[19일차] 논문 배경 지식 :: 백색 지방세포, 갈색 지방세포, 베이지색 지방세포

 

안녕하세요 이번 글에서는 최근에 읽고 있는 논문의 배경 지식인 '지방 세포'에 관한 지식을 몇 가지 정리해보고자 합니다.

 

기존에 읽던 논문은 다 읽고 다시 정리도 해보면서 복습을 해봤는데요, 제대로 이해했는지는 잘 모르겠지만 그래도 다 읽고 정리했다는 점에서 뿌듯하긴 합니다. 정리한 부분은 노션에다가 비공개로 앞으로도 하나씩 정리해두고 있습니다.

 

 

 

 

What is 지방세포(adipocyte)?

 

 

지방세포는 "지방 조직의 20~40%를 차지하며 에너지 저장, 내분비 기능 열 발생 등을 하는 세포 1)"입니다.

 

아이콘 제작자: Freepik - Flaticon</a>

 

 

지방세포에 대해 배웠던 건 2학년 2학기 때 금나나 교수님의 교양 수업인 '건강한 식생활'을 들었을 때 였던 거 같은데, 지방세포가 백색 지방세포, 갈색 지방세포, 베이지색 지방세포로 분류되었던 기억이 납니다.

 

그때 배운 걸 복습해보면, 세포 유형 별로 색깔이 다른 이유는 갈색 지방엔 철 성분이 많은 미트콘드리아가 많아 갈색을 띄는 것이고, 베이지색은 미토콘드리아가 중간 정도, 흰색은 적게 존재하기 때문입니다.

 

지방액포(TG droplet)의 갯수 및 크기도 차이를 보이는데요, 아래 사진에서 처럼 갈색의 경우 여러 개의 액포가 작게 분포하고, 백색은 한 개가 매우 크게, 베이지 색은 그 중간 정도됩니다.

 

 

 

 

분포 위치도 다른데 갈색 지방세포는 목과 어깨 주변, 백색 지방세포는 내장 지방과 피하 지방, 베이지색 지방세포는 백색 지방세포 사이사이에 위치한다고 배웠습니다.

 

체내에서 세포들의 구성과 분포 위치가 특이적으로 상이하다면, 그 세포들의 기능 또한 특이적으로 상이할 가능성이 높습니다. 인간 사회나 생태계에서도 생명체들은 생존을 목적으로 각자가 가진 재능과 재원을 효과적으로 발휘할 수 있는 곳에 거주하게 될 가능성이 높으니까요. 그렇다면, 구성과 분포 위치가 서로 다른 지방세포들은 각각 어떤 기능을 하는지 알아보겠습니다.

 

우선 갈색 지방세포는 추운 환경에서 체온 보전을 위한 '열 생성' 기능을 하는데,  구체적으로 갈색 세포 내 존재하는 수많은 미토콘드리아 내막에 만들어진 UCP1(Uncouple Protein)이란 특수단백질이 Termogenin으로 작용하여 지방을 연소해 열을 만든다2)고 합니다. 결국 갈색 지방세포에 상대적으로 미토콘드리아의 수가 많은 이유는 '열 생성'을 효과적으로 하기 위함이었습니다.

 

갈색 지방세포에서 열이 생성되는 프로세스 측면에서는 아래 홈페이지에서 잘 소개해주고 있었습니다.

 

 

대한내분비학회 소식지 - 2020년 여름호 13권 3호 <통권 48호>

 

 

정리하자면 추위에 노출되면 교감신경(sympathetic nerve)이 노르에피네프린(Norepinephrine)의 분비를 촉진하고, 이는 지방세포의 β- adrenergic receptor를 통해 PKA-CREB/P38 MAPK 신호전달 경로를 활성화하여, 미토콘드리아의 수를 증가시켜 UCP1과 열 발생 핵심 단백질들의 발현을 증가시키고, 그럼으로써 추위에 저항하는 열이 생성됩니다 3).

 

 

 

그렇다면 추위에 열을 생성하는 갈색 지방세포들은 왜 목과 어깨 주변에 위치하는 걸까요? 잘 몰라서 챗GPT에게 물어봤는데, 다음과 같이 답해주었습니다.

 

 

 

답변을 정리하자면, 목과 어깨 주변에 큰 혈관들이 많아 혈관을 통해 갈색 지방세포가 생성한 열이 쉽게 퍼질 수 있고, 열에 민감한 주요 장기인 '뇌'에 가까워서 신경계를 추위로부터 보호하기 쉽기 때문이라고 합니다. 맞는지는 모르겠지만 일리는 있어보입니다.

 

흥미로운 것은 다른 포유류들과 달리 인간은 갈색지방 세포가 어린 시절 일시적으로 나타났다가 성인이 되면서 점차 사라지게 된다 3)고 하는데*, 그렇다면 갈색지방 세포가 사라지면 추울 때 어떻게 우리 인간은 추위로부터 몸을 보호할 수 있는걸까요?

 

* 물론 앞서 말했듯 성인과 목과 어깨 주변에서는 갈색 지방세포가 발견됩니다 4).

 

 

따뜻한 난방을 틀고, 따뜻한 옷을 입는 인위적인 방법도 있겠지만, 지방세포의 관점에서 갈색 지방세포가 아니더라도 갈색 지방세포처럼 위의 메커니즘에 따라 열을 생성하는 세포가 있습니다. 

 

 

바로, '베이지색 지방세포'입니다.

 

 

베이지색 지방세포는 갈색 지방세포처럼 UCP1 단백질 발현을 증가시켜 열에너지 발산 기능을 하는데요 5), 흥미로운 것은 베이지색 지방세포는 열 생성이 아닌 에너지 저장 기능을 하는 '백색 지방세포' 혹은 '백색 지방 전구세포'에서 분화된다는 점입니다. 

 

참고로 백색 지방세포는 앞서 말했듯 피하지방 & 내장지방에 위치하며, 체내 에너지를 저장하는 것은 물론, 호르몬과 같은 다양한 물질을 분비하며 항상성을 유지하는 내분비 역할을 합니다 6). 즉, 영양물질을 지방세포 내 커다란 지방액포에 저장하고 있다가 에너지가 필요할 때 배출하는 방식 7)으로 에너지 저장이 이루어집니다.

 

왜 백색지방세포가 피하지방과 내장지방에 위치하는지도 물어봤는데요. 정리하자면, 피하지방에 존재하는 이유는 외부 충격으로부터 신체를 보호하기 위해, 내장지방에 존재하는 이유는 에너지를 빠르게 동원하기 위함이라고 챗GPT는 말하고 있습니다. 

 

 

 

 

이러한 백색 지방세포는 차가운 온도에 지속적으로 노출되면 '베이지색 지방세포'로 변해 열에너지를 생성하는데, 추위에 반응해* 베이지색 지방세포가 형성되는 과정은 노화에 따라 손상되는 것으로 알려져 있습니다 8).

 

* 참고로, 추운 온도 외에도 beta-adrenergic stimuli도 thermogenic stimuli로 작용하여 백색 지방세포를 베이지색 지방세포로 전환시킬 수 있다 9)고 합니다.

 

구체적으로, 위 기사 8)에 따르면 데니벨 베리 미국 코넬대 영양과학부 조교수 연구팀은 "늙은 쥐는 혈소판 유래 성장인자 수용체 베타(Pdgfrβ)가 과발현되어 베이지색 지방세포 형성을 방해하는 것으로 확인됐다"라며, "성체 수컷 쥐에서 Pdgfrβ를 유전적으로 제거하자 베이지색 지방 세포 생성이 회복됐다"라고 말하였습니다.

 

베이지색 지방세포의 생성이 중요한 이유는 체온조절도 있지만, 백색 지방세포가 과도하게 축적되면 '비만'과 '당뇨'가 촉진될 수 있기 때문입니다.

 

즉, 먹은 음식 중 불필요한 지방들은 복부의 내장 쪽에 위치한 지방 세포에 저장되고, 내장지방이 많아지면 비만은 물론, 지방세포의 중성지방이 혈액 속으로 나오게 되어 인슐린 저항성을 띄게 만들 수 있습니다 10). 여기서 인슐린은 혈당 수치를 낮추는데 주요 역할을 하는 호르몬이기에, 인슐린 저항성은 '당뇨'로 이어질 수 있게 되는 것입니다.

 

그렇다면 베이지색지방세포가 어떻게 발생하는지 메커니즘을 이해하고, 그 메커니즘을 노화에 따른 비만 & 당뇨 치료에 활용한다면 유용할 듯 합니다.

 

지금까지 밝혀진 바 11)에 의하면 베이지색 지방세포는 앞서 말한 백색 지방세포는 물론 백색 지방전구세포로부터 분화가 유도되기도 하고 그 과정에서 면역세포가 관여한다고 알려져있는데요.

 

구체적으로 ILC-2(Group 2 innate lymphoid cell)에 사이토카인 IL-33을 처리했을 때 ILC-2의 증가는 물론, IL-5 분비가 촉진되는에 이는 호산구(Eosinophil)의 IL-4 분비를 촉진하고, ILC-2는 IL-13를 분비하여 백색 지방전구세포의 IL-4Rα signaling을 활성화합니다.

 

 

 

그리고 IL-4Rα signaling은 scWAT APs(피하 백색지방 조직)을 beige adipocyte lineage(베이지색 지방세포 계통)로 분화하도록 촉진합니다. 전에 들었던 교양수업에선 이렇게 전구세포에서 베이지 지방으로 분화하는 것을 'de novo synthesis', 백색지방이 베이지 지방으로 전환하는 과정은 'browning of white adipocytes'로 표현했습니다.

 

IL-4Rα signaling를 활성화하는 adipocyte progenitors 마커에는 early B-cell factor 2 (EBF2), platelet-derived growth factor receptor alpha (PDGFRA), transient receptor potential cation channel subfamily V member 1 (TRPV1), platelet-derived growth factor receptor beta (PDGFRB) 등이 있는데요,

그중 PDGFRA+ cells는 thermogenic stimuli로 백색 지방 조직에서 베이지색 지방세포로 분화하는 전구체인 adipocyte stem cells (ASCs)로 have been identified될 수 있다고 합니다 12).

 

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이번 글에선 지방세포에 관한 Single-cell transcriptomic analysis 12)에 관한 논문을 본격적으로 정리하기 전, 지방세포에 대해 무엇인지 정리해보았습니다.

 

지방세포가 아직 익숙하진 않지만 그래도 논문을 읽다보면 저번 OSKM처럼 익숙해지는 순간이 오지 않을까 기대해봅니다. 다음에 또 논문을 읽고 정리하면서 블로그에 정리할 부분이 생기면 찾아오겠습니다. 감사합니다!

 

 

참고자료

 

1) NAVER 지식백과, 생화학백과, 지방세포, URL : https://terms.naver.com/entry.naver docId=5733506&cid=60266&categoryId= 60266

 

2) 오태광, 오태광의 바이오 산책 <80>인체의 백색, 베이지 및 갈색 지방 ( White, Beige and Brown fat), ifs POST, 2024년 7월 2일 기사, URL : https://www.ifs.or.kr/bbs/board.php?bo_table=News&wr_id=54235

 

3) 이민후, 순천향의생명연구원 에너지대사 조절 연구실 소개, 대한내분비학회 소식지, URL : https://www.endocrinology.or.kr/webzine/ 202003/sub20.html

 

4) 이성규, 정체 드러낸 ‘갈색 지방’의 마법, 2021년 1월 6일 기사, 사이언스타임즈, URL : https://www.sciencetimes.co.kr/news/%ec%a0 %95%ec%b2%b4-%eb%93%9c%eb%9f%ac%eb%82%b8-%ea%b0%88%ec%83%89-%ec%a7%80%eb%b0%a9%ec%9d%98-%eb% a7%88%eb%b2%95/

 

5) NAVER 지식백과, 분자 세포 생물학백과, 베이지색지방세포, URL : https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5929942&cid=61233 &categoryId=61233

 

6) 윤영혜 기자, 비만 유발 지방 조직과 똑닮은 생체모사칩 개발…"비만 치료에 도움", 동아사이언스, URL : https://m.dongascience.com/ news.php?idx=58822

 

7) NAVER 지식백과, 동물학백과, 지방조직, URL : https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5669974&cid=63057&categoryId= 630 57

 

8) 윤영혜 기자, 에너지 태우는 '베이지색 지방', 나이들수록 감소하는 이유, 동아사이언스, 23년 4월 7일, URL : https://m.dongascience.co m/news.php?idx=59318

 

9) Kyung, D.S., Lee, E., Chae, S. et al. (2024) Single-cell transcriptomic analysis reveals dynamic activation of cellular signaling pathways regulating beige adipogenesis. Exp Mol Med 56, 2309–2322.

 

10) 김소형, "공복 혈당은 왜 높아질까?", 2024년 11월 14일 기사, Baby News, URL : https://www.ibabynews.com/news/articleView. html?idxno=118874

 

11) Lee MW, Odegaard JI, Mukundan L, Qiu Y, Molofsky AB, Nussbaum JC, Yun K, Locksley RM, Chawla A(2015) Activated type 2 innate lymphoid cells regulate beige fat biogenesis. Cell. 160(1-2). pp74-87.

 

12) Kyung, D.S., Lee, E., Chae, S. et al. (2024) Single-cell transcriptomic analysis reveals dynamic activation of cellular signaling pathways regulating beige adipogenesis. Exp Mol Med 56, 2309–2322.