대머리 치료용 발모제 개발 가능성 열어
(a) 남성형 탈모 환자의 비탈모부위 모발에서 베타-카테닌은 높게 발현돼 있지만, CXXC5는 낮게 발현돼 있음을 확인했다. 반면, 탈모 부위에서는 CXXC5가 증가돼 있으며, 베타-카테닌은 반대로 감소됨을 확인했다. 비탈모부위와 탈모 부위 두피조직에서 베타-카테닌과 CXXC5가 음성 상관관계를 보인다.
(b, c) 탈모 환자에서 CXXC5는 줄기세포가 존재하는 부위인 모낭과 입모근 부위에서 높게 발현돼 있으며, 이와 반대로 모낭 줄기세포 마커인 keratin 15은 감소돼 있음을 확인했다.
(d) 마우스의 모발 생장주기 동안 베타-카테닌이 감소하는 시기에 CXXC5가 증가하는 양상을 확인했다.
(a) CXXC5를 인간 모유두세포에 형질주입(transfection)하게 되면 베타-카테닌과 모발형성 마커(ALP, PCNA)가 저해됨을 확인했다.
(b) 면역세포염색을 통해서도 베타-카테닌과 CXXC5가 음성상관관계를 보임을 확인했다.
(c) DBM(Dishevelled binding motif)이 결여된 CXXC5 DNA를 형질주입하게 되면 베타-카테닌과 모발형성 마커 저해 효과를 보이지 못한다.
(d) 면역침강을 통해 CXXC5와 Dishevelled 단백질의 상호작용이 윈트재조합단백질(Wnt3a)을 처리했을 때 음성되먹이기전(negative feedback mechanism)에 의해 강화됨을 확인했다.
(e) CXXC5 넉다운(knock down)된 세포에서 윈트재조합단백질을 처리하게 되면 음성되먹이기전이 방해받음으로써 윈트신호전달계의 활성화와 모발형성 마커의 증가가 극대화됨을 확인했다.
(f) 면역세포염색을 통해서도 CXXC5 siRNA와 윈트재조합단백질을 인간 모유두세포에 처리하게 되면 시너지 효과를 보임을 확인했다.
(a) 7주령 야생형(wild-type), CXXC5 넉아웃 마우스의 털을 제거한 후, 용매(Vehicle) 혹은 발프로산을 28일 동안 처리했다. 발프로산을 처리한 CXXC5 넉아웃 마우스에서 발모 효과가 극대화됨을 확인했다.
(b) 용매 혹은 발프로산을 처리한 야생형, CXXC5 넉아웃 마우스 피부 단면을 염색한 결과. 발프로산을 처리한 CXXC5 넉아웃 마우스에서 밀도가 높으며, 굵은 모발이 생성된 것을 확인했다.
(c) 면역조직화학 염색을 통해서 발프로산을 처리한 CXXC5 넉아웃 마우스의 모낭에서 베타-카테닌과 모발형성 마커(ALP, PCNA)가 현저하게 증가된 것을 확인했다.
(d, e) 모발 조직의 웨스턴 블롯 결과. 발프로산을 처리한 CXXC5 넉아웃 마우스의 모발에서 베타-카테닌을 비롯한 모발형성 마커가 효과적으로 증가됨을 확인했다.
(f) 모발의 성장주기를 분석한 결과. 발프로산을 처리한 CXXC5 마우스에서 가장 성장기 모발의 비율이 높음을 확인했다.
(a, b) 웨스턴 블롯을 통해 펩타이드와 윈트재조합단백질의 복합적 처리가 베타-카테닌과 모발형성 마커(ALP, PCNA)를 효과적으로 증가시킴을 확인했다.
(c) 윈트재조합단백질 대신 발프로산(VPA, valproic acid)의 복합적 처리에 의해서도 윈트신호전달계의 활성화가 극대화됨을 확인했다.
(d) 면역침강을 통해 CXXC5와 Dishevelled 단백질의 상호작용이 펩타이드에 의해 방해받음을 확인했다.
(e) 베타-카테닌이 넉다운(knock down)된 세포에 펩타이드를 처리하더라도 윈트신호전달계의 활성화와 모발형성 마커의 증가가 일어나지 않음을 확인했다. 모발형성에 윈트신호전달계가 중요한 역할을 하고 있다는 사실을 확인했다.
(f) 이러한 현상이 디하이드로테스토스테론(DHT, Dihydrotestosterone) 처리에 의해서는 나타나지 않음을 확인했다.
(a) 7주령 마우스의 털을 제거한 후, 펩타이드, 발프로산 혹은 상용화된 약물인 미녹시딜(MNX)을 28일 동안 처리했다. 펩타이드와 발프로산을 복합적으로 처리할 경우 미녹시딜보다 뛰어난 발모 효과를 보임을 확인했다.
(b) 펩타이드, 발프로산 혹은 미녹시딜 처리 후 마우스 모발의 상대적인 무게, 모발의 수, 모발의 두께를 확인했다. 펩타이드와 발프로산의 복합적 처리에 의해 발모 효과가 극대화됨을 확인했다.
(c) 약물 처리에 따른 모발의 성장주기의 변화. 펩타이드와 발프로산의 복합적 처리가 가장 효과적으로 성장기(Anagen) 모발 형성을 유도한 것을 확인했다.
(d) 약물 처리 후 모발 조직의 웨스턴 블롯 결과. 펩타이드와 발프로산의 복합적처리가 베타-카테닌을 비롯한 모발 관련 마커(ALP, PCNA)를 효과적으로 증가시키는 것을 확인했다.
(e) 면역조직화학염색을 통해서 베타-카테닌과 모발 관련 마커를 효과적으로 증가시킴을 확인했다.
▲ 상처를 유도한 마우스에서 펩타이드(PTD-DBM)와 발프로산(VPA, valproic acid의 복합적 처리에 의한 모낭 신재생(neogenesis) 효과
(a, b) 7주령 마우스에 상처를 유도한 후 펩타이드, 발프로산을 28일 동안 처리했다. 펩타이드와 발프로산을 복합적으로 처리하게 되면 베타-카테닌과 모발 형성마커(ALP, PCNA)를 비롯한 모낭 줄기세포(fgf9, Keratin 17)의 활성화가 현저하게 증가함을 확인했다.
(c) 윈트 활성화 정도를 탐지할 수 있는 Axin2-LacZ 마우스에 펩타이드와 발프로산을 처리했을 때, 복합적 처리가 가장 효과적으로 윈트 신호를 활성화시킨다는 것을 확인했다.
(d, e) 용매(Vehicle)를 처리한 마우스에서는 모포가 재생되지 않았지만, 펩타이드와 발프로산을 복합 처리한 마우스에서 가장 효과적으로 새로운 모포(neogenic hair follicles)를 재생시킴을 확인했다. 그림 d의 점선은 상처 부위를 나타낸다.
(f) 새롭게 재생된 모포들은 알칼리성 인산화(ALP) 과정이 일어나는데, 펩타이드와 발프로산의 복합적 처리에 의해 극적으로 새로운 모포를 재생됐음을 알칼리성 인산화 염색을 통해서 확인했다.
윈트신호전달계(Wnt signaling pathway)는 세포내에서 다양한 생리/병리 현상을 조절하는 중요한 신호전달계로 암, 골다공증, 비만, 상처 치유, 모발 형성 등 치료제 개발의 주요 타겟이다.
CXXC5(CXXC-type zinc finger protein 5)는 연구팀이 지속적으로 연구해 새롭게 규명한 아연집게 단백질로 신호전달 조절과 전사인자로의 이중역할을 수행한다.
머리카락의 성장 속도를 조절하는 기존 탈모치료제는 이미 진척된 탈모에 효능이 없고 남성호르몬 억제에 따른 부작용이 있어, 이를 극복할 새로운 치료제가 필요하다.
최근 윈트신호전달계(Wnt signaling pathway)가 발모 및 모발 줄기세포 활성화에 중요한 역할을 한다고 보고됐지만, 발모를 조절하는 단백질이나 구체적인 조절 과정에 대해서는 알려지지 않았다.
연구팀은 CXXC5(CXXC-type zinc finger protein 5) 단백질이 디셰벌드(Dishevelled) 단백질에 결합해 윈트신호전달계(Wnt signaling pathway)의 활성을 저해하고, 이는 모발 형성을 저해한다는 것을 생쥐모델 실험과 인간 모유두세포 연구를 통해 밝혔다.
또한 CXXC5(CXXC-type zinc finger protein 5)와 디셰벌드(Dishevelled) 단백질의 결합을 방해하는 물질(PTD-DBM)을 개발했으며, 이 물질을 윈트 활성화제와 함께 인간세포나 생쥐에게 처리 시 성체줄기세포 활성화와 함께 새로운 모낭이 재생되는 ‘재생성 발모효과’를 나타냄을 밝혀냈다.
최강열 교수는 “이 연구는 모발 형성 조절에 관련된 단백질을 발굴하고, 이를 제어해 모발 재생을 촉진하는 신물질을 개발한 것”이라며 “개발된 물질은 혁신신약(first-in-class) 약물로 대머리 치료는 물론 피부조직의 손상까지 재생시키는 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(집단연구)의 지원을 받아 수행됐으며, 피부과학 분야 국제학술지 저널 오브 인베스티게이티브 더마톨로지(Journal of Investigative Dermatology)에 논문명 ‘Targeting of CXXC5 by a Competing Peptide Stimulates Hair Re-growth and Wound-Induced Hair Neogenesis’, 최강열 교수(교신저자, 연세대학교), 이성훈(제1저자, 연세대학교), 서설화(연세대학교), 이동환(연세대학교), 피용천(연세대학교 원주 의대), 이원수(연세대학교 원주 의대) 등으로 10월 20일 게재됐다. 저널 동일 호에서 존스홉킨스 대학 루이스 갈자 교수가 연구의 중요성을 언급하기도 했다.