항HIV치료로 노화현상 가속화 비밀 밝혀져

원인은 미토콘드리아의 노화 촉진
항HIV치료를 받은 환자의 노화가 가속화되어 다장기부전에 걸리는 증례가 최근 많이 알려지게 되었다.

영국 뉴캐슬대학 유전자치료연구소의 Brendan Payne씨 등 연구팀은 그 원인이 미토콘드리아의 노령에 있다는 것을 밝히고 Nature Genetics[2011; 43: 806-810]에 그 결과를 보고했다.

항HIV치료, 근섬유의 노화를 촉진
항HIV치료에 사용되는 핵산계 역전사 효소 억제제(NRTI) 중 몇몇은 미토콘드리아의 DNA폴리메라제γ도 억제해서 그 결과 미토콘드리아DNA(이하, mtDNA)의 장애가 항HIV치료를 받은 환자의 노화를 가속시킬 가능성이 있다고 시사했다.

그러나 지금까지 NRTI가 mtDNA의 변이에 미치는 장기적인 영향에 대한 조사는 없었다.

연구팀은 DNA폴리메라제γ억제 활성이 있는 NRTI의 평생축적률에 따라 나누어진 50세 이하의 HIV환자 33명과 대조그룹인 동연배의 HIV비감염 건강인 10명에서 골격근 샘플을 채취해서 근섬유(세포) 단위의 mtDNA의존적 산화적 인산화 기능을 mtDNA에 의해 코드된 시토크롬C산화효소(Cytochrome c Oxidase; COX) 활성의 조직화학염색과 염색체DNA에 의해 코드된 호박산(Succinic Acid)탈수소효소 활성의 대비염색에 의해 조사했다.

그 결과, 노화의 지표로 잘 알려진 COX활성의 저하는 대조그룹이나 NRTI치료를 받지 않은 HIV감염그룹(비NRTI그룹)에서 거의 보이지 않은 것에 비해 NRTI치료를 받은 HIV감염그룹(NRTI그룹)에서는 COX활성이 결여된 근섬유가 현저히 증가했다[최대9.8％, P＝0.042].

이 COX활성 결여 근섬유의 증가와 NRTI의 평생축적률에서 비례 상관관계가 검출됐다[r2＝87％，P＜0.001].

노화된 근섬유에서 미토콘드리아DNA의 양과 결여된 변이의 급격한 증가를 검출
COX활성을 잃은 근육섬유에서는 mtDNA의 양이 현저하게 증가하는 것을 알 수 있었다[증가율의 상승평균은 2.1배, 최대증가율은 21.3배, P＜0.001].

게다가 NRTI그룹의 12명에서 레이저 현미경으로 채취한 70개의 근섬유 샘플 중 40개에서 COX활성을 잃은 원인으로 생각되어지는 것 이상의 대규모 결여변이가 mtDNA에서 검출되었다.

PCR에 의해 검출된 이 결여변이의 mtDNA상에서의 결여장소는 근섬유에 따라 달라지지만 각 근섬유 안에서는 동일했기 때문에 클론이 대폭 증가한 것으로 보인다.

또한 거의 대부분의 결여변이가 다르더라도 노화에 관련된 일반적인 mtDNA결여변이로 알려진 mt.δ4977만은 여러 근섬유에서 검출됐다. 이 mt.δ4977결여변이의 발생빈도는 비NRTI그룹과 비교해 NRTI그룹에서 매우 높고[NRTI그룹－3.45±0.25 log10(/mtDNA, 비NRTI그룹－4.56±0.31 log10(/mtDNA)，P＝0.012], 기존에 보고된 초고령의 건강한 사람에게서 나타나는 빈도에 필적했다.

미토콘드리아DNA의 점돌연변이는 노화와 무관
한편 점돌연변이는 결여변이와 비교했을 때 그 발생빈도는 적지만 NRTI그룹의 7명에게서 채취한 COX활성을 잃은 29개의 근섬유 샘플에서는 mtDNA의 전체 게놈배열을 결정하는 것으로 드러났다.

그 중 5개의 근섬유 샘플에서 발견된 점돌연변이는 비동의치환에 의해 아미노산 배열이 변화되어 COX활성을 잃는 것과 관련이 있음을 시사했다.

다른 점돌연변이는 2개의 동의치환과 3개의 비코드영역변이이며 이것들은 지금까지도 건강한 사람에게서 보고된 바 있는 변이였다.

기존에 보고된 적 있는 점돌연변이가 많은 영역(MT-HV2)과 적은 영역(MT-CO3)을 집중적으로 배열 결정함으로써 각각의 영역에서 점돌연변이의 발생 빈도를 각 그룹에서 비교한 결과 모든 영역에서 점돌연변이의 발생 빈도는 유의한 차이를 보이지 않았다. 또한 점돌연변이의 발생 빈도는 COX활성의 저하와도 상관없었다.

컴퓨터 시뮬레이션을 통한 가설 검증
이상의 결과에서 NRTI치료는 mtDNA의 돌연변이가 될 확률을 상승시킨 것이 아니라 mtDNA를 대폭 증가시킨 결과, 보통의 노화현상에 따라 일어나는 변이가 변이를 일으킨 근섬유 내에서 클론을 증가시켜 노화를 가속시킨 원인으로 판단된다.

이에 연구팀은 이 결과를 검증하기 위해 2000개의 세포를 가지고 80년 동안 컴퓨터 시뮬레이션을 했다.

NRTI에 따른 mtDNA의 복제 억제가 100회의 복제 중 25회와 45회의 빈도로 나타났지만(50회 이상으로 가정하면 mtDNA는 완전 소실됨) 돌연변이가 될 확률은 변하지 않는다고 가정했을 때 이미 보고된 바 있는 한 번의 mtDNA양의 저하와 그 다음에 이어지는 급격한 증가가 각각의 치료를 시작한 후 20년째와 30년째 됐을 때 45회의 복제 억제를 가정한 그룹에서 현저히 나타나는 것을 알 수 있었다.

이 mtDNA양의 일시적인 감소와 이어지는 증가가 다양성을 잃은 mtDNA 클론의 증가에 한몫했다고 생각된다.

또한 mtDNA에 60% 이상의 변이를 갖는 세포의 비율은 45회의 복제 억제가 10년 동안 계속되었다고 가정했을 때 치료 시작 후 20년째부터 가장 많이 증가한 것을 알 수 있었다.

그리고 NRTI치료를 시작한 연령이 높을 경우 최종적으로 mtDNA에 60% 이상의 변이를 갖는 세포의 비율은 젊었을 때 NRTI치료를 시작한 경우에 비해 더욱 증가하는 것으로 나타났다.

이러한 시뮬레이션의 결과는 mtDNA의 노화의 원인으로 생각되는 클론 증식가설이 옳았다는 뒷받침이 되고 있다.

연구팀은 다른 메커니즘의 가능성, PCR베이스 실험에 따른 변이율 추정의 어려움 등도 서술하면서 이번 결과가 지금까지의 NRTI치료에 대해 다시 재고하는 기회가 될 것이라고 말했다.