Pathophysiological Functions of Deubiquitinating Enzymes in Obesity and Related Metabolic Diseases

탈유비퀴틴화 효소 DUBs의 비만 및 대사 관련 질환에서 병태생리학적 기능

Abstract

Ubiquitin signaling regulates virtually all aspects of eukaryotic biology and dynamic processes in which protein substrates are modified by ubiquitin. To regulate these processes, deubiquitinating enzymes (DUBs) cleave ubiquitin or ubiquitin-like proteins from these substrates. DUBs have been implicated in the pathogenesis of cancer, leading to the development of increasing numbers of small-molecule DUB inhibitors. On the other hand, recent studies have focused on the function of DUBs in metabolic diseases such as obesity, diabetes, and fatty liver diseases. DUBs play a positive or negative role in the progression and development of metabolic diseases. Their involvement in cell pathology and regulation of major transcription factors in metabolic syndrome has been examined in vitro and in animal and human biopsies. UCH, USP7, and USP19 were linked to adipocyte differentiation, body weight gain, and insulin resistance in genetic or diet-induced obesity. CYLD, USP4, and USP18 were found to be closely associated with fatty liver diseases. In addition, these liver diseases were accompanied by body weight change in certain cases. Collectively, in this review, we discuss the current understanding of DUBs in metabolic diseases with a particular focus on obesity. We also provide basic knowledge and regulatory mechanisms of DUBs and suggest these enzymes as therapeutic targets for metabolic diseases.

유비퀴틴화는 단백질 안정성 조절을 통해 진핵세포 내 광범위한 과정에서 주요한 역할을 한다. 이 과정에서 탈유비퀴틴화 효소인 deubiquitinating enzymes (DUBs)은 표적단백질의 유비퀴틴 혹은 ubiquitin-like proteins에 결합하여 표적단백질의 분해를 억제하는 기능을 한다. DUBs의 역할은 주로 암생물학에서 다루어져 왔으며, 이를 통해 다양한 암 치료용 DUBs 억제제가 개발 중인 상황이다. 한편, 최근의 연구는 이러한 DUBs가 비만, 당뇨, 지방간을 포함한 대사질환에서 주요한 역할을 할 수 있을 것이라고 보고했다. 대사질환의 발생 및 진행에 있어 각기 다른 종류의 DUBs는 양적 혹은 음적 조절 작용을 갖음을 제시하였다. DUBs는 세포 내 다양한 전사인자의 단백질 발현 등 조절함으로써 대사질환의 발생 및 진행에 기여할 수 있음 생체 내, 외 및 인간 조직을 활용한 연구에서 입증되었다. UCH, USP7 및 USP19는 지방세포의 분화, 체중 증가, 및 인슐린 저항성에 관련이 있음을 식이 혹은 유전자조작으로 인한 비만 유도 마우스에서 검증하였다. CYLD, USP4 및 USP18의 경우 지방간의 발생과 밀접한 관계를 갖는다고 보고되었으며 이는 경우에 따라 체중 변화를 동반한다. 종합적으로, 본 총설에서는 비만 및 이와 관련한 대사질환에서 DUBs의 역할에 대한 최신 연구 결과 및 동향에 대해 기술하였다. 또한 DUBs에 새로운 역할에 관한 기초지식 및 분자적메커니즘을 제공함으로써 궁극적으로는 DUBs가 대사질환의 새로운 유전자 타겟이 될 수 있음을 시사한다.

서론

고도화된 사회발달로 인한 활동량 감소, 음주, 고지방 음식 과다섭취 등으로 인해 대다수의 현대인의 비만 및 이와 관련되는 다양한 대사질환에 노출되어 있다. WHO 의 통계에 따르면, 전세계 비만환자의 비율은 1975년도에 비해 2016년도에 약 3배가 증가하였으며 심각한 경우 사망에도 이르는 등의 문제로 전세계적인 공중 보건 문제로 부상되고 있다. 특히 이러한 비만으로 인한 당뇨, 심혈관질환과 같은 대사증후군은 전 세계 인구의 건강 수명 (disability-adjusted life years)을 위협하는 주요 위협 인자로 취급되고 있다. 이러한 대사증후군은 세포 내 산화적 스트레스, 저산소증, 미토콘드리아 기능 이상, 단백질 미 접힘 등 다양한 스트레스 축적으로 인해 발생하며 궁극적으로는 각 대사 장기의 기능 이상 및 항상성 붕괴를 초래하게 된다[6, 18]. 이러한 비만 및 대사질환 표적을 위해 세포 및 유전자를 및 유전자 치료 등 생명공학 기술을 기반으로 한 다양한 신규 전략 및 유전자 타겟 등이 지속적으로활발히 연구개발되고 있는 상황이다.

체내 대다수의 단백질은 유비퀴틴-프로테오좀 시스템 (Ubiquitin-Proteasome System)을 통해 분해되며 이를 통해 단백질의 함량, 위치, 활성 등을 조절함으로써 체내 항상성 유지에 기여한다. 이와 반대로, 유비퀴틴과정은 deubiquitinating enzymes (DUBs) 에 의해 억제될 수 있는데 이들은 ubiquitin에 직접 결합하거나 혹은 small ubiquitin-like modifier (SUMO)와 neural precursor cell expressed developmentally downregulated protein 8 (NEDD8) 과 같은 ubiq- uitin-like proteins (UBLs)의 분해를 통해 단백질 안정성을 조절한다[17]. 이전의 수 많은 연구들은 DUBs의 발현과 유방, 골수, 자궁암 등 다양한 종양 및 암세포 간의 상관관계에 대해 보고해왔으며 이들의 활성 조절을 기반으로 한 신약개발 가능성 등을 제시해왔다[11, 16]. 한편, 최근의 연구들은 이러한 DUBs가 암뿐만 아닌 또 비만, 당뇨, 및 관련 대사성 질환에서도 주요한 역할을 할 수 있다고 보고하고 있다[7, 27]. 대사질환의 발병은 세포 내 endoplasmic reticulum (ER) stress 축적과 밀접한 관련이 있으며, 이로 인해 단백질 합성, 접힘, 성숙까지 일련의 과정에 문제가 발생하게 되면 이를 처리과정에 있어 DUB의 발현 및 활성 변화가 필수적으로 주요하게 작용하기 때문이다 [14]. 본 총설에서는 현재까지 보고된 비만 및 관련 대사질환에서의 DUBs의 역할 및 이의 작용 기전에 대한 연구내용들을 정리하여 향후 DUB를 표적으로 한 대사질환 신규치료 전략 수립 등을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

본론

DUBs의 종류 및 발현

인간은 약 100여개 이상의 DUBs를 발현하고 이는 cysteine proteases 와 metalloproteases로 분류할 수 있으며 그들의 서열 및 촉매 domain에 따라 USPs, UCHs, MJDs, OTUs, MCPIPs, ZUFSP 및 JAMMs 총 7개로 소분류 할 수 있다[8](Table 1). 이 중 ZUFSP는 2018년 처음 규명되었으며 DNA 손상 및 cellular survival에 관여한다고 보고되었다[10]. DUBs는 각기 세포막, endosome, ER, 미토콘드리아, 핵 등 다양한 세포 내 소기관에 위치한다고 보고되어있다[25]. 이들은 유비퀴틴 전구체로부터 단위체를 형성하거나, 유비퀴틴 사슬을 분해 혹은 기질로부터 유비퀴틴을결합을 직접적으로 방해하는 등의 작용 방식을 통해 체내유비퀴틴 시스템의 항상성을 유지한다[19]. 이러한 작용은 궁극적으로 다양한 세포의 기능을 조절할 수 있는데 세포 성장과 사멸, chromosome 분리, 효소활성, DNA 수선 등과 같은 세포 생에 전반적인 과정을 포함한다[4, 8, 22].

Table 1. Classification Human of DUBs

지방세포의 분화 및 비만에서 DUBs의 기능

비만은 지방세포의 과도한 증식(hyperplasia) 및 비대 (hypertrophy)에 의해 발생되며 이는 에너지 섭취, 소비, 저장 시스템 의 불균형을 유발함으로써 궁극적으로 지질 대 사 이상, 전신 항상성 붕괴 및 관련 대사질환 발병을 초래할 수 있다[15]. 이전의 연구들은 이러한 지방세포의 분화 및 특성 등에 있어 DUBs가 직접적으로 작용할 수 있다고 보고한 바 있다(Table 1). UCH는 지방세포 분화에 가장 핵심적인 신호전달 과정인 PPARγ signaling 및 insulin receptor (IR)의 활성 조절을 통해 지방세포의 분화 및 비만을 조절할 수 있다[24]. 상기 연구에서 UCH의 결손은 IR/ IGFIR 의 활성화 억제를 통해 지방세포의 분화를 억제함으로써 지방조직의 발생 및 유지에 관련할 수 있음을 입증하였다. 이와 유사하게 USP19 또한 PPARγ signaling 의억제를 통해 지방세포의 분화 및 비만을 조절함이 보고되었다[3, 12]. USP19의 결손은 마우스 유래 지방세포 분화 및 마우스의 비만을 억제할 뿐만 아니라, 이의 발현은 인간 지방조직 내 지방세포 분화 관련 바이오마커와의 발현과 양적 상관관계를 갖는다는 것을 제시하였다[3], 이러한 결과는 DUBs의 발현억제가 지방세포 분화에 있어 가장 핵심적인 PPARγ 신호전달 경로 억제를 통해 체내 지질축적 및 나아가 비만의 발병을 억제할 수 있음을 다양한 세포, 동물모델에서 제사하고 있다.

USP7은 histone acetyltransferase의 한 종 류인 Tip60의 protein stability 조절을 통해 지방세포의 초기단계를 조절할 수 있음을 보고한 바 있다[5]. USP7 억제제의 처리는 지방세포 분화 전반적 과정을 억제하며 이 때 억제제를 지방세포 분화 초기에 처리할 시 그 효과가 가장 우수하다는 것을 확인하였다. 또 다른 연구에 따르면, USP7은 인간 지방조직으로부터 유래한 줄기세포가 지방세포 및 골세포로 분화하는 것에 관여할 수 있다고 보고했다[24]. 이러한 결과는 USP7 이 줄기세포와 같은 지방 전구체의 특성 조절을 통해 궁극적으로 비만을 조절할 수 있다는 것을 제시한다. 이러한 이전의 보고들은 DUBs가 지방세포 분화 조절에 가장 주요한 인자인 PPARγ 및 인슐린 수용체 활성 조절 등의 다양한 경로를 통해 직접적으로 지방세포의 분화를 조절할 수 있음을 시사한다(Table 2). 즉, 이러한 DUBs의 억제는 지방세포 분화의 초기 혹은 후기단계 관여하여 지질 축적 억제 및 인슐린 저항성 개선 등을 통해 궁극적으로 비만 억제효과를 가질 수 있다(Fig. 1).

Table 2. DUBs connected with adipocytes and obesity

Fig. 1. General mechanisms of DUBs in adipogenesis.

비만으로 인한 지방간 및 DUBs의 기능

DUBs는 단순히 식이로 인한 과체중, 인슐린 저항성 뿐만 아닌 이로 인한 지방간 발병에도 주요한 역할을 할 수 있다고 제안되어왔다(Table 3). 이전의 연구들은 식이 및 유전자 결손으로 인한 다양한 비만유도모델에서 DUBs 가 비만으로 인한 지방간 발병 및 간염증으로의 진행 등을 조절할 수 있다고 보고했다. USP14는 식이 유도 혹은 유전적 결핍 유도 비만마우스의 체중을 조절할 뿐만 아니라 비만으로 인한 지방간 발생 및 진행에 주요한 역할을 한다고 제시한 바 있다[14]. USP14의 과발현은 지질 합성 및 축적에 주요한 인자인 fatty acid synthase (FASN) 의 stability를 조절하여 지방간 형성을 촉진하며 이와 반대로 USP14의 결손은 이러한 효과를 역전시킴을 증명하였다. 다른 연구에서는 저농도의 tunicamycin 투여로 유도된 ER stress로 인한 당 내성 및 인슐린 장애에 USP14가 주요한 역할을 할 수 있다고 제시하였다[15]. 상기 연구에서 USP14의 일시적 결손은 tunicamycin에 의한 혈당 상승을 억제하여 항상성 유지에 기여할 수 있음을 보여준다.

Table 3. Reported studies for DUBs in obesity-induced fatty liver diseases

또 다른 DUBs인 CYLD 또한 지방간 형성에 주요한 역할을 할 수 있음을 마우스, 원숭이, 인간을 대상으로 한 실험을 통해 입증된 바 있다. CYLD의 발현은 지방간의 진행(단순 지방간에서 간세포 괴사 및 염증 반응이 동반된 상태로 진행)에 따라 발현수준이 증가하며 간세포에 특이적으로 CYLD 결손을 유도할 경우 지방간의 발병 및 진행이 억제됨을 확인하였다[10]. 또한 CYLD 는 간세포 지질 축적을 유도 인자로 알려진 TAK-1의 단백질 항상성 유지를 조절함으로써 이러한 지방간을 초래하다고 제시하였다[21, 26]. 이러한 연구들은 DUBs의 한 종류인 CYLD 및 USP14가 식이로 인한 지방간 발병 및 관련한 대사 붕괴에 상당히 주요한 조절인자로써 작용할 수 있다는 직접적인 증거를 제시한다. 또한 이들은 지질 합성 및 축적에 주요한 하위 타겟 유전자의 단백질 항상성 조절 등을 통해 지방간을 유도할 수 있음을 보여주고 있다.

한편, USP18의 발현은 식이나 유전적 결함으로 인해 야기된 지방간에서 감소하는 경향을 나타냈으며, 이의 간세포 특이적 결손은 지방간으로 인한 염증, 인슐린 저항성 등을 상쇄시킨다고 보고했다[2]. 이러한 결과는 앞서 비만을 포함한 지방간과 같은 대사질환에서 대부분의 DUBs의 역할과 반대되는 역할을 제시함으로써 DUBs의 종류에 따라 그 역할이 상이할 수 있다는 것을 보여준다.

기타 만성대사질환에서 DUB의 기능

이외 USP17은 비만으로 인한 혈관질환에서[1], USP36 은 당뇨병성 신장질환에서[27]의 역할 가능성이 제시 된바 있다(Table 4). USP25은 GLUT4 stability조절을 통해 glucose homeostasis에 주요한 역할을 할 것으로 보고된 바 있으나[21], 지방세포를 이용한 실험에서의 연구 결과를 한정적으로 제시하고 있으며 관련 후속 연구는 보고된바 없다. 이러한 몇 가지의 연구보고는 현재 활발히 보고되고 있는 몇 종의 DUBs를 제외한 기타 다른 종류의 DUBs 들 또한 비만 및 관련 대사질환에서 역할을 할 수 있다는 가능성을 제기하고 있다. 이러한 연구 보고를 바탕으로, 아직까지 대사질환에서 기능이 보고되지 않은 혹은 제시된 결과가 한정적인 DUBs의 관한 확장된 개념의 후속 연구 등은 새로운 유전자 치료 타겟을 제공할 수 있는 유망한 연구분야로 부상할 수 있을 것으로 예상된다. DUB억제제의대사질환치료제개발가능성

Table 4. Reported studies for DUBs in obesity-related metabolic diseases DUBs의

현재까지 개발되고 있는 약 16종의 DUBs 억제제는 대부분 암, 염증 혹은 신경변성(neurodegeneration) 질환 치료를 목적으로 하고 있어 대사질환 용 DUBs 억제제는 아직까지 개발되지 못한 상황이다[8, 20]. 그러나 지난 세기 동안 개발되어 온 다양한 치료제들은 기존 사용 중이던 치료제의 화학적 구조 및 성질을 기반으로 약간의 변형 혹은 적용이 이루어 진 점에 미루어 본다면, 비록 다른 질병 치료를 목적으로 개발된 DUBs 억제제라고 할 지라도 향후 대사질환 관련 질병에도 적용될 가능성이 있을 것으로 전망된다. 또한 이를 위해서는 대사질환에서 각 DUBs의 역할에 대한 구조학적, 분자적 기능에 대한 기초연구 및 임상연구가 필수적으로 수반되야 할 것으로 사료된다.

결론

최근의 많은 연구들은 DUBs가 비만을 포함한 지방간, 당뇨성 합병증 등 대사질환에 관여할 수 있다고 보고하였으며, USP18을 제외한 보고된 대다수의 DUBs의 발현은 이러한 질병의 부정적 예후와 관련이 있다고 제시하였다. 그러나, 연구들은 주로 보고된 몇 가지의 DUBs에만 집중된 경향이 있어 아직까지 대사질환에서 역할 보고되지 않은 DUBs의 잠재적 기능 또한 주목할 필요가 있다고 사료된다. 또한 이러한 기초연구를 기반으로 한 대사질환용 DUBs억제제 등의 연구개발 또한 동시에 진행된다면 이는 아직까지도 난제로 남아있는 비만을 포함한 다양한 대사질환의 예방 및 치료에 있어 혁신적인 신규 치료제를 개발하는 것에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.