Caenorhabditis elegans에서 Elongin C, PTEN, 그리고 tsRNA의 노화 조절 기전 연구

Abstract

노화는 현 시대를 살아가는 모든 사람들이 마주한 문제 중 하나이다. 노화는 개체에게 뿐 만 아니라 사회적으로도 해결해야 할 큰 문제이다. 사회가 발전하면서 기대수명이 늘어남에 따라 더 건강하게 늙는 것, 노인성 질환 해결에 대한 필요성 및 관심도가 크게 증가하고 있다. 이처럼 노화는 우리 삶 속에서 아주 가깝게 존재하는 문제인데 반면에 노화가 실제로 어떻게 일어나는지에 대한 연구는 여전히 걸음마 단계이다. 불과 몇 십 년 전만 해도 사람의 수명은 천명이라 하여 타고나는 것이라고 생각했다. 하지만 90년대 초반에 발표된, 특정 유전자 하나에 돌연변이가 일어나면 수명이 2배로 증가한다는 논문과 함께 노화 현상이 단지 타고나는 것이 아니라 조절이 가능하고, 개체 내에서 일련의 과정을 거쳐 일어나는 현상이라는 것이 밝혀졌다. 그 이후 수많은 노화 조절 인자와 노화 조절 기전이 밝혀지고, 또 연구되고 있지만 여전히 많은 부분이 알려지지 않은 채로 남아 있다. 본 연구에서는 순행 (forward) 및 역 (reverse) 유전학 기법들을 사용하여 노화 조절 기전에 대한 이해를 높이고, 노화 현상이 진화적으로 어떻게 생기게 되었는지 탐구하며(학위 논문 미개제, Lee and Hwang et al., 2016, Aging), 향후 포유류 및 인간에게도 적용이 용이한 장수 유도 물질을 찾는 것을 목표로 하였다. 챕터 1에서는, HIF-1의 조절자인 ELC-1을 발굴하였다. 기존의 연구에서 HIF-1의 조절자를 찾는 RNAi 스크린을 수행하였는데, 그 때 발견된 조절자중에 하나가 ELC-1이다. ELC-1은 E3 유비퀴틴 연결효소를 이루는 Elongin C의 꼬마선충 상동기관으로, 꼬마선충에서는 HIF-1의 조절자로서 아직 연구된 바가 없었다. 본 연구를 통하여 elc-1의 발현을 줄였을 때 HIF-1을 통하여 수명이 증가함을 밝혔다. 더 나아가서 elc-1의 발현을 줄였을 때 단백질 항상성이 증가하고, 이 또한 HIF-1을 통하여 일어나는 현상임을 밝혔다. 이를 통하여 ELC-1이 꼬마선충에서도 HIF-1의 음성 조절자로 역할하며 HIF-1을 통한 수명 조절 기전에서 함께 역할을 한다는 것을 규명할 수 있었다. 챕터 2에서는 순행 유전학 기법인 EMS mutagenesis를 이용하여 오래 살면서도 발달 결함이 적은 돌연변이체를 찾고자 하였다. 정상 개체보다 수명이 2배 더 길고 병원균에 대한 저항성도 뛰어난 daf-2 돌연변이체에 EMS를 처리한 뒤, 여전히 병원균 저항성이 좋으면서 특정 온도에서 자라지 못하는 발달 결함이 없는 돌연변이체를 스크린 하였다. 그 결과 daf-18에 특정 점 돌연변이가 생기면 daf-2 돌연변이체의 병원균 저항성 및 장수 형질에는 거의 영향이 없으면서 발달 결함만을 선택적으로 억제하는 것을 밝혀냈다. 현재는 어떻게 특정 daf-18 점 돌연변이가 daf-2 돌연변이체의 다양한 형질을 선택적으로 억제할 수 있는지 메커니즘을 밝히고 있다. 마지막 챕터 3에서는, 비교적 최근에 알려진 tRNA 조각의 노화 조절 기전에 대하여 연구하였다. tRNA 조각의 양이 꼬마선충의 정상 노화 과정에서 점차 증가한다는 것을 시작으로 tRNA 조각이 노화 조절에서 역할을 하지 않을까 하는 궁금증을 가지게 되었다. 이를 알아보기 위하여 역 유전학 기법인 유전자 이식(transgenesis)을 통하여 특정 tRNA 조각인 글루타민 tRNA 조각을 나이와 상관없이 과발현 시킨 후 수명을 측정하였다. 놀랍게도, 글루타민 tRNA 조각을 과발현 시키면 수명이 증가한다는 것을 밝혔다. 그렇다면 어떻게 글루타민 tRNA 조각이 수명을 증가시키는지 알아보기 위하여 3가지 방향으로 연구중에 있다. 먼저, 기존의 다른 tRNA 조각 연구들과 같이 글루타민 tRNA 조각이 단백질 발현을 조절하는지를 테스트 하였는데, 글루타민 tRNA 조각이 꼬마선충에서는 단백질 발현을 변화시키지 않는 것으로 보인다. 두 번째로는, 글루타민 tRNA 조각이 마이크로 RNA와 같은 다른 small RNA들 처럼 타겟 mRNA를 억제하는 역할을 하는지 알아보고 있다. 세 번째로, 글루타민 tRNA 조각을 과발현 시켰을 때 발현이 변하는 유전자들이 식이 제한(fasting or dietary restriction)에 의해 발현이 변하는 유전자들과 많이 일치하는 경향을 보여 글루타민 tRNA 조각이 식이 제한 경로를 통하여 수명을 조절하는지 현재 알아보고 있는 중이다. 본 연구에서는 다양한 접근법들을 이용하여 여러 노화 조절 기전에서 새로운 노화 조절 인자들을 발굴하고, 기존에 알려져 있던 노화 조절 인자의 새로운 역할을 조명하고, 더 나아가서 장수 유도 물질 후보인 글루타민 tRNA 조각을 발굴하였다. 본 연구를 통하여 노화에 대한 이해가 증가하고, 건강하게 오래 살 수 있는 방법에 조금 더 가까이 다가갈 수 있었다고 생각한다.

Aging is a fundamental and mysterious phenomenon in nature. Only several decades ago, people had believed that aging or lifespan is naturally determined. Contrary to popular belief, however, scientists have found that aging can be regulated genetically or environmentally. Many genes and pathways that regulate aging have been identified during the last decades. However, various empty gaps in the knowledge of the aging regulation still remain. In this study, I aimed to understand each aging-regulatory factors pathways by using forward and reverse genetics approaches. With forward genetics approaches, first, I identified a Elongin C/ELC-1 as a negative regulator of hypoxia-inducible factor 1. I found that inhibition of elongin C/elc-1 extends the lifespan of C. elegans through activating HIF-1. I further showed that knockdown of elongin C/elc-1 increases the protein homeostasis via HIF-1. Second, I generated long-lived mutants with less fitness defects by using EMS mutagenesis. I found that specific point mutation in PTEN/daf-18 suppresses fitness defects of daf-2 long-lived mutants with small effects on immunity and longevity. With reverse genetics, I am currently testing the aging-regulatory roles of tRNA-derived small RNAs (tsRNAs) by overexpressing the tsRNAs. I found that overall tsRNA levels increase with age. I further examined that Gln 5’-tsRNAs promote longevity via dietary restriction pathways. These studies provide insights to understand the regulation of aging at the organismal levels. Furthermore, these study will help to find novel anti-aging molecules which have evolutionarily conserved roles.