고산 지대 거주, 적혈구를 당분 스펀지로 바꿔 당뇨병 예방에 기여

고산 지대에 사는 것이 당뇨병으로부터 보호 효과가 있는 것으로 보이며, 과학자들은 마침내 그 이유를 발견했습니다. 산소 수치가 떨어지면 적혈구는 새로운 대사 모드로 전환되어 혈액에서 대량의 포도당을 흡수합니다. 이는 신체가 희박한 공기에 대처하는 데 도움을 주는 동시에 혈당 수치를 감소시킵니다.

수년 동안 연구자들은 산소가 부족한 높은 고도에 사는 사람들이 해안 지역에 사는 사람들보다 당뇨병에 덜 걸리는 경향이 있다는 것을 관찰해 왔습니다. 미국에서는 해발 1,500m(4,920ft) 이상에 사는 사람들이 해발 500m(1,640ft) 미만에 사는 사람들보다 당뇨병에 걸릴 확률이 12% 더 낮습니다. 이러한 추세는 잘 문서화되었지만, 그 이면의 생물학적 설명은 불분명했습니다.

Gladstone Institutes의 과학자들은 이제 그 이유를 확인했다고 말했습니다. 그들의 연구에 따르면 저산소 환경에서 적혈구는 혈류로부터 대량의 포도당을 흡수하기 시작합니다. 사실상, 이 세포들은 세계에서 가장 높은 산에서 발견되는 것과 유사한 조건에서 설탕 스펀지처럼 작용합니다.

Cell Metabolism에 발표된 연구 결과에서 연구팀은 산소 수치가 떨어질 때 적혈구가 대사를 변화시킬 수 있음을 입증했습니다. 이러한 변화를 통해 세포는 고산 지대에서 조직에 산소를 더 효율적으로 전달할 수 있게 됩니다. 동시에 순환하는 혈당을 낮추어 당뇨병 위험 감소에 대한 잠재적인 설명을 제공합니다.

Gladstone 연구원이자 Arc Institute의 핵심 연구원, UC San Francisco의 생화학 교수인 교신 저자 Isha Jain, PhD에 따르면, 이번 연구는 생리학의 오랜 의문을 해결해 줍니다. "적혈구는 지금까지 제대로 인식되지 않았던 포도당 대사의 숨겨진 구획을 나타냅니다. 이 발견은 혈당을 조절하는 방식에 대해 완전히 새로운 사고방식을 열어줄 수 있습니다."

Jain의 실험실은 혈액 내 산소 수치 감소를 뜻하는 **저산소증(hypoxia)**과 그것이 대사에 미치는 영향을 연구하는 데 수년을 보냈습니다. 이전 실험에서 그녀의 팀은 저산소 공기에 노출된 생쥐의 혈당 수치가 극적으로 낮아진다는 점을 발견했습니다. 동물들은 식사 후 혈류에서 설탕을 빠르게 제거했는데, 이는 일반적으로 낮은 당뇨병 위험과 관련이 있습니다. 그러나 연구원들이 포도당이 어디에 사용되는지 확인하기 위해 주요 장기를 조사했을 때 명확한 답을 찾을 수 없었습니다.

Jain 실험실의 박사 후 연구원이자 이번 연구의 제1 저자인 Yolanda Martí-Mateos, PhD는 "산소가 부족한 상태에서 생쥐에게 설탕을 주었을 때 혈류에서 거의 즉시 사라졌습니다"라고 말합니다. "우리는 근육, 뇌, 간 등 흔히 의심되는 모든 곳을 살펴보았지만, 이 장기 중 어느 것도 일어나는 일을 설명할 수 없었습니다."

다른 영상 기법을 사용하여 연구자들은 적혈구가 사라진 "포도당 흡수원(glucose sink)" 역할을 하고 있다는 것을 발견했습니다. 즉, 적혈구가 순환계에서 상당량의 포도당을 섭취하고 사용하고 있었다는 것입니다. 적혈구는 전통적으로 단순한 산소 운반체로 여겨져 왔기 때문에 이는 예상치 못한 결과였습니다.

생쥐를 대상으로 한 후속 실험에서 이 결과가 확인되었습니다. 저산소 조건에서 동물들은 전반적으로 더 많은 적혈구를 생성했으며, 개별 세포 하나하나가 정상 산소 농도에서 형성된 세포보다 더 많은 포도당을 흡수했습니다.

이러한 변화 이면의 분자적 세부 사항을 밝히기 위해 Jain 그룹은 University of Colorado Anschutz Medical Campus의 Angelo D'Alessandro, PhD, 그리고 오랫동안 적혈구 생물학을 연구해 온 University of Maryland의 Allan Doctor, MD와 협력했습니다.

그들의 연구는 산소가 제한적일 때 적혈구가 포도당을 사용하여 조직에 산소를 방출하도록 돕는 분자를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 이 과정은 산소 공급이 부족할 때 특히 중요해집니다. 적혈구는 포도당을 산소를 더 쉽게 방출하게 만드는 분자로 전환합니다. Martí-Mateos는 "이를 통해 적혈구는 적은 양의 산소라도 우리 조직에 효율적으로 방출할 수 있게 되어 저산소증에서 살아남도록 돕습니다"라고 설명했습니다.

Martí-Mateos에 따르면, "저산소증 상태에서 태어난 적혈구는 일반 혈구보다 더 많은 포도당 수송체를 보유하고 있기 때문에 특별합니다."

D'Alessandro는 "나를 가장 놀라게 한 것은 그 효과의 규모였습니다"라고 말합니다. "적혈구는 보통 수동적인 산소 운반체로 생각됩니다. 하지만 우리는 적혈구가 특히 저산소증 상태에서 전신 포도당 소비의 상당 부분을 담당할 수 있다는 것을 발견했습니다."

연구팀은 또한 장기간의 저산소증으로 인한 대사적 이점이 생쥐가 정상 산소 농도로 돌아온 후에도 수주에서 수개월 동안 지속된다는 것을 발견했습니다.

그들은 이어 저산소 노출을 모방하여 최근 Jain 실험실에서 개발된 약물인 HypoxyStat을 평가했습니다. 알약 형태로 복용하는 HypoxyStat은 적혈구의 헤모글로빈이 산소와 더 단단히 결합하게 하여 조직으로 전달되는 산소량을 제한하는 방식으로 작동합니다. 당뇨병 생쥐 모델에서 이 약물은 고혈당을 완전히 정상화했으며 기존 치료제보다 성능이 뛰어났습니다.

Jain은 "이것은 미토콘드리아 질환 이외의 분야에서 HypoxyStat을 사용한 첫 번째 사례 중 하나입니다"라고 말합니다. "이는 적혈구를 포도당 흡수원으로 활용함으로써 당뇨병 치료에 대해 근본적으로 다른 방식으로 생각할 수 있는 문을 열어줍니다."

Jain은 "이 모든 것이 환자에게 도달하기까지는 아직 갈 길이 멀지만, 생물학적 기전은 진정으로 고무적입니다"라고 덧붙였습니다.