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 ▶  당뇨병, 초파리를 이용해 파헤친다 2012-06-17 17:43:21
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최근 연구진은 초파리 실험을 통해, 탄수화물과 단백질을 과다섭취 하는 것이 비만을 만들 뿐만 아니라 수명을 단축하고, 인간 당뇨병 타입 2의 특징인 인슐린 저항을 야기한다는 것을 밝혔다. 현재 미국에서는 인간 당뇨병 타입 2 발병률이 위험 수준에 달하고 있으며, 연구진은 비만 및 나쁜 식습관과 관련이 있는 본 질병의 치료법을 찾기 위해 노력 중이다. 서던메소디스트 대학교(Southern Methodist University)의 생물학자들은 현재 당뇨병과 같은 치명적인 질병을 더욱 잘 이해하는데 도움이 되는 도구를 개발하고 있다.

건강한 성충 초파리의 식습관을 조절하는 방법을 통해, 연구진은 타입 2 당뇨병의 특징인 인슐린 저항을 가지는 초파리 개발에 성공했다. 지금까지 연구자들은 당뇨병을 일으키는 신진대사 및 유전자 변화에 대해 연구하기 위해 쥐 등을 이용한 동물 실험에 주로 의존해왔다.

노랑초파리(Drosophila melanogaster)는 알츠하이머 병에서 암에 이르기까지 다양한 인간 질병을 연구하기 위해 실험실에서 널리 쓰이는 곤충이다. 그러나 기존 문헌에 근거하면, 지금까지 타입 2 당뇨병의 특징인 신진대사 붕괴에 대한 연구에 성충 초파리를 사용해 본 적은 없었다. 초파리를 이용한 실험은 유지 비용이 저렴하고 일대기를 관찰하기에 유리한 짧은 수명을 가지고 있어, 새로운 유전자 치료 또는 약물을 개발하는데 있어 빠른 응답을 확인할 수 있는 장점이 있다.

본 연구를 이끈 SMU 생물 과학과 부교수인 생물학자 조하네스 H. 바우어(Johannes H. Bauer)는 초파리에게 다량의 영양분을 섭취하게 함으로써, 인슐린 저항성 초파리를 개발하였다. 본 방법은 인간이 음식물 과다 섭취로 비만이 되는 과정을 모사한 것이다. 인슐린 저항성 초파리는 현재 타입 2 당뇨병 연구의 가장 적합하고 효율적인 연구 대상으로 군림하고 있다.

“영양소를 조절하여 인슐린 저항성을 가지는 초파리를 만들 수 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 인슐린 저항성 모델을 이용하여 현재 우리는 환자 상태에 따른 약물 치료법 및 비만 치료 방법, 인슐린 저항성을 막는 방법과 특별한 식이요법을 통한 신진대사 개질 방법을 개발할 뿐만 아니라, 인슐린 저항의 분자 메커니즘을 정확하게 기술하기 위해 연구 중이다. 본 연구 결과를 이용할 분야는 무궁무진하다.”라고 바우어는 말했다. 본 연구진의 연구 결과는 생화학 분야의 세계적인 저널인 바이오키미카 엣 바이오피지카 엑타(Biochimica et Biophysica Acta) 질병 분자 기초 부분에 “성체 노랑초파리의 식사 유도성 인슐린 저항성 개발”이라는 제목으로 게재되었다.

이자에서 생산되는 인슐린은 생체 기능, 재생, 이동 및 성장에 필요한 에너지와 함께 뇌 활동에 필수적인 포도당, 필요 설탕 분자를 섭취하는 세포의 호르몬을 지칭한다. 타입 2 당뇨병에 걸리면 포도당을 흡수하도록 지시하는 인슐린의 신호에 세포가 반응을 하지 않게 되어 환자는 인슐린 저항성을 가지게 된다. 포도당 조절이상은 인체의 균형을 헤치게 되어 일반 세포는 제대로 자신의 역할을 수행할 수 없게 된다. 다양한 질병의 증상에서 나타나는 이러한 세포의 기능 중단 현상은 타입 2 당뇨병의 특성을 파악하고, 치료 및 치유를 어렵게 하는 원인이 된다.

이러한 복잡한 질병의 양상을 연구하기 위해 좋은 기초 생명체 모델을 제공하기 위해, 바우어 연구팀은 다른 식습관을 가졌을 대 당뇨병과 유사한 신진대사의 변화를 보이는지 여부를 결정하길 원했다. 연구진은 두 가지 서로 다른 방법으로 인슐린 저항성 초파리를 개발하였는데, 한 그룹은 탄수화물을 다른 그룹은 단백질을 과다 섭취하게 하였다. 두 경우 모두 생리적 관점에서 초파리의 건강에 심하게 해로운 효과를 주는 식습관이다.

본 논문의 주요 저자인 SMU 생물학자 시티 누르 사라 모리스(Siti Nur Sarah Morris)는 본 실험에서 예상했던 결과와 예상 밖의 결과 모두를 얻었다고 말했다. 연구진은 초파리들이 비만이 될 것을 예상했고 실제로 그렇게 되었다. 탄수화물을 과다 섭취한 그룹의 초파리들은 인간이 단 음식, 감자튀김, 파스타, 아이스크림을 과다 섭취했을 때 나타나는 현상과 유사하게 과체중이 되고 지방이 많아졌다. 단백질을 과다 섭취한 그룹 역시 체중은 늘어났지만, 단백질만을 지속적으로 먹이자, 고기, 생선, 계란 등의 단백질만을 섭취하게 하는 일명 황제 다이어트(Atkins Diet)라고 불리는 식이요법을 썼을 때와 같이 체중이 줄어드는 현상이 발생하였다.

연구진의 예상대로 탄수화물 과다 섭취 그룹의 초파리들은 인슐린 저항성을 가지게 되었다. 놀라운 결과는 단백질을 과다 섭취한 그룹의 초파리들의 경우, 훨씬 빠르면서 더욱 심각하게 인슐린 저항성을 나타내었다는 것이다.“탄수화물 과다 섭취 그룹은 살이 쪘고, 단백질 과다 섭취 그룹은 살이 쪘다가 빠졌다. 따라서 두 가지 식습관은 전혀 반대의 신진대사 효과를 보였다고 할 수 있지만, 두 경우 모두 인슐린 저항성을 가지게 되었다. 이러한 결과는 우리를 놀라게 했다.”라고 바우어는 말했다.

과식한 초파리들은 수명이 짧고 생식력의 차이를 보였다. 본 연구의 다른 결과로, 탄수화물 과다 섭취 그룹의 초파리들은 생식력을 측정한 결과 산란양이 엄청나게 감소하였다. 이와 반대로 단백질을 과다 섭취한 그룹의 초파리들은 초기 산란양이 증가하다가 식습관이 지속될수록 산란양이 감소하였으며, 두 경우 모두 수명이 단축되었다. “단백질 과다 섭취 초파리들은 움직임이 적고 대부분 활동을 하지 않았으며, 노쇠하고 건강하지 않아 보였다. 탄수화물 과다 섭취 초파리들은 생식력이 엄청나게 저하되었고 비행 빈도는 줄었지만 지속적으로 움직이려고는 하였다.” 두 경우 모두 인슐린 저항성을 가지긴 했지만, 생활 면에서 큰 차이를 보였다.

“탄수화물 과다 섭취 군의 실험 결과는 탄수화물 수치와 건강 사이의 일정한 상관관계를 보여준다. 더 많은 탄수화물 섭취는 과체중을 야기하고, 더 많은 당분 저장과 지방, 더 많은 인슐린 저항성 및 생식력 저하를 가져왔다. 그러나 단백질 과다 섭취 군은 모든 데이터에서 경향이 증가했다가 감소하는 포물선의 형태를 보였다. 황제 다이어트를 한 사람들에게 전형적으로 나타나는 케토시스(ketosis) 현상과 같이, 최적의 신진대사 기능을 위해 저장 공간이 감소하는 것은 주로 파괴적인 이화 상태(catabolic state)를 초래할 수 있다.

모리스 및 바우어 뿐만 아니라 SMU 학생 클라이레 쿠간(Claire Coogan), 칼라일 챔세딘(Khalil Chamseddin), 샌트하람 콜리(Santharam Kolli) 및 페닝턴 생의학 연구소(Pennington Biomedical Research Center)의 제프리 N. 켈러(Jeffrey N. Keller), 치매 연구 및 예방 연구소(Institute of Dementia Research & Prevention)의 선 옥 레르난데스 김(Sun Ok Fernandez-Kim)이 본 연구에 참여하였다. 본 연구는 미국 국립 고령화 연구소(National Institute on Aging)의 지원으로 수행되었다.

1. 출처: ScienceDaily (June 5, 2012)
2 원문정보: Journal Reference: Siti Nur Sarah Morris, Claire Coogan, Khalil Chamseddin, Sun Ok Fernandez-Kim, Santharam Kolli, Jeffrey N. Keller, Johannes H. Bauer. Development of diet-induced insulin resistance in adult Drosophila melanogaster. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 2012; 1822 (8): 1230 DOI: 10.1016/j.bbadis.2012.04.012
3. 그림설명: 초파리의 염료 시험에서 지방 세포의 인슐린 반응 여부가 밝혀ㅈㅕㅅ다. 왼족은 인슐린 신호가 활성화된 경우이며, 오른쪽은 비활성화된 경우이다. (출처: 바우어)

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