Studies on VRK-1 and diacetyl as aging-regulating genetic and environmental factors in Caenorhabditis elegans

Abstract

노화는 거의 모든 생물에서 나타나는 시간에 따른 생물학적 기능 저하를 의미한다. 지난 수십년 동안의 연구를 통해 노화는 유전적 인자들에 의해 영향을 받으며, 조절 가능한 생물학적 과정이라는 것이 알려졌다. 노화에 영향을 미치는 요인은 크게 유전적 요인과 환경적 요인으로 나뉠 수 있다. 다양한 유전적 요인들이 노화를 조절한다고 알려졌으며, 이들을 조절함으로써 건강수명을 증진시킬 수 있음이 밝혀지고 있다. 환경적 요인 또한 유전 인자들을 조절함으로써 노화에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다. 본 연구에서는 예쁜꼬마선충을 모델 동물로 이용하여, 노화를 조절하는 새로운 유전 인자 및 환경 인자를 밝히고 그들의 작용 기전을 이해함으로써 노화 조절의 새로운 패러다임을 제시하고자 하였다. 첫째 장에서는 노화를 조절하는 유전인자로서 Vaccinia-related protein kinase 1 (VRK-1)을 발굴하였고 이 단백질의 수명 조절 기능을 분석하였다. VRK-1은 진화적으로 잘 보존된 단백질 kinase로서, 주로 세포 분열을 조절하는 기능을 한다는 것이 잘 알려져 있었다. 하지만 VRK-1이 세포 분열 이외에 어떤 다른 기능을 하는지에 대해서는 알려진 바가 없었기에, VRK-1이 분열이 끝난 세포에서 노화를 조절하는 역할을 하는지를 시험하였다. 예쁜꼬마선충에서 VRK-1은 세포 분열이 완전히 끝난 체세포에서도 계속 발현되었으며VRK-1을 과발현하니 예쁜꼬마선충의 수명이 증가하였고, 반대로 VRK-1을 억제하면 수명이 크게 감소하였다. 이를 통해 VRK-1이 수명을 늘이는 역할을 한다는 것을 밝혔다. VRK-1은 알려진 다양한 장수 유도 기전들 중 특히 미토콘드리아 호흡 저해 돌연변이에 의한 장수를 매개한다는 것을 발견하였다. 유전체 분석을 통해, VRK-1은 잘 알려진 장수 인자인 AMP-activated protein kinase를 통해 수명을 조절함을 밝혔다. VRK-1과 AMPK를 이용한 생화학 실험들을 통해, VRK-1이 AMPK를 직접적으로 인산화 하여 활성화함으로써 수명을 늘이며, 이 과정은 인간 배양 세포에서도 보존 되어있음을 발견하였다. 따라서 본 연구를 통해 VRK-1은 AMPK를 활성화하는 활성 인자로서 기능하며, VRK-1에서 AMPK로 연결되는 신호 전달 체계는 장수를 유도하는 중요한 요소라는 것을 밝혔다. 둘째 장에서는 노화를 조절하는 환경 인자로서 다이아세틸을 발굴하였고, 이것이 수명에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 선행 연구를 통해 예쁜꼬마선충의 먹이에서 유래한 신호 물질이 예쁜꼬마선충의 감각 신호 전달 체계와 인슐린 신호 전달 체계 (insulin/insulin-like growth factor 1 signalling pathway)를 통해 수명을 조절한다는 것이 밝혀졌으나, 해당 신호 물질의 정체는 알려진 바가 없었다. 이에 예쁜꼬마선충의 먹이인 박테리아가 만들어내는 휘발성 유기화합물 일곱 개를 골라 이들 중 예쁜꼬마선충의 인슐린 신호 전달 체계를 조절하는 것들을 발견하였다. 이 결과와 선행 연구 결과를 도합하여, 다이아세틸 (diacetyl)이 예쁜꼬마선충에서 식이제한 (food deprivation)에 의한 수명 증진을 억제하며 이는 인슐린 신호 전달 체계에서 장수를 매개하는 DAF-16/FOXO 전사 인자의 활성을 억제함으로써 이뤄진다는 것을 보였다. 또한 자연계에서 다이아세틸을 생성하는 lactic acid bacteria의 냄새를 식이 제한된 예쁜꼬마선충에게 줄 경우, DAF-16/FOXO의 활성이 마찬가지로 감소함을 발견하였다. 다이아세틸이 DAF-16/FOXO의 활성을 조절하고 이로 인해 장수를 억제하는 기전을 밝히기 위해, 알려진 감각 뉴련 세포에서의 신호 전달에 관여하는 다양한 인자들이 다이아세틸의 신호를 매개하는지를 시험하였으나, 해당 인자들은 다이아세틸의 신호를 매개하지 못하였다. 본 연구를 통해 다이아세틸은 예쁜꼬마선충이 음식 냄새로서 인지하는 신호 물질로 작용하며, 인슐린 신호 전달 체계를 통해 식이 제한에 의한 장수 효과를 억제한다는 것을 밝혔다.

Aging is a fundamental biological process that almost all living organisms experience. Aging is associated with functional declines in biological functions and in the onset of age-related diseases that contribute to increased mortality. Aging is affected by various factors, which are divided into genetic and environmental factors. Many aging-regulating genetic and environmental factors, which interact with each other, have been identified and characterized. In this study, I aimed to determine the functions of novel genetic and environmental factors that regulate aging using the roundworm Caenorhabditis elegans. First, I characterized the role of a genetic factor vaccinia-related kinase 1 (VRK-1) in lifespan regulation. I found that VRK-1 functions as a pro-longevity factor in animals with reduced mitochondrial respiration. Importantly, VRK-1 phosphorylated and activated AMP-activated protein kinase (AMPK), a nutrient-sensing and anti-aging protein kinase, in both C. elegans and cultured human cells. Thus, VRK-1 is a novel AMPK-activating kinase that promotes animal longevity. Second, I identified diacetyl, a food-derived sensory cue, that shortens longevity in C. elegans through a screen for aging-regulating environmental factors. I showed that the odor of diacetyl, which is produced by lactic acid bacteria in nature, downregulated DAF-16/FOXO, an evolutionarily conserved lifespan-extending transcription factor. I found that the odor of diacetyl suppressed longevity conferred by food deprivation, a dietary restriction regimen in C. elegans. Therefore, the odor of diacetyl in diets is sufficient to decrease longevity conferred by food limitation via downregulating DAF-16/FOXO. Together, these studies provide important insights into mechanisms by which novel genetic and environmental factors regulate organismal aging and lifespan. These studies will help developing therapeutic strategies that delay aging and treat age-associated diseases via modulating the activity of VRK-1 or sensory food-derived cues.