 크고 체중도 많이 나가고, 비만 인구 집단

에서 GPR120 유전자에서 기능이 저하된 돌연변이가 보고

됨에 따라 [7], GPR120가 직접 비만을 유도하는 것이 아닌,

체중 증가와 에너지 섭취/소비를 조절하여 결과적으로 식이

유도 비만으로부터 보호하는 역할을 할 것으로 기대되어 이

에 따른 연구들이 필요하다.

2. 위장관 펩타이드 분비와 장내 조절

위장관 펩타이드들은 섭식 행동, 에너지 대사와 체중 조절

에 밀접하게 연관되어 있다. GPR120의 활성이 소장내분비

세포인 STC-1 세포에서 식욕 억제/인슐린 분비 촉진 호르

몬인 GLP-1과 cholecystokinin (CCK)의 분비를 촉진시키

고, GPR120 유전자를 일시적으로 제거하게 되면 이러한 효

과가 사라져 (그림 2, [3, 6, 19]) GPR120가 새로운 GLP-1

분비 촉진 타겟으로 보고된 바 있다. 이후, 많은 제약회사들

이 GPR120의 효능제 개발을 시도하고 있지만 실제 동물 모

델에서 GPR120의 활성이 유의할 만한 수준의 GLP-1의 분

비를 촉진시키고 이로 인해 위에서 언급한 GPR120 활성 의

존적인 항당뇨병 효과가 나타날 수 있는지에 관해서는 아직

도 많은 연구들이 필요한 실정이다. 최근 흥미로운 연구 결

과에 따르면 GPR120가 십이지장에서 식욕 촉진 호르몬인

그렐린 (Ghrelin)과 함께 발현이 관찰되었고, 쥐 모델에서

GPR120 활성이 그렐린의 분비를 억제함이 밝혀졌다 (그림

2, [8]). 물론 추가 연구들이 수행되어야 겠지만, 현재까지

의 연구 결과들로 보면 GPR120 활성이 GLP-1, CCK, 그

렐린과 같은 위장관 펩타이드들의 분비를 조절해 결과적으

로 고혈당증을 개선하고, 식욕 조절, 에너지 대사 항상성에

유익한 영향을 줄 것으로 보인다.

GPR120 활성이 위장관 펩타이드의 분비를 조절하는 것

외에도 최근 덴마크의 Purup 그룹의 연구결과는 고지방

식이나 알콜 섭취, 비만의 의해 야기되는 장내 세균 불균

형에서 중요한 역할을 하는 박테리아인 Bacteriodetes

와 Firmicutes Phyla를 배양한 배지로 배양한 장 세포

인 Caco-2 세포에서 GPR120의 발현이 크게 증가하는 것

을 나타내 식이 조절, 특히 지방산이 풍부한 식이의 의한

GPR120의 발현 변화 및 활성이 장내 세균 분포의 변화 및

전체 장내 환경 조성에 기여할 것으로 보고있다 [20].

3. 염증 반응 조절

GPR120은 지방조직과 특히 지방세포 사이에 위치하는 지

방 조직 대식세포 에서 높은 수준으로 발현하면서 오메가-3

불포화 지방산에 의해 활성화되면 위에서 언급한 대로 염증

신호 전달을 차단해 염증성 사이토카인들의 분비를 저해하

고 대식세포의 조직으로의 침투를 억제하는 등의 항영즘 효

과를 나타내고 결과적으로 인슐린 민감성을 개선시키게 된

다 [16]. 이러한 GPR120 의존적인 항염증 효과는 비단 대사

조절에 중요한 말단 조직들 뿐만 아니라, 뇌의 시상하부에서

도 오메가-3 불포화 지방산을 비만/당뇨 쥐의 뇌실 내 주입

을 하게 되면 GPR120-beta-arrestin 2–TAB1의 결합으

로 염증신호 전달을 차단하는 매우 유사한 기작으로 나타남

이 보고된 바 있다 (그림 2, [12]).

그림 2. GPR120의 각 조직 내에서의 역할

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4. 골격근의 인슐린 민감성

족저근과 긴발가락평근과 같은 골격근은 인슐린에 의한 포

도당 흡수의 주요 조직이고 [21, 22], 이는 곧 혈당수준을

일정하게 유지하는 데 있어서 골격근이 중요한 역할을 한

다는 것을 말한다. 많은 연구들에서 GPR120가 활성화되

면 인슐린 민감도가 개선되고 고지방식으로 야기된 포도당

과민증이 억제된다는 것이 보고된 바 있지만, 골격근에서

의 GPR120의 발현은 극히 낮은 수준이었기 때문에, 많은

연구들에서는 이러한 효과를 항염증효과와 지방세포에서의

포도당흡수 촉진으로 설명을 하고 있다. 하지만 최근 호주

의 McAinch그룹이 고지방식을 먹인 쥐의 긴발가락평근과

심장근육에서 GPR120 발현이 현저히 증가하는 것을 발견

하였고 [4], 이는 곧 골격근에서의 포도당 흡수에 GPR120

가 직접적인 역할을 할 수 있음을 보여주는 결과라 할 수

있다. 물론 GPR120를 직접 이용한 골격근의 포도당 흡수

를 증명하는 연구들이 수행되어야 하겠지만, 인슐린 민감도

를 측정하는 실험 방법으로 이용되는 인슐린과잉-정상혈

당 고정 (hyperinsulinemic-euglycemic clamp) 실험에서

GPR120가 활성화 되었을 때 골격근에서의 인슐린에 의한

포도당 흡수가 증가하므로 골격근에서의 GPR120 발현 증

가가 골격근에서의 인슐린 민감도 증가에 직접적으로 중요

한 역할을 할 것으로 보인다 [16].

5. 지방간 형성과 심혈관계 질환의 개선

지방의 과잉 생성은 전 신체적인 체중 증가 외에도 간과 심

혈관에 지방 축적을 야기해 이로 인한 각종 간 질환, 동맥경

화등의 원인이 된다 [23, 24]. GPR120가 오메가-3 불포화

지방산에 의해 활성화되면, 고지방식에 의해 유도된 이상지

질혈증, 즉 혈중 내 palmitic acid, stearic acid와같은 유

리포화지방산, 중성지방산, 염증성 지방산인 arachidonic

acid 등의 증가가 현저히 억제 될 뿐만 아니라, 간내 지방

축적 또한 크게 감소하는 것으로 최근 연구결과들에서 밝혀

져 [7, 16], GPR120가 지방간과 동맥 경화와 같은 심혈관계

치료에도 유용한 타겟이 될 것으로 보인다.

신약 개발 타겟으로서의 GPR120 효능제 개발 현황

긴사슬 불포화 지방산, 그 중에서도 오메가-3 불포화 지방

산이 GPR120의 리간드로 밝혀지고 GPR120의 활성이 항당

뇨병/항염즘효과를 나타낸다는 여러 연구 결과 이후, 많은

대학 연구실 및 제약 회사들에서 GPR120 선택적인 소분자

화합물효능제를 개발하기 위한 연구들을 시도하고 하고 있

지만 현재까지 민감도나 선택성 면에서 효과적인 효능제 개

발은 보고되지 않고 있다. 췌장세포에서 높은 수준으로 발현

을 보이면서 긴사슬 불포화 지방산에 의해 활성화되는 또 다

른 GPCR인 GPR40의 경우에는 활성화 되었을 경우 짧은 시

간 내 인슐린 분비를 촉진하는 기능으로 [25], 많은 제약회

사에서 그 효능제들을 개발해 이미 4개의 서로 다른 회사의

효능제들이 임상 시험 중에 있다 [26, 27]. 하지만 GPR120

의 경우, GPR40와의 아미노산 서열의 유사성이 매우 낮음

에도 불구하고 GPR40를 활성시키지 않으면서 GPR120만을

선택적으로 활성화 시키는 효능제의 개발이 더디고 개발이

된 효능제의 경우에도 민감도 면에서 효과적이지 않다.

[표 1]은 최근 GPR120 효능제로 연구 결과 및 특허가 보고

된 화합물들이다. 표에서 보여지는 것처럼 여러 제약 회사

들이 항당뇨병 치료제로서 GPR120의 효능제를 개발하고

있지만 아직 효능제를 이용한 GPR120의 활성 기작 연구결

과 주목할 만한 효과의 효능제나 동물 실험 결과는 보고된

바가 없어서 많은 추가 연구/개발이 필요한 실정이다.

결 론

GPR120의 활성은 전반적으로 인간의 건강 유지에 긍정적

인 역할을 할 것으로 보여지고, 특히 현재까지의 연구결과

에서 보여지는 결과 바탕으로 볼 때 대사 질환 치료에 매우

가치있는 타겟으로 여겨진다. 그러나 이런 여러 유익한 역

할과 가능성에도 불구하고 GPR120를 실질적인 타겟으로

대사 질환을 치료하는 전임상 단계 연구는 아직 초기 단계

이며, 이를 위해서는 여러 조직에서 보여지는 GPR120의 활

성의 유익성이 소분자화합물효능제를 이용한 세포 및 동물

실험에서 먼저 확실하게 증명되어야 할 것이다.

Molecular and Cellular Biology Newsletter

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논/단

5 ● ● 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

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표 1. GPR120 효능제 개발 현황

효능제 개발 회사/그룹 효능실험방법 참고문헌

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TUG-891 Shimpukade et al. [Ca2+] FLIPR, HEK293BRET, HEK293 [29]

GSK137647A GlaxoSmithKline [Ca2+], U2OS [30]

Thiazole/oxidiazole derivatives IRM LLC. [Ca2+] FLIPR, HEK293 [31]

Dihydrobenzofuran derivatesPyrazole/oxazole analogs Metabolex, Inc. ipGTT, OGTT [32]

Isoindolin-1-one seriesPhenyl-isoxazole-3-ol series Banyu Pharmaceutical Co. Ltd [Ca2+] FLIPR, CHO [33]

Alpha acid derivatives Kindex Therapeutics [Ca2+] FLIPR, CHOOGTT [34]

Long chain fatty acid derivatives Pharma Frontier Co. Ltd [Ca2+] FLIPR, HEK293 [35]

(FLIPR, Fluorescence Imaging Plate Reader; BRET, bioluminescence resonance energy transfer; ipGTT, intraperitoneal glucose

tolerance test; OGTT, oral glucose tolerance test)

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오 다 영

저 | 자 | 약 | 력

1995-2000 전남대학교 생물학과, 학사

2000-2002 전남대학교 분자내분비학과, 석사

2002-2005 전남대학교 분자내분비학과, 박사

2005-2007고려대학교 의학대학원, GPCR lab,박사후 연구원

2007-2012University of California San Diego,박사후 연구원/project scientist

2012-현재University of California San Diego, Department of Medicine, Assistant Professor