KR101896521B1

KR101896521B1 - 골형성촉진용 신규화합물, 그 화합물의 제조방법 및 그 화합물을 포함하는 골형성촉진용 약학조성물

Info

Publication number: KR101896521B1
Application number: KR1020170084455A
Authority: KR
Inventors: 조원제; 이광열
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2018-09-07

Abstract

본 발명은 이소퀴놀린 알칼로이드계 화합물에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 골형성촉진에 보다 유효한 효과를 갖도록 합성된 골형성촉진용 신규화합물, 그 화합물의 제조방법 및 그 화합물을 포함하는 골형성촉진용 약학조성물에 관한 것이다.

Description

골형성촉진용 신규화합물, 그 화합물의 제조방법 및 그 화합물을 포함하는 골형성촉진용 약학조성물{Isoquinolinoquinazolinones as therapeutic drugs or composites for prevention and treatment of osteoporosis}

본 발명은 이소퀴놀린 알칼로이드계 화합물에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 골형성 촉진에 보다 유효한 효과를 갖도록 합성된 골형성 촉진용 신규화합물, 그 화합물의 제조방법 및 그 화합물을 포함하는 골형성 촉진용 약학조성물에 관한 것이다.

골격계 질환인 골다공증은 뼈의 구조적인 강직도 형성에 중요한 골재형성에 의해 크게 영향을 받는다. 오래되거나 손상된 뼈는 파골세포에 의해 지속적으로 파괴되고 조골세포와 뼈세포에 의해 새로운 뼈가 형성이 된다. 이렇게 중요한 생리적인 과정은 약한 뼈를 제거하고 국소부위의 골절 손상을 치료함으로써 뼈의 강직도를 유지한다. 특히, 폐경기 이후의 여성은 뼈의 흡수가 뼈의 형성 수준을 넘어서게 되어 지속적으로 뼈의 손실이 나타난다. 가속화된 뼈의 흡수는 골다공증의 위험성을 높이게 된다. 현재 골다공증 치료제나 예방약으로 개발된 약물들은 크게 파골세포의 기능을 억제하거나 조골세포의 기능을 촉진하는 두 가지로 분류된다. 하지만, 현재 개발된 약물들은 위장 암, 인플루엔자 유사 질환, 중증 근무력증과 같은 부작용을 유발하기도 한다. 따라서 골다공증이나 골다공증으로 인한 골절을 예방하고 치료할 수 있는 새로운 약물이 필요하다.

또한, 뼈와 관련된 질환으로는 골다공증 이외에도 골관절염(osteoarthritis) 및 골결손 질환 등이 있는데, 골관절염은 관절의 연골이 손상되면서 국소적으로 퇴행성 변화가 나타나는 질환으로 퇴행성관절염이라고도 한다. 크게 두 가지 원인이 있는데 관절의 연골이나 뼈는 정상적인데 비해 관절에 과도한 부하가 걸려 관절조직이 손상을 받거나, 부하는 정상적인데 비해 관절의 연골이나 뼈가 약한 경우이다. 골결손 질환은 인체의 여러 부위에서 나타날 수 있는데, 그 주된 원인으로 골질 손실을 동반한 급성 외상, 수술 중 조직제거로 인한 골손실을 동반한 급성외상, 골 절제(boneresection)를 수반한 만성 감염, 분절성 골결손을 동반한 만성 불유합 등을 들 수 있다.

한편, 조골세포는 중간엽 줄기세포에서 유래하는 세포로 다양한 성장인자, 사이토카인, 호르몬이 조골세포의 증식이나 분화를 조절하는데 관여하는 것으로 알려져 있다. 그 중에서 BMP (bone morphogenetic proteins)는 Runx2와 Osterix를 통해 조골세포의 분화에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 골형성에 가장 중요한 전사인자로 알려진 Runx2는 중간엽 전구세포를 조골 모세포로 분화시키는 기능을 하며 Runx2의 발현이 억제된 쥐에서는 뼈 형성 결함으로 정의되는 쇄골두개골 형상이상 증상이 나타났다. Osterix는 Runx2의 아래 있는 타깃으로, 제1형 콜라겐의 프로모터 활성을 높임으로써 뼈 매트리스의 발현을 증가시켜 조골 모세포가 성숙한 조골세포로 분화하는데 중요한 역할을 한다. 따라서 Runx2와 Osterix를 조절하는 작용 기전을 밝히는 것이 골형성과 관련된 골다공증 등 뼈 관련된 질환 치료제 개발의 중요한 목표가 될 수 있다.

지금까지 수많은 식물에서 유래한 생리활성을 가지고 있는 화합물들이 골다공증의 예방약과 치료제로 연구가 되어 왔는데, 이 중 하나로 베르베린(berberine)이 알려져 있다. 베르베린은 전통적으로 사용되어온 약용식물에서 유래한 화합물로 이소퀴놀린 알칼로이드인데, 항암효과를 비롯한 다양한 약리 활성이 연구되었다. 특히, 베르베린이 파골세포와 조골세포를 조절함으로써 골재형성에 관여한다는 사실을 밝혀져 있는데, 화학자들은 berberine보다 약리 활성이 높은 약물을 합성하기 위해 노력하여 왔다. 본 발명자들 또한 다수의 노력 끝에 5-옥사프로토베르베린을 합성한 바 있으나, 베르베린은 물론 5-옥사프로토베르베린보다 더 우수한 골형성능을 갖는 새로운 화합물에 대한 개발필요성이 여전히 존재하고 있었다.

본 발명자들은 베르베린이나 5-옥사프로토베르베린보다 골형성능이 우수한 새로운 화합물을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 무독성 농도범위에서 골형성 촉진에 극히 유효한 효과를 갖는 신규합성화합물인 Q8 화합물을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 Q8화합물이 조골세포 분화를 촉진시키는 분자생물학적인 작용 기전을 밝힘으로써, 이를 유효성분으로 포함하는 골형성촉진용 약학적 조성물 또는 건강기능식품을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 갖는 Q8 화합물 또는 그의 염을 제공한다.

[화학식 1]

또한, 본 발명은 하기 화학식 2로 표시되는 5-옥사프로토베르베린의 카보닐 그룹을 메틸렌으로 치환시키는 메틸렌치환단계를 포함하는 Q8 화합물의 제조방법을 제공한다.

[화학식 2]

바람직한 실시예에 있어서, 상기 메틸렌치환단계는 하기 반응식1을 포함한다.

[반응식 1]

또한, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 Q8 화합물 또는 그의 염을 유효성분으로 포함하는 골형성촉진용 약학조성물을 제공한다.

[화학식 1]

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Q8 화합물 또는 그의 염은 protein kinase A(PKA) 신호 전달의 증가된 활성화를 통한 Runx2/Osterix의 안정화에 의해 골아세포분화를 촉진한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Q8 화합물 또는 그의 염은 골다공증, 골관절염 및 골결손질환 치료를 위한 유효성분으로 작용한다.

또한, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 Q8 화합물 또는 그의 염을 유효성분으로 포함하는 골형성촉진용 건강기능성식품을 제공한다.

[화학식 1]

본 발명의 Q8 화합물은 무독성 농도범위에서 골형성 촉진에 극히 유효한 효과를 가지므로 골 재생 효과를 갖는 새로운 약물로서 유효하게 작용할 수 있다.

또한, 본 발명은 Q8화합물이 Runx2와 Osterix의 단백질 안정을 조절함으로써 조골세포 분화를 촉진시키는 분자생물학적인 작용 기전을 밝혔으며, 이를 통해 Q8을 유효성분으로 포함하는 골형성촉진용 약학적 조성물 또는 건강기능식품을 제공할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 Q8화합물이 bone morphogenetic protein 4 (BMP4)에 의해 유도된 조골세포 분화를 증가시킴을 보여주는 실험결과 그래프 및 사진들이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 Q8화합물이 분화 과정 동안 조골세포 대상 유전자를 선택적으로 증가시킴을 보여주는 실험결과 그래프 및 사진들이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 Q8화합물이 runt-related transcription factor 2 (Runx2)의 활성을 높이면서 조골세포 분화를 촉진하는 것을 보여주는 실험결과 그래프 및 사진들이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 Q8화합물이 Osterix의 활성을 높이면서 조골세포 분화를 촉진함을 보여주는 실험결과 그래프 및 사진들이다.
도 5a 내지 도 5e는 Runx2와 Osterix의 knockdown이 본 발명의 Q8화합물의 조골세포에 대한 효과를 감소시킴을 보여주는 실험결과 그래프 및 사진들이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 Q8화합물이 protein kinase A (PKA) 신호를 통해 runt-related transcription factor 2 (Runx2)와 Osterix의 활성을 조절함을 보여주는 실험결과 그래프 및 사진들이다.
도 7은 본 발명의 Q8화합물이 조골세포 분화를 조절하는 작용기전을 보여주는 모식도이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 기술적 특징은 무독성이면서도 골형성 촉진에 극히 유효한 효과를 갖는 신규합성화합물인 Q8 화합물 및 Q8화합물이 Runx2와 Osterix의 단백질 안정을 조절함으로써 조골세포 분화에 영향을 주는 분자생물학적 작용기전을 밝힌 것에 있다.

즉, 세포증식, 매트리스 합성 성숙, 골광화 등의 다양한 조골세포형성 단계들은 주요한 전사 인자들의 협력에 의해서 조절이 되는데, 다양한 전사 인자 중에서 Runx2는 가장 중요한 역할을 수행하는 것으로 알려져 있으며 반면 Osterix 역시 조골세포의 성숙화 과정을 조절하는 주요한 전사 인자이기 때문이다.

한편, 기존의 연구에서 SMURF1 (SMAD Specific E3 Ubiquitin Protein Ligase 1)은 Runx2 단백질 분해를 조절함으로써 뼈 형성을 저해한다고 보고되었다. 또한, Smad6와 Runx2와의 결합을 통한 Smurf1에 의해 유도되는 Runx2의 분해는 BMP-Smad-Runx2 신호 체계를 억제한다고 알려졌다. 역시나 불안정한 단백질 발현을 보이는 Osterix도 ubiquitin-proteasome 체계에 의해 단백질 안정성이 조절된다. 히스톤 탈메칠화 효소인 RBP2와 NO66은 Osterix를 조절함으로써 조골세포분화에 영향을 준다. 그러나 아직까지 Runx2와 Osterix의 단백질 안정성을 모두 조절하는 유전자에 대한 연구는 없었다.

따라서, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 갖는 Q8화합물 또는 그의 염을 제공한다.

[화학식 1]

여기서, Q8화합물의 화학적 정식명칭은 10,11-dimethoxy-6H,8H-[1,3] dioxolo[4'',5'':4',5']benzo[1',2':5,6] [1,3]oxazino [3,4-b]isoquinoline인데, 본 발명자들은 상기 화학식1의 화합물을 Q8화합물로 명명하였다. Q8화합물은 본 발명자들이 골 재생 효과를 갖고 있는 새로운 약물을 찾기 위해 다양한 구조의 화합물을 합성하는 다수의 실험을 통해 얻어진 것으로, 기존에 천연물질에서 얻어지는 베르베린과 비교하여 후술하는 바와 같이 현저하게 우수한 골형성 효능을 나타내었다.

본 발명의 Q8화합물은 특히 하기 화학식 2로 표시되는 5-옥사프로토베르베린의 카보닐 그룹을 메틸렌으로 치환시키는 메틸렌치환단계를 포함하여 제조될 수 있다.

[화학식 2]

여기서, 5-옥사프로토베르베린은 9,10-dimethoxy-1,3,5-trioxa-6a-aza- indeno[5,6-a]anthracen-7-one으로 다양한 방법으로 제조될 수 있으나, 일 구현예로서 하기와 같이 3단계의 반응을 통해 얻어질 수 있다.

1단계

2단계

3단계

또한, 5-옥사프로토베르베린의 카보닐 그룹을 메틸렌으로 치환시키는 메틸렌치환단계는 다양한 방식으로 이루어질 수 있으나, 특히 하기 반응식1을 포함하여 이루어질 수 있다.

[반응식 1]

본 발명의 골형성촉진용약학조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 Q8 화합물 또는 그의 염을 유효성분으로 포함하는데, 후술하는 실험예에서 알 수 있듯이 Q8 화합물은 BMP4에 의해 유도되는 ALP(alkaline phosphatase) 활성과 ALP, BSP (bone sialoprotein), OC (osteocalcin)의 RNA발현을 증가시켰으며, ALP-, BSP-, OC-리포터를 통한 전사 활성 역시 증가시켰고, 조골세포 분화가 진행하는 동안 ubiquitin-proteasome에 의한 Ruxn2와 Osterix의 단백질 분해를 억제함으로써 단백질을 안정화 시키고, Runx2와 Osterix를 통한 조골세포 전사 활성을 촉진시켰다.

한편, Runx2와 Osterix이 억제되었을 경우, Q8화합물에 의한 골 형성 또한 현저하게 억제되었는데, Q8화합물을 통한 Runx2와 Osterix의 신호전달 과정을 확인하기 위해 다양한 인산화 효소 억제제를 이용하여 실험한 결과, 단백질 인산화 효소 A의 억제제로 알려진 H89에 의해 Q8 화합물에 의한 효과가 억제되었다.

따라서, 본 발명의 Q8 화합물 또는 그의 염은 도 8에 도시된 바와 같이 protein kinase A(PKA) 신호 전달의 증가된 활성화를 통한 Runx2/Osterix의 안정화에 의해 골아세포분화를 촉진하는 것으로 예측된다. 그 결과, 본 발명의 Q8 화합물 또는 그의 염은 골다공증, 골관절염 및 골결손질환 치료를 위한 유효성분으로 작용할 수 있다.

본 발명의 골형성촉진용 약학조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 Q8 화합물 또는 그의 염을 단독으로 포함할 수 있으며, 이외 제형, 사용방법 및 사용목적에 따라 약리학적으로 허용가능한 담체 또는 부형제를 더 포함할 수 있다. 혼합물로 제공되는 경우, 유효성분인 상기 화학식 1로 표시되는 Q8 화합물 또는 그의 염은 약학조성물에 0.0001 내지 99 중량%로 포함될 수 있다.

담체 또는 부형제로는 물, 덱스트린, 칼슘카보네이드, 락토스, 프로필렌글리콜, 리퀴드 파라핀, 생리식염수, 덱스트로스, 수크로즈, 솔비톨, 만니톨, 자이리톨, 에리스리톨, 말티톨, 전분, 젤라틴, 칼슘 포스페이트, 칼슘 실리케이트, 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 폴리비닐피롤리돈, 메틸하이드록시벤조에이트, 프로필하이드록시벤조에이트, 탈크, 마그네슘 스테아레이트 및 광물유가 있으며, 이들은 1종이상 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 담체 및 부형제는 모두 사용가능하다.

또한 본 발명의 약학조성물을 약제화하는 경우, 통상의 충진제, 증량제, 결합제, 붕해제, 계면활성제, 항응집제, 윤활제, 습윤제, 향료, 유화제 또는 방부제 등을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 약학조성물은 경구 또는 비경구로 투여할 수 있고, 비경구로 투여되는 경우, 피부에 국소적으로 도포, 정맥내 주입, 피하 주입, 근육 주입, 복강 주입, 경피 투여 등으로 투여할 수 있다.

개별 투약 형태에서 이의 유효성분인 상기 화학식 1로 표시되는 Q8 화합물 또는 그의 염의 함량은 1회에 투여되는 양으로, 예컨대 통상 1일 투여량의 전부, 1/2, 1/3 또는 1/4배일 수 있다. 본 발명의 약학조성물의 투여량은 환자의 연령, 성별, 상태, 체내에서 활성 성분의 흡수도, 불활성율 및 병용되는 약물을 고려하여 결정하는 것이 좋으며, 예컨대 1회 유효성분을 기준으로 하였을 때 5 ㎍/ml 이하의 농도로, 1일 1 내지 5회 투여할 수 있다. 한편, 본 발명의 약제학적 조성물의 경구 투여량은 바람직하게는 1일 당 0.0001-10 mg/kg(체중)일 수 있다. 본 발명의 조성물에 포함되는 유효성분의 농도는 치료 목적, 환자의 상태, 필요기간 등을 고려하여 결정할 수 있으며 특정 범위의 농도로 한정되지 않는다.

다음으로, 본 발명의 골형성촉진용 건강기능성식품은 상술된 약학조성물에 포함되는 Q8 화합물 또는 그의 염을 유효성분으로 포함함으로써 protein kinase A(PKA) 신호 전달의 증가된 활성화를 통한 Runx2/Osterix의 안정화에 의해 골아세포분화를 촉진하는 활성을 갖게 되므로 골다공증, 골관절염 및 골결손질환 치료 등 다양한 뼈 관련 질환에서 조골세포 활성화를 증강시키기 위한 목적으로 사용될 수 있다.

본 발명에서 '건강기능성식품'이란 영양소를 한 가지 또는 그 이상 함유하고 있는 천연물 또는 가공품을 의미하며, 바람직하게는 식품에 물리적, 생화학적, 생물공학적 수법 등을 이용하여 해당 식품의 기능을 특정 목적에 작용, 발현하도록 부가가치를 부여한 식품군이나 식품 조성이 갖는 생체방어리듬조절, 질병방지와 회복 등에 관한 체조절기능을 생체에 대하여 충분히 발현하도록 설계하여 가공한 식품을 의미한다. 건강기능성식품에는 식품학적으로 허용 가능한 식품 보조 첨가제를 포함할 수 있으며, 건강기능성 식품의 제조에 통상적으로 사용되는 적절한 담체, 부형제 및 희석제를 더욱 포함할 수 있다.

본 발명의 Q8 화합물 또는 그의 염을 첨가할 수 있는 건강 기능성 식품으로는 예를 들어, 각종 식품류, 음료, 껌, 차, 비타민 복합제 등이 있다. 추가로, 특수영양식품(예, 조제유류, 영,유아식 등), 건강보조식품, 과자류(예, 스넥류), 유가공품(예, 발효유, 치즈 등), 기타 가공식품, 음료(예, 과실,채소류 음료, 두유류, 발효음료류 등) 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 상술된 식품, 음료 또는 식품첨가제는 통상의 제조방법으로 제조될 수 있다.

본 발명의 건강 기능성식품은 여러 가지 영양제, 비타민, 광물(전해질), 합성 풍미제 및 천연 풍미제 등의 풍미제, 착색제 및 중진제(치즈, 초콜릿 등), 펙트산 및 그의 염, 알긴산 및 그의 염, 유기산, 보호성콜로이드 증점제, pH 조절제, 안정화제, 방부제, 글리세린, 물, 탄산 음료에 사용되는 탄산화제 등을 함유할 수 있다. 이러한 성분을 독립적으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 건강기능성식품은 상술된 바와 같이 다양한 제형을 갖는데, 특히 분말, 과립, 정제, 캡슐 및 음료 중 어느 하나의 제형을 가질 수 있다.일 구현예로서, 본 발명의 건강기능성식품을 음료로 구현하는 경우 필수 성분으로서 본 발명의 Q8 화합물 또는 그의 염을 함유하는 외에는 다른 성분에는 특별한 제한이 없으며 통상의 음료와 같이 여러 가지 향미제 또는 천연 탄수화물 등을 추가 성분으로서 함유할 수 있다. 천연 탄수화물의 예는 모노사카라이드, 예를 들어 포도당, 과당 등 디사카라이드, 예를 들어 말토스, 수크로스 등 및 폴리사카라이드, 예를 들어 덱스트린, 시클로덱스트린 등과 같은 통상적인 당, 및 자일리톨, 소르비톨, 에리트리톨 등의 당알콜이다. 상기한 것 이외의 향미제로서 천연 향미제(타우마틴, 스테비아 추출물(예를 들어 레바우디오시드 A, 글리시르히진 등) 및 합성 향미제(사카린, 아스파르탐 등)를 유리하게 사용할 수 있다.

또한, 골형성 촉진을 유도하기 위한 것을 목적으로 하는 건강기능성식품에서도 유효성분인 Q8 화합물 또는 그의 염의 함량은 5 ㎍/ml 이하의 농도로 포함될 수 있을 것이다. 경우에 따라서는 1일 당 0.0001-10 mg/kg(체중)일 수 있다. 본 발명의 기능성식품에 포함되는 유효성분의 농도는 복용목적, 복용자의 상태, 필요기간 등을 고려하여 결정할 수 있으며 특정 범위의 농도로 한정되지 않는다.

실시예

0 ℃에서 질소 대기 하에서 무수 THF (20mL)에 5-옥사프로토베르베린 화합물 (400 mg, 1.61 mmol)이 교반된 용액에 리튬 알루미늄 하이드라이드(Lithium aluminum hydride) (550mg, 14.5mmol)를 부분적으로 첨가 하고 실온에서 1시간 동안 교반을 계속하였다. 그 후에 반응 혼합물은 물로 여과하고 필터링 해주었다. 여액을 건조시키고 진공 농축시켰다. 잔류물을 칼럼 크로마토그래피 n- 헥산 : 에틸 아세테이트 (5 : 1)로 용출시키면서 Q8 화합물을 상아색 고체로서 수득하였다 (110 mg, 30 %).

실험재료 및 방법

1. 플라스미드, 항체, 시약

HA- 또는 Myc- Runx2와 Osterix를 위한 플라스미드는 pCS4 벡터에 재조합 되었다. ALP-Luc (-900 bp), BSP-Luc (-938 bp), OC-Luc (-1.1 kbp)는 기존에 연구에서 진행했던 것과 같이 재조합 되었다. Myc 항체 (#9E10, 1:1000)와 HA 항체 (#12CA5, 1:1000)는 Roche Applied Science에서 구매 하였고, α-tubulin 항체는 (#ab11304, 1:5000) Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA)에서 구매하였다. Osterix 항체 (#sc393325, 1:1000), Dlx5 항체 (#sc-18152, 1:1000), collagen type 1 alpha 1 항체 (COL1A1, #sc-8784, 1:1000)는 Santa Cruz Biotechnology (Dallas, Texas, USA)에서 구매하였다. Runx2 항체(#ab76956, 1:1000)는 Abcam (Boston, MA, USA)에서 구매 하였으며, 재조합된 사람의 bone morphogenetic protein 4 (BMP4)는 R&D Systems (Minneapolis, MN, USA)에서 구매하였다. 그리고 berberine chloride는 Sigma-Aldrich (B3251, St. Louis MO, USA)에서 구매하여 dimethyl sulfoxide (DMSO)에 녹여 사용하였다. Ascorbic acid (A4403)와 β-glycerophosphate (β-GP, G9891)는 Sigma-Aldrich에서 구매하였다. MG132 (proteasome 억제제, 474790), cycloheximide (단백질 합성 억제제, 239763), U0126 (mitogen-activated kinase kinase, MEK 억제제, 662005), H89 (protein kinase A, PKA 억제제, 371963), lithium chloride (LiCl, glycogen synthase kinase 3, GSK3 억제제, 438002), Akt inhibitor XI (124028), SB203580 (p38 mitogen-activated protein kinase, MAPK 억제제, 559386)는 Calbiochem에서 구매하였다. 일시적으로 대상 유전자의 발현 억제를 위해서Osterix는 short hairpin RNA (shRNA) 방법을 사용하였으며, 대상 서열은 pSUPER.retro.puro vector (Oligoengine, WA, USA)에 재조합 되었다. 대상 서열: Osterix shRNA, GT CTA CAC TTC CCT GGA TA (shOsreix). 불특정한 shRNA (pSUPER.retro.puro vector)는 음성 대조군으로 사용되었다 (shCon). 21개의 염기서열로 구성된 Runx2 특정한 이중 나선의 cDNA는 고정태 박사(전남대학교, 광주, 한국)로부터 받았다. Runx2의 siRNA서열은 GAG CTA TTA AAG TGA CAG TTT (siRunx2)이며 불특정의 siRNA (Invitrogen)이 음성 대조군으로 사용되었다 (siCon).

2. 세포배양과 일시적 형질주입

C2C12 쥐의 근육 전세포와 HEK293, 사람의 배아 신장세포, MC3T3-E1 조골 전세포는 37℃, 5% CO2 환경에서 10% fetal bovine serum (FBS) 와 1% antibiotic-antimycotic가 첨가된 Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM)에서 배양하였다. DMEM, FBS, 항생제는 Life Technologies (Grand Island, NY, USA)에서 구매하였다. 일시적 형질주입은 polyethyleneimine (PEI, Polysciences, Warrington, PA, USA)를 이용하여 진행하였다. 전체 형질 주입된 플라스미드의 양은 벡터를 이용하여 같은 양으로 맞춰주었다.

3. 리포터 유전자 어세이

C2C12 세포는 24-well plates에 형질주입 하루전 2 ㅧ 104 cells/well의 수로 배양하였다. 세포는 CMV promoter-driven β-galactosidase reporter (pCMV-β-gal), luciferase reporter와 표시된 플라스미드의 조합으로 형질 주입하였고, 24시간 뒤에 표시된 시약을 처리하였다. 활성을 측정하기 위해 Luciferase Reporter Assay kit (Promega)를 사용하였으면 모든 실험은 세 개의 실험 샘플과 세 차례의 반복으로 이루어 졌다.

4. 면역 블로팅과 면역 침강

HEK293 세포를 이용하여 대상 단백질을 발현하는 플라스미드를 형질 주입시키고 36시간 뒤 ice-cold lysis buffer [25 mM Hepes (pH 7.5), 150 mM sodium chloride (NaCl), 1% NP-40, 0.25% sodium deoxycholate, 10% glycerol, 25 mM sodium fluoride (NaF), 1 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), 1 mM sodium vanadate (Na3VO4), l0 μg/mL leupeptin, and 10 μg/mL aprotinin]를 이용하여 세포를 용해 시켰다. 세포 lysates는 13,200 rpm at 4℃에서 원심분리 하였고, 상층액이 면역 블로팅을 위해 사용되었다. 모든 단백질은 sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE)에 의해 분리되었고 polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes으로 옮겨진 뒤, 5 % skim milk (Tris-buffered saline with 0.1 % Tween 20 [TBS-T])에 의해 블락킹 되었다. 그리고 멤브레인을 특정한 1차 항체에 의해 배양한 뒤, horseradish peroxidase (HRP)가 결합된 2차항체에 배양하고, Immobilon Western Chemiluminescent HRP Substrate (Merckmillipore)를 이용하여 최종 확인하였다. 단백질 수준은 Multi Gauge, V3.0 (FUJIFILM)에 의해 정량화 되었다. 면역침강을 위해서 같은 약의 단백질이 사용되었고 특정한 항체와 protein A agarose bead를 침강시킨 뒤, 침강된 단백질은 SDS-PAGE에 사용되었고 면역블로팅에 의해 확인되었다.

5. ALP 염색

분화된 C2C12 세포를 phosphate-buffered saline (PBS)에 의해 씻고 10% formaldehyde를 이용하여 2분간 고정하였다. 다시 PBS를 이용하여 씻겨낸 다음, ALP활성을 측정하기 위해 세포를 BCIP/NBT color development substrate (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 이용하여 30분간 상온에서 염색하였다. ALP 양성인 세포는 보라색이나 파란색으로 염색되었으며 정량은 480 nm의 흡광도에서 측정하였다.

6. Alizarin Red S 염색

C2C12 세포를 24-well plates에 깔고 PEI를 이용하여 형질주입 하였다. 세포를 BMP4를 이용하여 분화를 유도하고 표시된 다양한 시약들을 조합하여 14일간 배양하였다. 형질 주입된 세포를 phosphate-buffered saline (PBS)를 이용해 세척하고 10% formaldehyde를 이용해 15분간 고정시켰다. 세포를 다시 PBS로 세척하고 Alizarin Red S solution (ARS, #A5533, Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA)을 이용하여 30분간 염색하였다. 골광화에 양성을 보이는 세포는 빨간색으로 염색되었으며 정량은 405 nm의 흡광도에서 측정되었다.

7. RNA 분리와 반정량적 RT-PCR

전체 RNA는 RNAiso Plus Total RNA extraction reagent (Takara)를 이용해 추출되었다. Oligo (dT) primers 와 reverse transcriptase (Promega)는 cDNA를 합성하기 위해 사용되었다. 다음의 PCR조건이 실험에 사용됨: 초기 denaturation 94℃, 5분; 28-30 cycles (denaturation 94℃, 1분, annealing 각 프라이머에 최적화된 온도, 1분, extension 72℃, 1분), 마지막 final extension 72℃, 10분. PCR에 사용된 프라이머 서열은 다음과 같음: ALP, forward (F), 5'-ATT GCC CTG AAA CTC CAA AAC C-3' 와reverse (R), 5'-CCT CTG GTG GCA TCT CGT TAT C-3' (30 cycles); BSP, forward (F), 5'-CAG AAG TGG ATG AAA ACG AG-3' 와 reverse (R), 5'-CGG TGG CGA GGT CCC AT-3' (25 cycles); osteocalcin (OC), forward (F), 5'-GCA ATA AGG TAG TGA ACA GAC TCC-3' 와 reverse (R), 5'-GTC TGT AGG CGG TCT TTA AGC-3' (30 cycles); collagen type 1 alpha 1(COL1A1), forward (F), 5'-TCT CCA CTC TTC TAG GTT CCT-3' 와 reverse (R), 5'-TTG GGT CAT TTC CAC ATG C-3' (23 cycles); Runx2 Forward 5′-AGC AAC AGC AAC AGC AG-3′ 와 Reverse 5′-GTA ATC TGA CTC TGT CCT TG-3′ (35 cycles); Osterix Forward 5′-GGG TTA AGG GGA GCA AAG TCA GAT-3′ 와 Reverse 5′-CTG GGG AAA GGA GGC ACA AAG AAG-3′ (35 cycles); 와 glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), forward (F), 5'-ACC ACA GTC CAT GCC ATC AC-3' 와 reverse (R), 5'-TCC ACC CTG TTG CTG TA-3' (25 cycles).

8. 통계 분석

결과는 평균 ㅁ 평균의 표준 오차로 나타냈다. 우리는 Sigma plot 프로그램을 이용하여 서로 다른 그룹간의 통계적 유의성을 단일비교에서는, two-tailed unpaired Student's t-test of the means를 이용하였고 다수 비교에서는, one-way analysis of variance (ANOVA) with the Bonferroni post hoc test를 이용하였다. 통계적 유의성은 p < 0.05로 규정 되었으면 모든 실험은 3차례의 반복 실험을 통해 진행되었다. 그 중에 대표적인 결과를 보여주고 있다.

실험예 1

실시예에서 수득된 Q8화합물에 대해 아래와 같이 NMR값 등을 확인하여 상기 화학식 1의 Q8화합물이 합성되었음을 확인하였다.

1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ: 8.66 (bs, 1H), 8.40 (d, J = 7.8 Hz, 1H), 7.70-7.65 (m, 1H), 7.57-7.47 (m, 2H), 7.38-7.32 (m, 1H), 7.27-7.24 (m, 1H), 6.82 (td, J = 7.5, 0.6 Hz, 1H), 6.75 (d, J = 8.1 Hz, 1H), 6.61 (s, 1H), 4.15 (s, 1H), 2.84 (d, J= 4.8 Hz, 6H). 13C NMR (125 MHz, DMSO-d6) δ: 152, 150, 148, 143, 137, 127, 120, 112, 109, 107, 102, 101, 98, 96, 80, 57, 56, 50. MS (ESI) m/z = 340 (M+H)⁺.HPLC:tr1.85min,purity97.8%.

실험예 2. C2C12 세포에서 조골세포 분화와 독성에 관한 Q8화합물의 영향

ALP는 조골세포분화 초기에 발현이 되는 골형성 지표로 알려져 있다. Q8화합물이 조골세포에 미치는 효과를 평가하기 위해 ALP 염색을 다음과 같이 수행하였고, 그 결과를 도 1a 내지 도 1c에 나타내었다. 먼저, 24 웰 플레이트에 C2C12 세포를 깔고 BMP4 (30 ng/mL)를 처리하였다. 예비실험에서 berberine은 1μM에서 최고 효능을 보였고, 5μM 이상 농도에서는 약간의 세포독성을 보였기 때문에 추가로 진행한 실험에서 1μM의 berberine을 양성 대조군으로 사용하였다.

2-1. C2C12 세포에 BMP4 (30 ng/mL)와 berberine (1 μM ) 또는 Q8 (0.2, 1, or 5 μM )를 3일 (alkaline phosphatase [ALP] staining) 또는 14일 (Alizarin Red S staining) 동안 배양하였다. 조골세포 분화와 골광화 정도는 ALP 염색과 Alizarin Red S 염색에 의해 확인되었으며 그 결과를 도 1a의 A에 나타내었다. 상대적인 흡광도는 BMP4를 처리한 그룹을 기준으로 비교하였다. *P < 0.05, **P < 0.01 compared with BMP4-treated group; ANOVA-Bonferroni post hoc test.

2-2. MC3T3-E1 세포는 50 μM ascorbic acid 와 10 mM β-glycerophosphate (β-GP)를 처리하고 berberine (1 μM ) 또는 Q8 (0.2, 1, or 5 μM ) 존재 하에 7일(alkaline phosphatase [ALP] staining) 동안 배양하였고 그 결과를 도 1a의 B에 나타내었다. 상대적인 흡광도는 대조군을 기준으로 비교하였다. *P < 0.05, **P < 0.01 compared with β-GP and ascorbic acid-treated group; ANOVA-Bonferroni post hoc test.

2-3. C2C12 세포를 BMP4 (30 ng/mL)와 berberine (1 μM ) 또는 Q8 (0.2, 1, or 5 μM )를 3일동안 처리하였다. ALP, bone sialoprotein (BSP), collagen type I alpha 1 (COL1A1)의 발현을 reverse-transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR)를 이용하여 비교하였고 그 결과를 도 1b의 C에 나타내었다. Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH)는 loading control로 사용되었다.

2-4. C2C12 세포에 pCMV-β-gal (0.1 μg), luciferase reporters [(C) ALP-Luc, (D) BSP-Luc, or (E) osteocalcin (OC)-Luc, 0.3 μg]를 이용하여 형질주입 시키고, Q8화합물을 처리한 다음, 루시퍼레이즈 활성을 측정하였고 그 결과를 도 1b의 D, E 및 도 1c의 F에 나타내었다. *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001 compared with BMP4-treated group; ANOVA-Bonferroni post hoc test.

2-5. C2C12 세포의 생존율을 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide (MTT) assay를 이용하여 측정하였고 그 결과를 도 1c의 G에 나타내었다. C2C12 세포는 다양한 농도의 berberine 또는 Q8를 72시간동안 처리하였다. *P < 0.05, **P < 0.01 compared with control group; ANOVA-Bonferroni post hoc test. Data are representative of three independent experiments (mean and s.d. of two replicates in A and B, three replicates in C-F )

도 1a의 A에 도시된 바와 같이, Q8화합물은 BMP4가 있을 때 ALP의 활성을 높은 수준으로 증가시켰고 0.2μM의 Q8화합물은 1μM의 berberine과 비슷한 효능을 보였다. Alizarin Red S 염색법을 통해서 추가로 실험을 진행한 결과 ALP의 활성과 비슷한 효능을 보였다.

Q8화합물의 조골세포에 대한 직접적인 효과를 알아보기 위해 조골 전세포인 MC3T3-E1세포를 이용해서 확인해본 결과, 도 1a의 B에 도시된 바와 같이, C2C12 세포와 비슷한 촉진 효능을 보였다. 또한 도 1a의 C는 조골세포 분화 지표인 ALP, BSP, Col1A1의 mRNA 역시 농도의존적으로 Q8화합물에 의해 증가하였음을 보여준다.

다음으로는 전사활성에 대한 효능을 평가하기 위해 ALP, BSP, OC 조절 서영을 포함하고 있는 리포터유전자를 이용해서 실험을 진행한 결과, 도 1b의 D, E 및 도 1c의 F에 도시된 바와 같이, BMP4에 의해 유도되는 전사활성을 더욱더 Q8화합물이 농도의존적으로 증가시키는 결과를 확인할 수 있었다. 또한, 세포독성 실험을 C2C12세포를 이용해 72시간 동안 진행해본 결과, 도 1c의 G에 도시된 바와 같이, 25μM 및 125μM 농도의 Q8화합물이 대조군과 비교해서 독성을 보였으나 berberine과 비교해서 30% 낮은 독성을 보였음을 알 수 있다.

실험예 3. C2C12 세포에서 조골세포 전사인자들에 대한 Q8화합물의 영향

Q8화합물이 C2C12 세포에서 조골세포 전사인자들에 미치는 영향을 알아보기 위해 다음과 같이 조골세포 분화 지표와 전사인자들의 발현을 다양한 시간대 별로 확인하였다. 여기서, C2C12 세포는 bone morphogenetic protein 4 (BMP4, 30 ng/mL)와 Q8 (1 μM )로 4일 동안 배양되었다.

3-1. 전체 RNA는 분화가 시작한 뒤 지정된 날짜에 C2C12 세포에서 추출되었다. Alkaline phosphatase (ALP), bone sialoprotein (BSP), osteocalcin (OC), collagen type I alpha 1 (COL1A1), runt-related transcription factor 2 (Runx2), Osterix의 RNA 발현은 reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR)를 이용하여 비교하였다. Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH)는 loading control로 사용되었다. 그 결과는 도 2a에 나타내었다.

3-2. Runx2, Osterix, COL1A1의 세포내 단백질 수준은 각각의 항체를 이용하여 면역블로팅법으로 확인하고 그 결과는 도 2b에 나타내었다. α-Tubulin은 loading control로 사용되었다. *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001; Student's t-test. Data are representative of three independent experiments (mean and s.d. of two replicates).

도 2a로부터, ALP, BSP, OC, Col1A1의 RNA 발현이 BMP4에 의해 증가하였고 Q8화합물에 의해 더욱더 증가하였음을 알 수 있다. 또한 Q8화합물이 다양한 조골세포분화 지표들을 향상 시키면서 분화를 촉진시켰기 때문에 추가로 조골세포 분화 전사인자들의 발현에 대한 효과도 확인하였는데, 도 2b에 도시된 바와 같이 Q8화합물은 BMP4에 의해 유도되는 Runx2와 Osterix의 RNA 발현을 증가시키는 효과를 보였다. 또한, Runx2와 Osterix의 단백질 역시 Q8화합물에 의해 분화가 진행하는 동안 증가하는 효과를 보였다.

이러한 실험결과는 Q8화합물이 조골세포 분화와 관련된 유전자들의 발현을 증가시키고 조골세포 전사 인자인 Runx2와 Osterix의 단백질 발현을 증가시킴으로써 조골세포 분화를 증가시킨다는 것을 보여준다.

실험예 4. Q8화합물에 의한 Runx2의 단백질 안정화와 조골세포활성 증가

Q8화합물이 조골세포에 가장 중요한 전사 인자인 Runx2를 조절하는지 알아보기 위해 Runx2에 의해 유도되는 조골세포 분화에 대한 Q8화합물의 효능을 다음과 같이 평가하였다.

4-1. C2C12 세포를 Myc-Runx2 (1 μg)로 형질주입 시키고bone morphogenetic protein 4 (BMP4, 30 ng/mL)와 berberine (1 μM ) 또는 Q8 (1 μM )을 처리하였다. 조골세포 분화 정도와 골광화는 각각 alkaline phosphatase (ALP) 또는 Alizarin Red S 염색을 이용하여 측정하였고 그 결과를 도 3a에 나타내었다. 상대적인 흡광도는 BMP4를 처리한 그룹을 기준으로 비교하였다. *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001 compared with BMP4 treated group; ANOVA-Bonferroni post hoc test.

4-2. C2C12 세포에 BMP4 (30 ng/mL)와 Q8 (1 μM )를 3일 동안 처리하고 세포는 cycloheximide (CHX, 40 μg/mL)에 0-6시간 동안 추가로 처리 되었고 면역블로팅에 사용되었다. 그 결과는 도 3b에 나타내었다.

4-3. Runx2 밴드의 강도 (panel B)는 Multi Gauge, V3.0 (FUJIFILM)에 의해 측정되었고, 그 결과를 도 3c에 나타내었다. CHX를 처리하지 않은 0시간의 Runx2 단백질을 100%로 간주하여 비교하였다.

4-4. C2C12 세포에 BMP4 (30 ng/mL)와 Q8 (1 μM ) 3일 동안 처리하였다. Runx2 IPs (anti-Runx2)는 ubiquitin IB (anti-Ubiquitin)를 이용하여 분석하였고, 그 결과를 도 3d에 나타내었다. α-Tubulin은 loading control로 사용 되었다.

4-5. C2C12 세포에 pCMV-β-gal (0.1 μg), Myc-Runx2 (0.3 μg), luciferase reporter ALP-Luc (0.3 μg)를 형질주입하고 berberine (1 μM ) 또는 Q8 (1 or 5 μM )를 처리하였다. 루시퍼레이즈 활성을 측정하였고 그 결과를 도 3e에 나타내었다. **P < 0.01 compared with Runx2-transfected group; ANOVA-Bonferroni post hoc test. Data are representative of three independent experiments (mean and s.d. of two replicates in A-C, three replicates in E).

도 3a에 도시된 바와 같이, Runx2에 의해 유도되는 ALP 활성과 본미네랄 형성은 Q8화합물에 의해서 더욱더 증가하였다

도 2b에서 Q8화합물이 Runx2의 단백질 수준을 높게 유지하는 결과를 보여 주었기 때문에 Q8화합물이 Runx2의 단백질 안정성에 영향을 주는지 여부를 확인하였다. 즉, 단백질 합성 억제제인 cycloheximide (CHX)를 이용해서 BMP4를 처리한 후 3일 뒤에 Runx2의 단백질 반감기를 측정해 보았다. 그 결과, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 약 80분 정도의 Runx2의 반감기가 Q8화합물에 의해 약 190분 이상으로 증가하였음을 알 수 있다.

또한, proteasome에 의한 단백질 분해에서 중요한 과정인 ubiquitination에 Q8화합물이 관여하는지 여부를 확인한 결과, 도 3d에 도시된 바와 같이 Q8화합물은 Runx2의 ubiquitination 정도를 감소시키는 결과를 확인하였다. 선행 연구에서 Runx2의 전사 활성은 단백질 안정성에 의해 조절 되었다. 따라서 Q8화합물이 Runx2의 전사 활성에 미치는 효과를 확인하였다. 도 3e는 Q8화합물이 Runx2에 의해 유도된 전사 활성을 증가 시켰음을 보여준다.

이러한 실험 결과는 Q8화합물이 ubiquitin에 의한 proteasome의 Runx2단백질 분화를 억제함으로써 Runx2의 단백질을 안정화 시키고 그로 인해, Runx2의 전사 활성을 높임을 보여준다.

실험예 5. Q8화합물에 의한 Osterix의 단백질 안정화와 조골세포활성 증가

Osterix는 조골세포 분화과정에서 조골 전세포의 성숙을 향상시키는 다른 중요한 전사 인자이다. Q8화합물의 Osterix에 의한 조골세포 분화능 및 Osterix의 단백질 안정화에 대한 효과를 다음과 같이 평가하고 그 결과를 도 4a 내지 도 4e에 나타내었다.

5-1. C2C12 세포에 HA-Osterix (1 μg)를 형질주입 시키고 bone morphogenetic protein 4 (BMP4, 30 ng/mL)와 berberine (1 μM ) 또는 Q8 (1 μM )을 처리하였다. 조골세포 분화 정도와 골광화는 각각 alkaline phosphatase (ALP) 또는 Alizarin Red S 염색을 이용하여 측정하였고 그 결과를 도 4a에 나타내었다. 상대적인 흡광도는 BMP4를 처리한 그룹을 기준으로 비교하였다. *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001 compared with BMP4 treated group; ANOVA-Bonferroni post hoc test.

5-2. C2C12 세포에 BMP4 (30 ng/mL)와 Q8 (1 μM )를 3일 동안 처리하고 세포는 cycloheximide (CHX, 40 μg/mL)에 0-6시간 동안 추가로 처리 되었으며 면역블로팅에 사용되었다. 그 결과는 도 4b에 나타내었다.

5-3. Osterix 밴드의 강도 (panel B)는 Multi Gauge, V3.0 (FUJIFILM)에 의해 측정되었고, 그 결과는 도 4c에 나타내었다. CHX를 처리하지 않은 0시간의 Runx2 단백질을 100%로 간주하여 비교하였다.

5-4. C2C12 세포에 BMP4 (30 ng/mL)와 Q8 (1 μM ) 3일 동안 처리하였다. Osterix IPs (anti- Osterix)는 ubiquitin IB (anti-Ubiquitin)를 이용하여 분석하였고 그 결과를 도 4d에 나타내었다. α-Tubulin은 loading control로 사용 되었다.

5-5. C2C12 세포에 pCMV-β-gal (0.1 μg), Myc- Osterix (0.3 μg), luciferase reporter ALP-Luc (0.3 μg)를 형질주입하고 berberine (1 μM ) 또는 Q8 (1 or 5 μM )를 처리하였다. 루시퍼레이즈 활성을 측정하였고 그 결과를 도 4e에 나타내었다. *P < 0.05, ***P < 0.001 compared with Osterix-transfected group; ANOVA-Bonferroni post hoc test. Data are representative of three independent experiments (mean and s.d. of two replicates in A-C, three replicates in E).

도 4a에 도시된 바와 같이, Q8화합물의 Osterix에 의한 조골세포 분화능에 대한 효과를 ALP 염색과 Alizarin red O 염색을 통해 평가한 결과, Osterix에 의해 유도된 ALP 활성과 매트리스 골광화가 Q8화합물에 의해서 더욱 증가하였음을 알 수 있다.

도 4b 및 도 4c는 Q8화합물이 또한 Osterix의 반감기를 6시간 이상으로 늘리면서 단백질의 안정성을 높였음을 보여준다.

또한, 도 4d에 도시된 바와 같이 ubiquitination 역시 Q8화합물에 의해서 감소되는 결과가 나타났다.

Runx2와 유사하게 Osterix의 전사 활성 역시 단백질 안정성에 의해 큰 영향을 받는다. 전사 활성을 평가하기 위해 루시퍼레이즈 실험을 진행한 결과 도 4e에 도시된 바와 같이 Osterix에 의해 ALP 프로모터의 전사가 증가하였고 Q8화합물에 의해 농도 의존적으로 증가하는 결과를 보였음을 알 수 있다.

이러한 실험결과는 Q8화합물이 ubiquitination를 감소시킴으로 Osterix의 단백질을 안정화시키고 결과적으로 전사 활성을 증가시킨다는 것을 보여준다.

실험예 6. Runx2와 Osterix의 결핍에 의한 Q8화합물의 효능 감소

Q8화합물의 조골세포분화 증가효능에 Runx2와 Osterix가 직접적으로 매개하는지 여부를 확인하기 위해서 RNA간섭 (shRNA 또는 siRNA)를 이용한 실험을 다음과 같이 진행하였다.

6-1. C2C12 세포에 nonspecific (siCon, shCon) 또는 Runx2와 Osterix specific (siRunx2, shOsterix)를 형질주입 하였다. Runx2와 Osterix의 knockdown 효율은 BMP-4 (30 ng/mL) 처리한 뒤 3일 후에 Runx2, Osterix, α-Tubulin 항체를 이용하여 확인하였고 그 결과는 도 5a에 나타내었다. 상대적인 흡광도는 대조군을 기준으로 비교하였다.

6-2. C2C12 세포에 siCon/shCon 또는 siRunx2/shOsterix를 형질주입한 뒤 BMP-4 (30 ng/mL)와 Q8 (1 μM )를 처리하였다. 조골세포 분화 정도와 골광화는 각각 alkaline phosphatase (ALP) 또는 Alizarin Red S 염색을 이용하여 측정하였고 그 결과는 도 5b에 나타내었다. 상대적인 흡광도는 BMP4를 처리한 그룹을 기준으로 비교하였다.

6-3. C2C12 세포에 pCMV-β-gal (0.1 μg), siRunx2 (0.2 μg), shOsterix (0.2 μg), luciferase reporter [(C) ALP-Luc, (D) BSP-Luc, or (E) OC-Luc; 0.2 μg]를 형질주입하고 Q8 (1 μM )를 처리한 뒤 루시퍼레이즈 활성을 측정하였고, 그 결과를 도 5c 내지 도 5e에 각각 나타내었다. *P < 0.05, **P < 0.01 compared with BMP4 treated group, #P < 0.05, ##P < 0.01 compared with siRunx2 and shOsterix transfected group; ANOVA-Bonferroni post hoc test. Data are representative of three independent experiments (mean and s.d. of two replicates in B, three replicates in C-E).

도 5a에 도시된 같이, RNA간섭에 의해서 Runx2와 Osterix의 단백질 수준은 각각 58, 33% 정도 감소하였다.

또한, 조골세포 분화에 미치는 효과를 확인하기 위한 실험을 진행한 결과가 도시된 도 5b에 도시된 바와 같이 BMP4에 의해 유도된 ALP활성과 매트리스 골광화가 Q8화합물이 존재함에도 불구하고 Runx2와 Osterix의 결핍에 의해 감소되었다.

또한, 도 5c 내지 도 5e에 도시된 전사 활성 역시 비슷한 결과를 보이고 있다.

이러한 실험결과들은 Q8화합물의 조골세포 분화증가 효능은 Runx2와 Osterix에 의해 매개된다는 것을 의미한다.

실험예 7. Q8화합물의 PKA에 의해 유도된 Runx2와 Osterix의 인산화 증가

Runx2의 발현과 전사 활성은 ERK, p38 MAPK, PKA와 같은 다양한 세포외부의 신호 전달 과정에 의해 조절된다. Osterix 또한 GSK3α, Akt에 의해 인산화 되면 PKA에 의해 Osterix의 기능이 조절된다는 사실을 본 발명자들이 최근 확인하였다. Q8화합물의 Runx2 및 Osterix의 조절을 포함하는 신호 전달 과정을 확인하기 위해서 다양한 인산화 효소 억제제 (U0126, H89, SB203580, Akt inhibitor XI, LiCl [각각 MEK, PKA, p38 MAPK, Akt, GSK3 억제제])를 이용하여 BSP 프로모터의 전사 활성을 측정하는 실험을 다음과 같이 진행하였다.

7-1. C2C12 cells에 pCMV-β-gal (0.1 μg), Myc-Runx2를 형질주입하고 Q8 (1 μM )을 처리하였다. 그리고 세포에 다양한 인산화효소 억제제를 처리하고 24시간 동안 배양하였다. U0126 (10 μM , mitogen-activated protein kinase [MEK] 억제제), H89 (10 μM , PKA 억제제), SB (SB203580, 5 μM , p38 mitogen-activated protein kinase [MAPK] 억제제), Akt (5 μM ; Akt kinase 억제제XI), and lithium chloride (LiCl, 1 mM, glycogen synthase kinase 3[GSK3]-β 억제제). 루시퍼레이즈 활성을 측정 하였고 그 결과를 도 6a에 나타내었다. *P < 0.05 compared with Runx2- or Osterix-transfected group. #P < 0.05 compared with Runx2- or Osterix-transfected and Q8-treated groups; ANOVA-Bonferroni post hoc test.

7-2. C2C12 cells에 HA-Osterix (0.3 μg), luciferase reporter bone sialoprotein (BSP)-Luc (0.3 μg)를 형질주입한 것을 제외하면 7-1과 동일한 방법으로 수행하여 얻어진 결과를 도 6b에 나타내었다.

7-3. Myc-Runx2 또는 -Osterix를 HEK 293 세포에 형질주입하고 Q8 (1 μM ), H89 (10 μM ) 또는 둘다 처리하였다. Myc-Runx2 또는 -Osterix 단백질은 phospho-PKA substrate (RRXS/T)항체(IP, p-PKA sub)를 이용하여 면역침강되었고 Myc 항체를 이용하여 면역블로팅으로 분석하였다. 그 결과는 도 6c 및 도 6d에 나타내었다.

7-4. C2C12 세포에 bone morphogenetic protein 4 (BMP4, 30 ng/mL)와 Q8 (1 μM ) 또는 H89 (0.2, 1, or 5 μM )를 3일 (alkaline phosphatase [ALP] 염색) 또는 14일 (Alizarin Red S 염색) 배양하였다. 조골세포 분화 정도와 골광화는 각각 alkaline phosphatase (ALP) 또는 Alizarin Red S 염색을 이용하여 측정하였고 그 결과를 도 6e에 나타내었다. 상대적인 흡광도는 BMP4를 처리한 그룹을 기준으로 비교하였다. *P < 0.05, **P < 0.01 compared with BMP4-treated group. #P < 0.05, ##P < 0.01 compared with BMP4- and Q8-treated groups; ANOVA-Bonferroni post hoc test. Data are representative of three independent experiments (mean and s.d. of three replicates in A and B, two replicates in C-E).

도 6a 및 도 6b로부터, Q8화합물이 Runx2와 Osterix에 의한 BSP 프로모터의 전사 활성을 더욱 증가 시켰으며, 다양한 인산화 효소 억제제 중 PKA억제제인 H89에 의해 Q8화합물에 의한 증가 효능이 크게 감소하였음을 알 수 있다.

이러한 결과를 바탕으로 Q8화합물이 PKA에 의해 유도되는 Runx2와 Osterix의 인산화를 조절하는지 확인해 보았다. 이를 위해 상술된 바와 같이 HEK 293세포에 Myc-Runx2 또는 Myc-Osterix를 형질주입하고 Q8화합물과 H89를 처리하였다. Runx2와 Osterix의 인산화는 인산화된 PKA항체를 이용해 면역 침강 시킨 뒤, Myc-Runx2 또는 Myc-Osterix 항체를 이용하여 확인하였다. 그 결과가 도시된 도 6c 및 도 6d는 PKA에 의해 유도되는 Runx2와 Osterix의 인산화가 Q8화합물에 의해 증가되는 반면 H89에 의해서는 감소되었음을 보여준다. 또한 도 6e에 도시된 바와 같이 ALP염색과 Alizarin red O염색을 확인한 결과, BMP4에 의해 유도된 ALP활성과 매트리스 골광화가 역시 Q8화합물에 의해 증가하고 H89에 의해서 농도 의존적으로 감소되었다.

이러한 실험결과들은 Q8화합물이 Runx2와 Osterix의 활성을 PKA 신호를 조절함으로써 증가시킨다는 것을 의미한다.

본 실험에서 Q8화합물은 Runx2와 Osterix의 전사 수준에서의 발현을 증가 시켰다. 또한, Runx2와 Osterix의 단백질이 다른 조골세포지표가 증가한 3, 4일에 Q8화합물에 가장 높게 증가하였기 때문에 주로 Runx2와 Osterix의 단백질 수준에 Q8화합물이 미치는 효과에 주목하였다. 실제로, Q8화합물은 Runx2와 Osterix의 단백질을 안정화 시켰고 ubiquitination를 억제 시키면서 반감기를 연장시키는 효과를 보였다. ubiquitination 뿐만 아니라 Runx2의 활성은 다양한 인산화, 아세틸화, 수모화 등과 같은 다양한 번역 후 변형에 의해 조절된다. 그 중에서 인산화는 Runx2의 활성을 조절하는데 있어 굉장히 중요한 변형에 해당된다. 유사하게 Osterix 역시 p38, Akt1, ERK1/2, PKA, GSK3α 등의 인산화 변형을 통해 활성이 조절된다.

상술된 바와 같이 Q8화합물은 PKA에 의한 Runx2와 Osterix의 활성을 증가시켰다. 게다가 Runx2와 Osterix의 인산화는 Q8화합물에 의해 증가하는 반면, PKA신호 억제제인 H89에 의해 감소하였고 이러한 결과는 ALP활성 염색에서도 일치했다.

한편, 단백질의 안정화가 인산화에 의해 조절된다는 많은 연구들이 있다. Runx2의 단백질은 인산화에 의해 높게 유지되고, 이러한 단백질 증가는 조골세포 분화가 다음 단계로 잘 진행하는 것을 도와준다. GSK3β에 의한 Osterix 422번째 세린 잔기의 인산화는 단백질 안정성을 높이고 Osterix의 전사 활성을 높인다. 기존의 결과들과 일관되게, 상술된 실험결과 역시 Q8화합물에 의해 증가되었던 Runx2와 Osterix의 단백질 수준은 H89에 의해 억제 되었으며, 결국 ALP활성와 골광화를 감소시켰다. 이러한 결과들은 Q8화합물의 Runx2와 Osterix에 대한 조절이 인산화와 단백질 안정화 사이에 유기적인 관련성이 있다는 것을 보여준다.

따라서, 상술된 실험예에서 얻어진 결과를 토대로 확립된 Q8화합물의 조골세포 분화 조절 작용기전을 도 8에 도시된 바와 같이 모식적으로 표현할 수 있다. 도 8은 Q8화합물이 ubiquitin- proteasome 경로를 억제함으로써 Runx2와 Osterix 단백질의 안정성을 높이고 PKA 신호 경로를 통해서 조골세포의 분화를 촉진함을 보여준다.

이와 같이, 본 발명은 Q8화합물을 신규로 합성하였을 뿐만 아니라, Q8화합물이 무독성 농도범위에서 Runx2와 Osterix의 단백질 안정화를 조절함으로써 조골세포 분화 활성을 현저하게 향상시키는 것을 명확하게 밝혔으므로, 본 발명의 Q8화합물을 유효성분으로 하여 뼈 관련 질환에 유효한 다양한 약학조성물 및 건강기능성식품을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

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하기 화학식 1로 표시되는 Q8 화합물 또는 그의 염을 유효성분으로 포함하는 골형성촉진용 약학조성물:
[화학식 1]
제 4 항에 있어서,
상기 Q8 화합물 또는 그의 염은 protein kinase A(PKA) 신호 전달의 증가된 활성화를 통한 Runx2/Osterix의 안정화에 의해 골아세포분화를 촉진하는 것을 특징으로 하는 골형성촉진용 약학조성물.
제 4 항에 있어서,
상기 Q8 화합물 또는 그의 염은 골다공증, 골관절염 및 골결손질환 치료를 위한 유효성분으로 작용하는 것을 특징으로 하는 골형성촉진용 약학조성물.
하기 화학식 1로 표시되는 Q8 화합물 또는 그의 염을 유효성분으로 포함하는 골형성촉진용 건강기능성식품:
[화학식 1]
제 7 항에 있어서,
상기 Q8 화합물 또는 그의 염은 protein kinase A(PKA) 신호 전달의 증가된 활성화를 통한 Runx2/Osterix의 안정화에 의해 골아세포분화를 촉진하는 것을 특징으로 하는 골형성촉진용 건강기능성식품.
제 7 항에 있어서,
상기 Q8 화합물 또는 그의 염은 골다공증, 골관절염 및 골결손질환 치료를 위한 유효성분으로 작용하는 것을 특징으로 하는 골형성촉진용 건강기능성식품.