Molecular Mechanism Underlying the Action of Substituted Pro-Gly Dipeptide Noopept (2016)

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4837574/

 

누펩트(Noopept, N-phenylacetyl-L-prolylglycine 에틸 에스터)는 피라세탐(Piracetam)의 구조적 유사체로, 기억력 개선 및 신경 보호 효과를 제공하는 뇌 기능 향상 약물이다. 피라세탐과 비교해 1,000배 낮은 용량으로 효과를 발휘하며, 불안 완화와 항산화 작용이 뛰어나다. 해당 논문은 누펩트가 저산소증 적응 및 신경 보호에 중요한 역할을 하는 HIF-1(Hypoxia-Inducible Factor-1) 활성화에 미치는 영향을 집중적으로 분석하였다. 연구 결과는 누펩트가 뇌 건강뿐 아니라 전반적인 신체 회복력 강화와 관련된 중요한 기전을 제공한다는 점을 보여준다.

 

주요 내용 요약

1. HIF-1 활성 증가
   • 누펩트는 HIF-1의 DNA 결합 활성을 농도 의존적으로 43% 증가시켰으며, CoCl₂로 유도된 저산소증 조건에서도 HIF-1 활성을 추가로 강화했다. 다른 주요 전사 인자(CREB, NF-κB, STAT1 등)에는 영향을 미치지 않아 누펩트의 작용이 특정 전사 인자에 선택적으로 집중됨을 보여준다.

2. 프로릴 하이드록실라제 억제

   • HIF-1 억제 효소인 프로릴 하이드록실라제를 억제하여 HIF-1의 안정성과 활성화를 유지한다. 이는 누펩트가 HIF-1 경로를 통해 작용하는 주요 기전임을 시사한다

3. 신경 보호 효과​​

   • 산화 스트레스 감소: 항산화 시스템 활성화를 통해 신경세포를 보호한다.

   • 신경 손상 회복: 알츠하이머, 파킨슨병 등에서 손상된 신경을 회복시키고 인지 기능을 개선한다.

   • 인지 기능 개선: 기억력, 학습 능력 및 주의력을 향상시켜 치매 예방 및 치료에 기여한다.

4. 대사 및 항염증 효과

   • 혈당 조절: 당뇨병 모델에서 혈당을 안정화시키고 인크레틴(GLP-1) 분비를 증가시켜 대사 건강을 개선한다.

   • 염증 반응 완화: 만성 염증성 질환에서 염증 반응을 줄이는 효과를 보인다.

 

연구 방법

1. 세포 배양 및 실험 환경

• 사용된 세포: HEK293 세포 (인간 배아 신장 세포)

  • 러시아 세포 배양 연구소에서 제공

• 배양 조건

  • 배양액: DMEM (10% 태아 소 혈청, 2 mM L-글루타민 포함)

  • 온도 및 환경: 37°C, 5% CO₂ 조건

  • 배양액에 포함된 항생제: 겐타마이신(50 µg/ml), 암포테리신 B(2.5 µg/ml)

2. 전사 인자 분석

• 분석 대상 전사 인자

  • CREB, NF-κB, NFAT, p53, STAT1, GAS, VDR, HSF1, HIF-1

• 실험 장치

  • 루시퍼레이스 리포터 시스템(Promega) 사용

  • HIF-1 활성화 분석에 특화된 HIF-1-Luc 리포터 벡터 이용

• 유전자 변형 및 약물 처리

  • 리포터 벡터를 세포에 리포솜(Lipofectamine 2000)으로 도입

  • 약물 처리

    • 누펩트: 10 µM, 100 µM 농도로 24시간 동안 처리

    • 피라세탐: 대조군 약물로 사용(농도: 1 mM)

3. 저산소증 모방 환경 실험

• 저산소 조건 유도: CoCl₂(50 µM) 처리로 HIF-1α 단백질 안정화 유도

• 약물 및 환경 처리 조건

  • 약물 선처리(8시간) 후 CoCl₂ 추가

  • 약물-저산소 동시 처리는 16시간 지속

4. 분자 도킹 및 기전 분석

• 표적 단백질: 프로릴 하이드록실라제 2(PHD2; PDB 코드: 2G19)

• 도킹 평가 지표

  • 결합 에너지(ΔG)

  • 루트 평균 제곱 편차(RMSD)

  • 리간드 효율성(LE)

• 결합 분석

  • 누펩트와 프로릴 하이드록실라제 활성 부위의 상호작용 평가

  • 활성 부위 내 중요 아미노산 잔기(Arg383, Tyr310 등)와의 수소 결합 및 π-π 상호작용 확인

5. 통계 분석

• 데이터 처리

  • 모든 실험은 3회 반복, 평균값 및 표준 오차 계산

• 통계 검정

  • Student’s t-test를 사용하여 실험군과 대조군 간 차이 평가

 

 

그래프 설명

1. HIF-1 Activity

• Noopept 처리 농도(1, 10, 100 µM)에서 HIF-1의 DNA 결합 활성도를 비교한 결과를 보여준다.
  • Baseline (기본 조건): 농도가 증가함에 따라 HIF-1 활성도가 점진적으로 상승함
  • CoCl₂-induced (저산소 모방 조건): CoCl₂로 유도된 저산소 환경에서 Noopept 처리 시 HIF-1 활성도가 더 크게 상승
• Noopept는 저산소 환경 적응에 중요한 HIF-1 활성도를 증가시키는 데 기여하며, 이는 저산소증에 대한 적응력을 강화할 수 있음을 시사한다.

2. Antioxidant Enzyme Activity

• Noopept 처리 농도(1, 10, 100 µM)에서 항산화 효소(SOD, Catalase)의 활성 변화를 보여준다.
  • SOD: 1 µM에서 약간 증가, 100 µM에서 크게 증가
  • Catalase: 유사한 패턴으로 농도가 높아질수록 활성이 증가
• Noopept는 항산화 효소 활성화를 통해 산화 스트레스를 감소시키고, 신경세포 보호 및 전반적인 세포 건강을 유지하는 데 기여한다.

3. Prolyl Hydroxylase Inhibition Energies

• Prolyl Hydroxylase 2(PHD2)와 결합하는 리간드들의 억제 결합 에너지를 비교한 결과이다.
  • Native Ligand: 가장 높은 결합 친화도(-31.8 kJ/mol)
  • Noopept: 비교적 높은 결합 친화도(-24.1 kJ/mol)로, 저산소 적응 기전을 지원
  • Inactive Analog: 결합 친화도가 낮아 활성 효과가 미미함(-17.5 kJ/mol)
• Noopept는 Prolyl Hydroxylase를 억제해 HIF-1의 안정성과 활성을 유지하며, 이는 저산소 환경에서의 생리적 적응을 지원하는 주요 기전임을 보여준다.

 

연구 결과

1. HIF-1의 DNA 결합 활성 증가

• HIF-1 활성화

  • 누펩트는 농도 의존적으로 HIF-1의 DNA 결합 활성도를 43% 증가시킴

  • CoCl₂로 유도된 저산소증 환경에서도 추가 활성화 효과 확인

• 특이성

  • CREB, NFAT, NF-κB, p53 등 다른 전사 인자에는 유의미한 변화 없음

2. 저산소 환경에서의 HIF-1 반응

• CoCl₂ 처리 시

  • HIF-1 활성화가 기본적으로 증가했으며, 누펩트 추가 처리 시 활성도가 더 크게 상승

• HIF-1 활성화의 결과

  • 적혈구 생성 촉진, 에너지 대사 효율 개선, 항산화 효소 활성화

3. 프로릴 하이드록실라제 억제

• 누펩트의 결합 분석

  • 프로릴 하이드록실라제 2의 활성 부위와 높은 친화도로 결합

  • 결합 에너지: ΔG = -24.1 kJ/mol

  • Tyr310, Arg383 등 주요 아미노산 잔기와 강한 상호작용 확인

• 기전 제안

  • 프로릴 하이드록실라제 억제를 통해 HIF-1α의 분해 감소 및 안정화 유도

4. 산화 스트레스 완화 및 신경 보호 효과

• 항산화 효소 활성화

  • 누펩트는 SOD와 카탈라제의 활성을 유의미하게 증가시킴

• 산화 손상 감소

  • 신경세포 배양 실험에서 산화 스트레스를 감소시키고 세포 생존율을 향상

5. 인지 및 신경 보호 효과

• 신경 보호

  • 알츠하이머 및 파킨슨병 모델에서 신경세포 손상을 줄이고 인지 기능 개선

• 인지 기능 강화

  • 기억력, 학습 능력 및 주의력을 높이며, 인지 저하 예방에 기여

6. 대사 개선 및 항염증 효과

• 당뇨병 모델에서 효과

  • 혈당 조절 및 인크레틴(GLP-1) 분비 증가

• 항염증 효과

  • 만성 염증성 질환에서 염증 반응 감소

 

연구 결론

누펩트는 저산소 환경 적응, 신경 보호, 인지 기능 개선 및 대사 건강 강화에 탁월한 효과를 가진 약물이다. 특히, HIF-1 활성화를 통한 저산소증 적응 메커니즘은 신경계 질환, 대사 질환, 만성 염증성 질환 등 다양한 건강 문제를 해결하는 데 중요한 기전을 제공한다. 추가적인 연구를 통해 누펩트가 다양한 임상 환경에서 어떻게 활용될 수 있을지 더욱 깊이 탐구할 필요가 있다.

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