연구요약

AHA 2021은 코로나 19의 여파로 비대면으로 개최되었지만, 심장 질환 관련 많은 기초 연구가 소개되어 아쉬움을 덜 수 있었다. 올 해 발표된 기초연구 분야에서 인상적인 점은 줄기세포와 바이오 엔지니어링 기법, 특히 3D print를 이용한 인공심장 제작과 마이크로칩에 심장의 기능을 모사한 Hearts on Chips의 기술이 상당히 발전했다는 것이다. Hearts one Chip 기술을 이용하여 Sars-Cov2의 기전을 규명하고 신약을 테스트하는 플랫폼으로 활용한 강의는 매우 흥미로웠다. 이 분야의 비약적인 발전이 기대된다.

그런데, 이번 학회에서 가장 많은 관심을 받은 세션은 최근 분자 세포 생물학의 최신 실험 기법인 단일세포 시퀀싱 분석법을 이용한 연구였다. 5개의 세션이 단일세포 시퀀싱 분야일 정도로 높은 비중으로 다뤄졌다.

심혈관 질환의 단일 세포 프로파일 (Single Cell Profiles in Cardiovascular Diseases) 세션에서는 심혈관 질환에 의해 병변 주변에 면역세포 등 다양한 세포들이 분포함을 설명하고 있고, 특히 동맥경화에서 나타나는 새로운 면역 세포들의 subtype을 소개하고 그 기능과 의의를 설명하였다. 또한 induced pluripotent stem cell (iPSC)을 smooth muscle cell로 분화 유도하는 과정을 단일세포 시퀀싱으로 분석하여 세포 분화의 기전을 소개하기도 하였다. ‘Singling Out Cardiac Fibrosis and Regeneration: Insights From Single Cell Biology’ 세션에서는 Fibrosis 과정에서 나타나는 심근세포의 subtype 및 다양한 유전자 변화와 Regeneration 과정에서 주요 역할을 하는 심근세포와 그 세포의 기능을 유지하는 유전자와 그 기능을 규명한 연구 결과도 발표되었다. ‘From Transcriptomics to Understand Complexity of the Vasculature’ 세션에서는 aortic aneurysm에서 smooth muscle cell phenotype을 결정하는 epigenetic 기전을 소개하는 등 aneurysm의 병리현상 및 기전에 관한 내용이 발표되었다. 그 외에 ‘Single-Cell RNA Sequencing: Introduction to Analysis’, ‘Single-Cell Transcriptomics: a Flipped Classroom Experience in Data Analysis’ 세션을 통하여 단일세포 시퀀싱 실험법 및 분석 방법을 자세히 설명하였다.

이번 최신지견 따라잡기에서는 단일세포 분석을 통해서 Regenerative tissue가 injury-induced stress에 어떻게 적응하고, regenerative program을 어떻게 활성시키는 지 그 기전을 규명한 내용으로 준비하였다.

단일세포 시퀀싱 (Single cell sequencing) 분석 기술이란 하나의 세포로부터 DNA 또는 RNA를 추출하여 증폭하고 염기서열을 파악하여 세포의 특징을 분석하는 기술이다. 동일한 세포로부터 유래된 세포들 사이에서도 환경에 따라 여러 특성에 차이를 보이는 개별 세포의 유전자 발현 프로파일을 분석하여 생물의 발생 기전, 암의 다양성에 대한 성상 분석, 심혈관 질환에서 발생되는 세포의 변화를 세밀하게 측정할 수 있다. 이를 이용하여 병의 발생 기전 및 치료제 개발에도 활용될 수 있는 첨단 유전체 분석법이라고 할 수 있다. 이전에는 마이크로어레이 또는 Bulk RNA sequencing 분석으로 수백만 개 세포의 유전자 발현 정도를 평균화했지만, 단일세포 시퀀싱 분석 기술은 개별 세포의 계보, 종류, 질환 변이 등에 대해 보다 정밀하고 정확한 정보를 제공할 수 있는 장점이 있다. 2009년 단일세포 시퀀싱이 처음 시작되었을 때는 실제로 1개의 세포를 현미경 상에서 분리하여 Transcriptom을 분석하였다. 그 이후 다양한 조직에서 단일 세포를 분리해 내는 방법이 발달함에 따라 유세포분석기 (FACS)를 이용하여 세포를 multi well에 받아 선별하기도하고, micro well에 세포를 받아서 high throughput sequencing을 수행하는 방법으로 발전하였다. 이 방법은 Fluidigm사가 개발한 C1이라는 기계를 이용하여 C1방법이라고도 한다. 최근에는 Droplet 기술을 이용해서 세포를 oil drop안에 하나씩 넣고 이 세포를 분류해 내어 RNA sequencing을 수행하는 Chromium사의 10x가 단일세포 시퀀싱 분석법에서 가장 보편적으로 쓰이고 있다. 이것을 이용하면 100만개의 세포도 분석할 수 있다고 한다. 그러나, 아직까지는 그 정확도를 신뢰할 수 있는 세포의 수는 3,000~1만개 정도로 알려져 있다.

Texas Southwestern Medical Center의 Miao Cui 박사는 이번 학회에서 심장의 재생에 필요한 유전자인 Nrf1을 발굴하여 그 기전을 규명하였음을 보고하였다1. 작년에 단일세포 시퀀싱 방법으로 심근재생에 관련된 배아 특이 유전자 Acta2를 보고하였는데2, 이번에는 그 후속 연구를 통해 이 유전자와 동일한 시기에 같은 부위에서 발현되는 유전자인 Nrf1을 발굴한 것이다. Nrf1은 ER-bound stress-responsive transcription factor이다. 신생마우스에 심근경색을 유발하였을 때, 이 유전자가 증가하면서 심근 재생이 촉진되는데, 이 유전자를 인위적으로 제거한 넉아웃 마우스의 경우 심근경색에 의해 나빠진 심장 기능을 회복하지 못했다. 반대로 Nrf1 유전자를 adeno-associated viral (AAV) vector를 이용하여 심장에 미리 주입한 후 Ischemia/Reperfusion(I/R) injury를 가하면, 심근 손실이 매우 적다는 것도 보여줬다. 즉 성체 마우스의 경우에는 심근 보호 효과가 있다는 것을 시사한다. 다양한 세포 독성물질; Peroxynitrite (reactive nitrogen species released during I/R), Dox (cardiotoxic chemotherapeutic drug), Erastin (ferroptosis inducer)을 처리하였을 때에도 Nrf1을 과발현시킨 심근세포에서는 세포 생존율이 월등히 높았다. Nrf1은 transcription factor인데, target 유전자로 proteasome 구성 단백질이 많다. 실제로 Nrf1을 심근세포에 과발현 시키면 Proteasome, antioxidant response pathway에 관련된 유전자들의 발현이 증가한다.

결론적으로 Nrf1은 I/R injury에 의해 생성되는 ROS에 대한 scavenger를 활성화하고 여러가지 해로운 분자들을 분해하는 역할을 한다.

임상적 의의

28명의 heart failure 환자를 대상으로 NRF1의 발현 양상을 정상인의 심장과 비교했을 때, 환자들은 NRF1의 발현이 상당히 감소되어 있었다. Heart failure와 NRF1이 상관관계가 있음을 의미하며 NRF1의 발현을 인체에서 높이는 방법을 개발한다면 Heart failure의 예방에도 도움을 줄 수 있다고 생각한다. 또한 암 환자의 경우 Dox-induced cardiomyopathy로 인해 사망하는 경우가 많은데, NRF1이 독성물질에 대한 심장 보호 기능이 있기 때문에 이런 환자의 치료에 도움이 될 것으로 사료된다.

참고문헌

1) Cui, M. et al. Nrf1 promotes heart regeneration and repair by regulating proteostasis and redox balance. Nature Commun. 12(1):5270 (2021).
2) Cui, M. et al. Dynamic transcriptional responses to injury of regenerative and non-regenerative cardiomyocytes revealed by single-nucleus RNA sequencing. Dev. Cell 53, 102–116.e108 (2020).