세포막에 존재하는 ‘G단백질 연결 수용체(G protein coupled receptor, GPCR)’는 세포 밖 호르몬 신호를 세포 내로 전달하는 역할을 한다. 우리 몸의 다양한 반응에 관여하다보니 GPCR은 신약을 개발할 때 가장 많이 연구하는 단백질이기도 하다. 하지만, 지금까지 뼈나 치아 같은 단단한 조직(이하 경조직)의 재생 분야에서 활용한 사례는 없었다.

이에 차의과학대학교 정형외과학교실 이순철 교수(분당차병원), 연세대학교 치과대학 김도현 교수, 서울대 치의학대학원 김진만 교수·박소영 연구원 공동 연구팀은 GPCR의 활성도를 조절하며 경조직 생성 유전자의 발현 정도를 파악하는 연구를 진행했다. 그 결과 호르몬 신호를 세포로 전달하는 단백질 GPCR의 활성을 억제해 경조직을 생성하는 세포 분화를 유도하고, 뼈와 치아 재생에 관여하는 유전자를 발현시킬 수 있음을 밝혔다.

결과는 다음과 같은 과정을 통해 도출됐다. 연구팀은 먼저 세포의 유전자를 분석하는 마이크로어레이(microarray) 판독을 통해 치아 안쪽에 자리한 치수줄기세포(human dental pulp stromal cell, hDPSC)에서 나오는 484종의 GPCR을 파악했다. 그 중 발현량이 가장 많은 ‘클래스(class) A GPCR’을 발견했다(아래 그림).

연구팀은 마이크로어레이 판독을 통해 치수줄기세포에서 나오는 GPCR 484종을 파악, 이 중 발현량이 가장 많은 ‘클래스 A GPCR’의 상위 10%를 타깃으로 연구를 진행했다.

연구팀은 ‘클래스 A GPCR’을 타깃으로, GPCR 억제제를 치수 및 골수줄기세포에 투여했다. 그 결과 BMP-2, OCN, OPN, DMP1, DSPP 등 뼈와 치아의 재생 관련 유전자들이 더 많이 발현하는 것을 확인할 수 있었다.

이어 차세대 염기 서열 분석(next generation sequencing, NGS)을 통해 GPCR 억제제가 경조직 재생 유전자를 발현하는 과정도 확인했다. 즉 GPCR을 억제하면, 세포 내 신호전달체계인 PI3K, AKT, MDM2 단백질이 함께 억제되면서 결국에는 p53 단백질이 증가했다. p53이 증가하면서 경조직 생성 유전자도 더 많이 늘어나는 것으로 나타났다.

반대로 GPCR을 활성화하면 PI3K, AKT, MDM2 단백질이 활성화돼 p53 단백질이 감소하는데, 이러한 증감 관계 분석을 기반으로 p53 단백질의 증가가 골 조직 생성 유전자의 발현량과 연관 있음을 확인할 수 있었다.

골조직 생성 유전자의 발현 기전을 확인한 연구팀은 GPCR 억제제를 쥐의 두개골 결손부위에 주입했다. 2개월 후 결과는 놀라웠다. 억제제를 투여하지 않은 대조군과 비교했을 때, 새로 자라난 뼈 조직의 양이 현저하게 증가한 것이다.(아래 그림).

(왼쪽그림) 쥐 두개골 결손부에 GPCR 억제 약물을 투여한 군(Ki, ZM)과 투여하지 않은 대조군(Control, DMSO)을 비교했을 때, GPCR억제 약물을 투여한 군에서 많은 양의 골조직이 재생되는 것을 확인했다. (오른쪽 그림) 마이크로씨티를 이용하여 쥐 두개골에 생긴 골량을 측정한 결과. GPCR 억제 화합물인 Ki, ZM 투여군에서 골량이 높아진 것을 확인할 수 있다.
*Ki, ZM: GPCR 억제 화합물

분당차병원 정형외과 이순철 교수는 “동물실험을 통해 실제 경조직 재생 효과를 확인했다는 점에서 의미가 깊다. 이와 같은 기전 및 관련 기술을 활용하여 향후 실제 상용화될 수 있는 약물 개발에 집중할 예정”이라고 말했다.

노인 인구가 증가하면서 골다공증을 비롯한 골 결손은 사회적으로 심각한 문제로 떠오르고 있다. 이번 연구가 더욱 진전되어 노인층의 골 손실을 막을 수 있는 약물 개발로 이어지기를 기대해본다.