ER은 단백질 합성 또는 새로 만들어진 단백질의 합성 후 변형이 일어나는 세포소기관으로 세포내 칼슘이온의 저장에도 중요한 역할을 담당한다. 하지만 포도당 결핍과 같은 대사이상이나 감염,약물 등의 스트레스, 유전자의 손상에 의한 돌연변이에 의해 소포체내에 비정상적인 단백질이 증가하면 ER stress 반응기전이 활성화된다. 최근 ER stress가 당뇨병의 핵심 병태생리로 작용한다는것이 알려지고 있으나, 상세하게 ER stress 반응중 어떤 조절인자가 반응하고 어떤 기전으로 당뇨병에서 나타나는 인슐 저항성이나 인슐린 분비장애 등을 유발하는 지는 아직 구체적으로 알려진것이 없다. 그런데 ER stress 유도에 따른 유전자네트워크구성과 표적유전자규명은 유전자의 pro-moter 영역에 해당하는 염기서열과 gene expression microarray을 분석하는 생물정보학적방법을 사용하면 가능하다. 즉, ER stress에 의해 Nrf-1의 활성이 줄어듬으로써 전자전달계에 관여하는 유전자들의 발현이 감소하고 , 전자전달계의 기능이 감소할뿐 아니라 미토콘드리아의 기능도 줄어들 것으로 판단된다.
<h1>고 찰</h1> <p>ER은 단백질 합성 및 새로 만들어진 단백질의 합성 후 변형이 일어나는 세포소기관으로 세포내 칼슘이온의 저장에도 중요한 역할을 담당한다. 그러나유전자의 손상에 의한 돌연변이, 포도당 결핍과 같은 대사이상이나 감염, 약물 등의 스트레스에 의해 소포체내에 비정상적인 단백질이 증가하면 ER stress 반응기전이 활성화된다. 이러한 ER stress 반응의 초기단계에서는 단백질합성억제, 비정상적 단백질제거 등의 적응반응을 통해 보상될 수 있으나, 적응한계를 넘어서는 과도한 ER stress의 경우 궁극적으로 세포는 세포사멸(apoptosis)을 일으키는 등 질병을 유발하게 된다.</p> <p>ER stress 반응에 관여하는 전사조절인자로는 ATF6, ATF4, CHOP, XBP-1등이 알려져 있으나, 다른 전사조절인자들에 대해서는 구체적으로 규명되지 않은 상태이다. 최근에는 ER stress가 당뇨병의 핵심 병태생리로 작용한다는 것이 알려지고 있으나, 구체적으로 ER stress 반응중 어떠한 조절인자가 작용하며, 어떠한 기전으로 당뇨병에서 나타나는 인슐린 분비 장애나 인슐린 저항성 등을 유발하는 지는 아직 구체적으로 알려진 바가 없다.</p> <p>그런데 ER stress 유도에 따른 표적유전자규명과 유전자네트워크구성은 gene expression microarray와 유전자의 pro-moter 영역에 해당하는 염기서열을 분석하는 생물정보학적방법을 이용하면 가능하다. 특히, 고등동물의 전사적조절이 다수의 전사조절인자와 결합염기서열간의 다양한 결합패턴에 의해서 결정된다는 점을 고려할 때, 훨씬 많은 수의 전사인자가 ER stress에 관여할 것으로 예측되어진다. 결국 전사조절인자들의 상위 및 하위레벨에 해당하는 또 다른 전사인자와 이들과 상호작용하는 유전자들이 밝혀져야 할 것이다. 따라서, 본 연구에서는 ER stress 반응을 유도하는 조건하에서 당뇨관련조직인 간세포에서 유전자발현의 profiling을 확보하고, 이를 이용하여 ER stress에 의한 유전자들의 기능적 변화와 핵심전사조절전사인자를 in silico로 분석하였다.</p> <p>Thapisigargin을 시간별로 처리한 Sk-Hep1 세포에서 total RNA를 분리하고 expression microarray을 행하여 유전자 발현 profiling을 확보하였다. 매우 유의적으로 expression co-herence을 나타내는 gene set을 functional annotation으로 우선적으로 선별한 후, 이러한 functional gene set을 다시 발현이 비슷한 것끼리 묶어 약 12 종류의 cluster로 분류하였다. 이들의 유전자들 기능을 GSECA 의 방법으로 분석하였을 때, lysosome, sugar binding, ER lumen (Cluster 6)에 관련된 기능이 증가하는 반면, mRNA processing, mitosis, nuclear mRNA splicing, DNA replication, DNA repair, cell cycle, electron transport chain, response to DNA damage, helicase activity, helicase activity, electron transport chain, response to DNA damage 등의 기능은 감소하였다. 이러한 기능의 변화는, ER stress가 유도되면 ER에 관련된 기능(ER lumen, ER to Golgi transporter)이 증가하여, ER stress에 대응하여 세포를 방어하는 기능들이 증가하나, 새로운 단백질의 생성(DNA replication, mRNA processing)이나, ATP 생성(Electron transport chain), DNA 수선(Response to DNA damage, DNA repair)과 세포분열(Mitosis) 등의 기능은 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 ER stress가 유도되면, 1) ER에 주어지는 과도한 부하를 감소시키는 기능들이 증가되어지나 2) ER stress가 점차 더 증가하면 mRNA transcription, ATP 생성이나 DNA repair 더 나아가 세포분열의 기능이 감소하여 세포의 활성이 감소됨을 알 수 있었다.</p> <p>ER stress에 의한 유전자의 조절에 관련된 전사조절인자들을 역시 생물정보학적 방법(GSECA)으로 분석하였을 때, FOXO4, AP-1, FOXO, HNF4, IRF-1, GATA 등의 전사인자들이 ER stress에 의해 발현이 증가하는 유전자들의 promoter에 공통적으로 존재하였으며, E2F, Nrf-1, Elk-1, YY1, CREB, MTF-1, STAT-1, ATF 등의 전사인자들이 발현이 감소하는 유전자들의 promoter에서 공통적으로 존재하여, 이들의 전사인자들이 ER stress에 의한 유전자의 발현조절에 중요한 역할을 하는 전사조절인자임을 알 수 있었다.</p> <p>이들 전사조절인자 중 HNF4, Foxo, AP-1 등은 gluconeo-genesis에 관여하는 phosphoenolpyruvate carboxylase kin-ase (PEPCK)의 발현을 증가시키는 대표적인 전사인자로, ER stress가 HNF4, Foxo, AP-1 등의 전사조절인자의 활성증가를 통해 PEPCK의 발현을 증가시켜 당뇨병을 유발할 것으로 판단되었다. 또한 미토콘드리아 biogenesis에 매우 중요한 전사인자인 Nrf-1이 ER stress에 의해 발현이 감소되는 유전자들의 promoter에서 발견되어 겼는데, 이는 ER stress에 의해 전자전달계의 기능이 감소하는 데에 관여할 것으로 생각 되어졌다. 즉, ER stress에 의해 Nrf-1의 활성이 감소됨으로써 전자전달계에 관여하는 유전자들의 발현이 감소되어, 전자전달계의 기능이 감소할 뿐만 아니라 미토콘드리아의 기능도 감소할 것으로 판단되었다.</p>