등록일2014-06-19
메트포르민은 mGPD 를 저해하여 포도당신생을 억제한다
메트포르민은 최근까지 포도당 생성 억제와 관련한 많은 기전들이 연구되어 왔으며 최근에 포도당 신생과 관련한 mGPD가 제시되었다. 메트포르민이 mGPD를 저해하여 포도당 신생을 억제하는 기전으로 제 2형 당뇨병의 새로운 치료타겟으로 제시한 내용이 2014년 Nature 최근호에 발표되었다.
메트포르민은 포도당신생을 억제한다
메트포르민은 complex I 억제제로 알려져 있으며, AMP-activated protein kinase (AMPK)를 활성화시키고, AMPK의 상위단계인 LKB1을 통하여 포도당신생을 억제하는 것으로 알려져 있다. 또한 AMPK 와는 별개로 당생성효소 (glycolytic enzymes)를 억제하고 글루카곤 (glucagon)에 의한 포도당신생을 억제하기도 한다. 이러한 상반된 점은 구 아나이드/바이구아나이드계 약물들의 치료영역에 있어 새로운 기전이 남아있음을 의미 하기도 한다.
AMPK 활성이 내생적 당생성 (EGP)을 감소시키는 필수요소는 아니다
속효성 모체 화합물 (rapid-acting parent compound)인 galegine (mono-guanide)를 20분만에 정맥으로 주입시 혈당과 인슐린이 감소하며, 반대로 혈액내의 젖산의 농도는 8배정도 증가하였으며, 이때 간에서의 포도당신생과 관련된 인자들의 변화는 없었으나, AMPKa2의 활성을 증가시켰다.
또 다른 AMPK 활성화제인 A-769662를 정맥으로 주입시 AMPK는 활성화되었음에도 불구하고 혈당과 내생적 당생성 (EGP; endogeneous glucose production)을 감소시키지는 못했다.
메트포르민의 또 다른 기전으로 혈액에서의 젖산 증가에 대해서 관심을 가져야 한다. 젖산의 증가는 효소를 조절하는 피부르산 대사과정 (pyruvate metabolism)의 감소나 피루브산카복실화효소 (pyruvate carboxylase), 시트르산 합성효소 (citrate synthase)와 알라닌아미노기 전달효소 (alanine aminotransferase)의 활성과는 상관이 없는 것으로 확인되었다.
(Pyruvate metabolism)
(Pyruvate carboxylase 변화측정) (Citrate synthase 변화측정)
(Alanine aminotransferase 변화측정)
메트포르민에 의한 젖산의 증가는 사이토졸릭 산화환원 반응(cytosolic redox state)과 관련이 있다
2형 당뇨병이 있는 쥐에 메트포르민을 20-50 mg/kg의 농도로 투여하면 혈당과 EGP가 감소한다.
또한 cytosolic redox state (lactate : pyruvate ratio)와 mitochondrial redox state (b-hydroxybutyrate: acetoacetate ratio)을 평가한 결과, Cytosolic redox state에서는 증가하였고, mitochondrial redox state에서는 감소하였다.
또한 간의 GSH와 GSSG의 비율도 cytosolic redox state에서 증가하였으며, 혈중의 glycerol의 농도 역시 증가하였으나, glycerol에서 glucose로 전환되는 것을 억제하였다.
또한 급성의 메트포르민은 세포에너지 충전 (cellular energy charge), 즉 ATP:ADP, ATP:AMP, NADH:NAD+, NADPH : NADP+ 비율과 간에서의 cAMP와는 관련이 없었다.
결론적으로 포도당신생에 가장 중요한 효소인 포스포에놀피루브산카르복실화 효소 (Phosphoenolpyruvate carboxykinase)와 피루브산카르복실화 효소 (Pyruvate carboxylase)를 변화시키지 못했으며, 인산화된 AMPK (Phosphorylated AMPK)와 acetyl coenzyme A cabocylase (ACC)를 활성화시키지 못했으나, cyclic AMP response element binding protein (CERB)는 활성화되었다. (CERB의 활성은 인산화된 CERB (Phosphorylated CERB)와 총 CERB (total CERB)의 비율로 표현된다)
만성의 메트포르민 투여에 의한 변화는 급성과 마찬가지로 혈당과 EGP를 감소하였으며, 혈장과 cytosolic redox state에서 증가하며, Mitochonrial redox state에서는 감소하는 현상이 관찰되었다. 또한 혈중의 glycerol 농도가 상승하였으며, 급성의 모델과 유사하게 hepatocellular energy charge에 기인하지 않았으며, 간에서의 cAMP는 약간 감소하는 경향을 보였다. 또한 PEPCK-C와 pyruvate carboxylase 는 역시 변하지 않았다. 그러나 급성모델하고는 다르게 pAMPK가 활성화 되었고, ACC Phosphorylation 도 증가되었으 며, CERB의 활성은 급성과 반대로 감소하였다.
메트포르민은 두가지 redox shuttle systems 에서 한 개를 차단하는 역할을 한다.
구아나이드/바이구아나이드계 화합물들은 malate-aspartate shuttle activity나 malate dehydrogenase와 aspartate aminotransferase activity에 영향이 없다.
(malate-aspartate shuttle) (malate dehydrogenase) (aspartate aminotransferase)
메트포르민의 glycerophosphate shuttle에 대한 영향을 조사한 결과, cytosolic glycerophophate dehydrogenase (cGPD)의 활성에는 영향이 없었으나 mitochondrial GPD (mGPD)는 저해되는 것이 확인되어 메트포르민이 glycerol-3-phosphate로부터 mitochondrial respiration을 저해하는 것이 증명되었다.
mGPD가 억제되면 gluconeogenic flux에 관여하는 글리세롤 (glycerol)을 방해하는 역할 을 하며, glycerophosphate suttle을 차단하고, cytosolic NADH의 축적을 일으키며, Lactate dehydrogenase (LDH)에 의해 pyruvate에서 lactate로 전환되는 것을 순조롭지 못하게 하는 역할을 한다. 또한 Lactate와 glycerol에 의한 당의 생산을 억제하는 것이 확인되었다.
또한 메트포르민과 siRNA에 의한 mGPD knockdown 모델에서 glycero 3-phosphate concentration이 증가하였으며, 이는 급성 또는 만성의 메트포르민에 의하여 mGPD가 억제되고 lactate와 glycerol 에 의한 포도당 신생을 저해할 수 있는 점으로 제시하였다.
mGPD 는 포도당신생을 저해하는 메트포르민의 첫번째 타겟이다
mGPD에 의한 메트포르민의 영향을 평가하기 위하여 랫드에 mGPD와 cGPD가 knockdown하기 위한 antisense oligonuclotides (ASOs)를 메트포르민과 함께 처리한 결과, mGPD ASO 모델에서는 혈당이 감소하였으며, cytosolic redox state는 증가하고 mitochondrial redox state는 감소하는 것이 확인되었다. 반대로 cGPD ASO 모델에서는 cytosolic과 mitochondrial redox state가 약간 변화하였으며, 혈당과 혈중 젖산에는 영향을 주지 않았다.
mGPD ASO는 혈당과 EGP를 감소시켰으며, 혈중의 Lactate:Pyruvate의 비율을 증가시 키고 반대로 b-hydroxybutyrate:aceroacetate의 비율은 감소시켰으며, 다른 파라미터 들에는 영향을 주지 않았다. 또한 간에서의 GSH:GSSG의 비율을 증가시켰으나 다른 energy charge 인자들에는 영향이 없었으며, cAMP는 약간 감소시켰으며, PEPCK-C와 pyruvate carboxylase에는 영향이 없었으나, AMPK가 활성화되었고 ACC 의 인산화도 증가하였으나 CERB의 활성은 억제되었다.
그러나 mGPD ASO knockdown 쥐에 만성으로 메트포르민을 투여하면 혈당과 EGP에는 변화가 없었다.
Glycerophosphate shuttle은 간에서의 포도당 신생을 조절하는 중요한 역할을 한다. In vitro 시험에서 메트포르민이 mGPD를 저해하는 농도는 환자에게서 1일 2회로 1g씩 투여하였을 때의 혈중 메트포르민 농도인 10-40 mM과 유사하였다. 랫드에 50 mg/kg 으로 투여하였을 때 투여 30분만에 혈중에서 75-100 mM의 양에 도달하였다. 이는 메트 포르민에 간에서의 포도당신생을 억제하기 위해서는 1일 2회의 투여가 되어야 한다는 것을 의미한다.
mGPD의 isoform에는 streptococcus sp. A-glycerophophate oxidase, flavin adeninie dinucleotide (FAD)가 존재하며, 메트포르민은 FAD-containing pocket에 주로 결합하는 것으로 밝혀졌다.
이상의 결과에서 mGPD는 구아나이드/바이구아나이드의 포도당신생을 저해하는 첫번째 타겟으로 제시되었으며, 2형 당뇨병에서 새로운 치료타겟으로 제안되었다.
참고문헌
1. “Metformin suppresses gluconeogenesis by inhibiting mitochondrial glycerophophate dehydrogenase”, Nature, 21 May, 2014