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기존 항암제는 세포독성 부작용과 내성 발생에 따른 암 전이와 재발을 막지 못하는 한계가 있습니다.

이에 최근 개발되는 항암치료제는 암세포를 선택적으로 파괴하는데 초점이 맞추어져 이에 부합하는 자연살해세포를 활용한 면역치료법 개발이 활발히 시도되고 있습니다.

자연살해세포(Natural Killer cell)는 암세포만 선택적인 살해능력을 보이는 선천 면역세포로, 암세포의 발생과 증식, 전이, 재발을 효과적으로 억제할 수 있어 유망한 항암 면역세포로 주목 받고 있습니다.

자연살해세포는 특히 항암제에 대한 감수성이 적어 쉽게 내성을 보이며 암의 재발에 중요한 역할을 하는 암줄기세포(Cancer stem cell)를 효과적으로 제거할 수 있습니다.

하지만 자연살해세포의 정확한 활성화 기전이 규명되지 않아 자연살해세포를 새로운 치료제로 개발하는데 많은 어려움을 겪고 있습니다.

이는 자연살해세포가 다른 면역세포와 달리 다양한 면역수용체의 조합에 의한 통합적인 신호전달경로에 의해 활성화되기 때문입니다.

이 같은 이유로 기존의 자연살해세포를 이용한 치료법은 다양한 성장인자나 염증인자로 자연살해세포를 배양하여 항암활성을 증진시키는 비특이적인 방법에 의존하고 있습니다.

그러나 암 종류 및 개인별로 치료효과의 차이가 커서 자연살해세포의 정확한 활성화 기전을 바탕으로 항암활성을 최적화할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있습니다.

울산대 의대 김헌식 교수와 미국 국립보건원 에릭롱(Eric Long) 박사가 항암 면역세포 중 가장 주목받는 자연살해세포(NK cell)의 활성을 제어할 수 있는 새로운 원리가 규명해 신개념 항암면역치료법 개발 가능성을 열었습니다.

연구팀은 자연살해세포의 활성을 조절하는 핵심제어 단백질(SLP-76)을 새롭게 규명하고 조절을 통해 자연살해세포의 활성을 최적화한 신개념 항암세포치료제 개발의 단초를 열었습니다.

SLP-76은 면역세포 활성화에 필요한 단백질복합체 형성에 핵심적인 어댑터 단백질입니다.

 연구팀은 자연살해세포가 암세포를 인지할 때 다양한 면역수용체들이 필요하며, 이들은 공통적으로 SLP-76를 통해 자연살해세포를 활성화시킴을 밝혀냈습니다.

특히 주목할 점은 SLP-76는 인산화를 통해 자연살해세포의 활성을 조절하는데, 암세포가 제거될 때만 SLP-76가 상호보완적으로 완전히 인산화 된다는 것입니다.

특정 NK 수용체 조합에 의한 SLP-76의 상호보완적인 인산화

NK cell에서 항암활성 유도에 중요한 NKG2D, 2B4, DNAM-1 수용체는 SLP-76의 특정 아미노산에 선택적인 인산화를 유발한다. 이들 수용체 중 강력한 항암활성을 유도하는 수용체 조합에 의해서만 SLP-76의 상호 보완적인 인산화가 일어난다 (좌측). 반면에 T cell의 경우 항원수용체 단독에 의해서도 SLP-76의 완전한 인산화를 유도한다 (우측). 

즉 SLP-76의 완전한 인산화가 자연살해세포 활성화에 필수적으로, SLP-76가 자연살해세포 활성화를 제어하는 핵심스위치 역할을 함을 규명했습니다.

SLP-76의 상호보완적인 인산화에 의한 NK cell 활성화

SLP-76의 인산화가 억제되도록 만든 다양한 변이체를 NK cell에 넣어준 후 활성을 측정하였다. 그 결과 SLP-76 상호보완적인 인산화가 항암활성 (살해능력, 염증인자 분비)을 유도하는데 필수적임을 규명하였다.

또 SLP-76의 상호보완적인 인산화는 자연살해세포에서만 관찰되는 고유한 특징으로, 자연살해세포의 활성화 기전이 다른 면역세포와 근본적으로 다르다는 새로운 원리를 밝혀냈습니다.

이번 연구성과는 항암면역세포로 주목받는 자연살해세포의 활성조절기전이 다른 면역세포와 근본적으로 다르다는 새로운 원리를 밝혀낸 것으로, 향후 이를 활용해 자연살해세포 활성을 최적화하고 이를 통한 새로운 항암치료법 개발에도 기여할 수 있을 전망입니다.

연구결과는 세포신호전달분야의 권위지인 '사이언스 시그널링(Science Signaling)' 7월 10일자에 게재되었습니다.
(논문명: Complementary Phosphorylation Sites in the Adaptor Protein SLP-76 Promotes Synergistic Activation of Natural Killer Cells)

SLP-76의 상호보완적인 인산화에 의해 NK cell의 항암활성이 유도되는 것을 나타낸 모식도.

NK cell은 항암활성 스위치인 SLP-76의 완전한 인산화를 유도하는 특정 조합(예, NKG2D+2B4 조합)에 의해서만 활성화 한계점을 넘어 효과적인 항암활성을 유도한다.

 

<연 구 개 요>

Complementary Phosphorylation Sites in the Adaptor Protein SLP-76 Promote Synergistic Activation of Natural Killer Cells
Hun Sik Kim and Eric O. Long. (Science Signaling - 2012. 7.10)

은 현대의학이 정복하지 못한 대표적인 난치성 질환 가운데 하나이다.
전 세계적으로 연간 3천만 명의 암 환자가 증가하고 있으며 한국인의 사망원인 1위는 지속적으로 암이 차지하고 있다.
기존의 항암치료는 외과적 수술, 항암제 투여, 방사선 조사 등이 대세를 이루고 있다.
그러나 세포독성 등 심각한 부작용과 암의 전이·재발 등으로 인해 새로운 치료법 개발이 절실히 요구되고 있는 상황이다.
이에 따라 최근 개발되는 암 치료제의 경우 정확히 암세포만 파괴하는데 초점이 맞춰지고 있으며 이러한 방안의 하나로 암세포를 특이적으로 파괴하는 자연살해세포(Natural Killer cell)와 살상 T cell을 활용한 면역치료법 개발이 활발히 시도되고 있다.

자연살해세포(NK cell)은 선천성 면역세포의 하나로 암세포에 대해 선택적인 살해능력을 보임으로써 그 존재가 알려졌다.
또한 추가적인 연구를 통해 NK cell은 인체의 암세포 및 바이러스에 감염된 세포를 제거하고 골수·조직이식, 태아의 착상 및 생식조절에도 중요한 역할을 함이 규명되었다.

더불어 NK cell은 수지상세포(dendritic cell), 대식세포(macrophage), T cell같은 다른 면역세포와 직접적 상호작용 및 염증인자에 의한 간접적 상호작용을 통해 면역반응을 조절한다.
이를 통해 만성염증질환, 자가면역질환 및 천식 등 각종 난치성질환의 발병에도 중요한 역할을 하고 있음이 밝혀지고 있다.

현재 NK cell을 이용하여 각종 암 및 감염질환을 치료하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있으며 사람을 대상으로 한 임상연구 또한 큰 가능성을 보여주고 있다.
특히 NK cell은 항암 면역치료제 개발 측면에서 다른 면역세포들과 비교하여 많은 장점을 가진다.
이는 NK cell이 암세포의 발생, 증식, 전이를 억제할 뿐만 아니라 암의 재발에 가장 중요한 암 줄기세포(cancer stem cell)을 효과적으로 제거할 수 있다는 보고에 기인한다.

이러한 중요성에도 불구하고 NK cell의 구체적 활성화 기전이 아직까지 규명되지 않아 NK cell을 새로운 치료제로 개발하는데 많은 어려움을 겪고 있다.
실제로 기존의 NK cell을 이용한 암치료는 IL-2 같은 염증인자로 NK cell을 배양하여 항암활성을 갖는 LAK (lymphkine activated killer) cell을 만들거나 NK cell의 억제적(inhibitory) 수용체의 활성을 막는 것이 대세였다.
그러나 이들 방법들은 암 종류에 따라 효과가 없거나 개인별 치료효과의 차이 및 지속성 등 여러 문제점이 나타나 NK cell의 정확한 활성화 기전을 바탕으로 항암활성을 최적화하여 암을 효과적으로 치료할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다.
따라서 NK cell의 활성을 최적화하는 원천 기술이 개발되면 항암면역반응을 조절하여 암을 치료하는 새로운 방법이 가능해 질 것으로 기대되고 있다.

NK cell 활성화의 가장 큰 특징은 다양한 활성화(activation) 및 억제적 수용체의 특정 조합을 통해 그 활성이 유도된다는 것이다.
더불어 NK cell에는 B-cell의 BCR이나 T-cell의 TCR 같은 지배적(dominant)으로 활성을 유도하는 항원 수용체가 존재하지 않아 과연 그 활성이 어떻게 각종 수용체의 조합에 의해 결정되는지 현재까지 미제로 남겨져 있다.
이러한 의문을 해결하기 위해 NK cell의 항암활성 유도에 가장 중요한 NKG2D 수용체가 2B4, DNAM-1 수용체 중에서 선택적으로 2B4와의 조합에 의해서만 강력한 항암활성을 유도하는 기전을 연구하였다.
그 결과 여러 adaptor 단백질 중 SLP-76가 선택적으로 상기의 과정을 조절한다는 것을 규명하였다.
흥미롭게도 SLP-76의 활성화 관련 인산화는 NK cell의 경우 NKG2D+2B4같은 특정 조합에 의해서만 상호보완적으로 일어나는데 반해 T-cell의 경우 TCR 자극 하나만으로 이러한 인산화가 일어나는 것을 규명하였다.
따라서 NK cell은 T-cell, B-cell과 달리 그 활성화에 왜 상호보완적인 NK 수용체의 조합이 필요한지를 알 수 있었으며 더불어 NK cell 활성 조절을 위한 새로운 이론적 근거를 마련하였다.

NK cell 활성화의 핵심 신호전달 경로를 규명한 본 연구결과를 활용하여 NK cell의 활성을 조절한다면 암과 감염질환뿐 아니라 NK cell이 중요한 역할을 하는 다양한 난치성질환(골수이식, 자가면역질환, 불임, 천식 등)의 치료법 개발에도 응용 가능하리라 기대된다.



 용  어   명


항암면역세포 
암세포에 선택적인 항암 활성을 보이는 면역세포로 기존 항암제의 세포독성 같은 심각한 부작용이 거의 없음. 또한 기존의 항암치료 후에 남아있는 잔존 암까지 제거해주어 암의 재발과 전이를 방지할 수 있음. 무엇보다 기존의 항암치료와 병행치료가 가능하며 환자의 면역력까지 높여주어 암치료효과를 극대화 할 수 있음.

자연살해세포(Natural Killer Cell)
다양한 암세포에 선택적인 항암활성을 보이는 선천성 항암면역세포로서, 암세포의 발생, 증식, 전이를 효과적으로 억제할 수 있으며 더불어 암의 재발에 가장 중요한 암 줄기세포도 효과적으로 제거할 수 있어 유망한 항암면역세포로써 주목 받고 있음.
 
암 줄기세포(Cancer stem cell)
암세포의 모(母)세포로 줄기세포처럼 무한히 분열 증식하여 암의 재발에 중요한 역할을 함. 따라서 암을 완전히 제거하기 위해서는 이 세포를 반드시 제거해야 함. 대부분의 항암제에 쉽게 내성을 보임.

면역수용체
면역반응을 유도하는 일차적인 스위치로, 주로 면역세포의 표면에 발현되어 있음. 암세포나 병원균에 특이적인 다양한 외부인자를 인지하여 면역세포에 활성화 신호를 전달하는 역할을 함.

SLP-76
자극된 면역수용체는 다양한 단백질들과 복합체를 형성한 후 활성신호를 전달함. SLP-76는 이 단백질 복합체가 형성되고 안정화되어 면역반응이 일어나도록 하는 뼈대역할을 함.

Science Signaling지
세계 최고 권위 학술지인 Science의 첫 번째 자매지로서 세포신호전달분야의 가장 중요한 연구결과를 주간으로 발간하는 세계적으로 권위 있는 학술지.

 

<김헌식 교수>

1. 인적사항                          
 ○ 성 명 : 김헌식 
 ○ 소 속 : 울산대학교 의과대학 대학원 의학과 
 
2. 학력사항
 ○ 1990.3 - 1994.2    연세대학교 생명공학 학사   
 ○ 1996.3 - 2001.2    한국과학기술원 생명과학 박사 
    
3. 경력사항 
 ○ 2000.12 - 2003.3     한국과학기술기획평가원 선임연구원
 ○ 2003.09 - 2007.5    성균관대학교 의과대학 연구조교수
 ○ 2007.05 - 2010.11  미국 국립보건원 Research Fellow
 ○ 2010.12 - 현재  울산대학교 의과대학 대학원 의학과 조교수
 ○ 2012.01 - 현재  대한면역학회, 전산운영위원장
 
4. 주요성과 
Hun Sik Kim and Eric O. Long. 2012. Complementary Phosphorylation Sites in the Adaptor Protein SLP-76 Promote Synergistic Activation of Natural Killer Cells. Science Signaling. 5, 232, ra49.

Hun Sik Kim, Asmita Das, Catharina C. Gross, Yenan T. Bryceson, and Eric O. Long. 2010. Synergistic Signals for Natural Cytotoxicity Are Required to Overcome Inhibition by c-Cbl Ubiquitin Ligase. Immunity. 32, 175-186.

Hun Sik Kim, Myoung Sook Han, Kun Wook Chung, Sunshin Kim, Eunshil Kim, Myoung Joo Kim, Eunkyeong Jang, Hyun Ah Lee, Jeehee Youn, Shizuo Akira, and Myung-Shik Lee. 2007. Toll-like Receptor 2 Senses β-Cell Death and Contributes to the Initiation of Autoimmune Diabetes. Immunity. 27, 321-333.


 

posted by 글쓴이 과학이야기

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라스단백질(Ras Protein)은 세포성장신호를 조절하는 중요 단백질로, 약 30%의 암 환자에서 돌연변이가 발생하는 것으로 알려지고 있습니다.

수 많은 거대 다국적 제약회사들은 지난 20년간 엄청난 투자를 통해 라스를 제어할 수 있는 항암제를 개발하고 있습니다.

라스가 암을 유발하려면 세포막으로 이동해야 한다는 점에 착안하여, 라스의 이동을 막아 활성을 억제하는 항암제를 개발하고자 시도하였지만, 임상실험에서 효과가 적고 부작용이 발생해 대부분 실패하였습니다.

최근 일부 항체 항암제들이 돌연변이 라스로 인한 암환자에게 효과가 없다는 사실이 밝혀짐에 따라, 라스를 제어하는 항암제 개발의 필요성은 더욱 절실해진 상황입니다.

이처럼 항암제 개발에 가장 큰 걸림돌로 알려진 라스단백질을 제어할 수 있는 새로운 원리가 규명됐습니다.

연세대 최강열 교수팀은 돌연변이가 발생해 기존 항암제로도 치료되지 않는 '라스'라는 암발생 인자를 제어할 수 있는 새로운 원리를 밝혀냈습니다.

최강열 교수팀은 라스단백질에 인산이 붙어 분해됨으로써 라스의 활성도 제어할 수 있음을 명확히 규명해 신개념 라스제어 항암제 개발의 단초를 열었습니다.

최 교수팀은 세포의 성장조절 신호전달체계인 윈트신호 전달계를 저해시키는 인자인 인산화 효소(GSK3beta)가 윈트신호를 억제하여 라스를 인산화시키고, 인산화된 라스에 단백질 복합체(베타티알시피-E3라이게이스)가 결합하여 유비퀴틴화를 촉진시킴으로써 라스가 프로테아좀(세포내 단백질 분해장소)으로 이동해 분해되어 없어져 암 유발이 억제된다는 사실을 밝혀냈습니다.

향후 이 원리를 활용해 라스를 분해하여 인체에 흡수가 잘 되는 저분자 항암제를 개발할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구는 최강열 교수가 주도하고 윤종복, 김호근 교수 및 정우정, 윤주용 박사과정생이 참여했습니다.

연구결과는 사이언스지의 자매지인 세포신호전달분야 '사이언스 시그널링(Science Signaling)'에 4월 10일자로 게재되었습니다.
(논문명: Ras Stabilization Through Aberrant Activation of Wnt/beta-catenin Signaling Promotes Intestinal Tumorigenesis)


<연 구 개 요>

Ras Stabilization Through Aberrant Activation of Wnt/beta-catenin Signaling Promotes Intestinal Tumorigenesis Jeong, W.J. et al. (Science Signaling - 2012. 4.10)

라스(Ras)는 21 킬로달톤(KDa) 크기의 작은 지(G)-단백질들의 그룹에 속하며, 포유동물에서 K-, N-, H-Ras의 세 종류가 대표적인 것들로 알려져 있다. 라스가 처음으로 밝혀진 이후 30년의 세월이 지났지만, 라스는 여전히 암과 관련하여 가장 중요한 연구개발 대상으로 남아있다.
라스는 세포성장을 조절하는 중요한 단백질로 아랫단계인 어크(ERK) 및 PI3 kinase-Akt 신호전달계들을 한꺼번에 조절할 수 있는 신호전달의 스위치적인 역할을 수행한다. 정상적인 상황에서는 윗 단계로부터 유입되는 상피세포성장인자(EGF)와 같은 세포성장신호에 여부에 따라 GDP 혹은 GTP가 결합함으로 인해 불활성화 혹은 활성화 상태로 전환되며 신호전달을 조절한다(그림 1).

 

그림 1. 라스는 GDP가 결합된 불활성화 상태로 존재하다가 윗 단계에서 EGF와 같은 세포 성장 신호를 받게 되면 GDP가 GTP로 치환되어 Ras-GTP 형태가 되어 활성화된다.  활성화된 Ras-GTP는 가수분해작용에 의해 Ras-GTP 형태로 돌아와 불활성화 되며 이 같은 구조변경을 통하여 세포성장 조절에 중요한 스위치적인 역할을 한다.

라스가 세포성장 신호를 전달하는 기능을 수행하기 위해서는 세포막에 존재해야만 하는데, 파네실트란스퍼라제(Farnesyltransferase)라는 효소가 파네실화시켜서 라스를 기능을 수행하는 세포막으로 옮겨지도록 한다

 

그림 2. 라스 단백질이 기능을 수행하기 위해서는, 세포질에서 만들어진 이후 세포막으로 이동해야 하는데, 이를 위해서는 파네실트란스퍼라제(Farnesyltransferase)같은 효소에 의해 파네실화(그림에서 갈색 선들)가 일어나야만 세포막을 존재할 수 있게 되며, 이때 GTP가 결합한 형태의 활성화된 라스가 아랫단계로 신호를 전달한다.

라스유전자에 돌연변이가 일어난 암환자들에서는 라스가 항상 GTP가 붙는 비정상적으로 활성화되어있는 형태로 만들어지며, 이 경우 GDP가 붙은 불활성화 상태로 돌아가지 못해 아랫단계로 항상 세포성장 신호를 보내는 결과가 되어 암 발생에 기여한다.  
  
이번 최강열 교수 연구진의 연구는 윈트(Wnt)라는 또 다른 세포성장 신호전달계를 통해 라스단백질이 분해될 수 있음을 밝혔으며, 이 때문에 돌연변이에 의해 GTP가 붙은 활성화형태의 라스가 만들어진다 해도, 분해되어 없어지기 때문에 암이 생기지 않음을 밝혔다.
이 연구는 수많은 연구자들이 지금까지 연구해온 라스라는 중요 단백질이 단백질분해수준에서 조절될 수 있음을 보여준 최초의 연구라는데 중요성이 있다고 하겠다.
더욱이 이 같은 조절이 사람과 동물의 암 발생에 중요한 역할을 수행한다는 것을 환자샘플과 모델동물을 이용해 확인했다. 새로운 라스분해 원리를 요약하면, 윈트신호전달이 낮게 유지되는 상황에서 (예로서 윈트신호전달계의 신호억제 인자들인 Apc 혹은 Axin가 과발현 등으로 기능을 잘 수행할 경우) GSK3b라는 인산화효소가 활성상태가 되어 트레오닌(Thr)-144, 와 Thr-148 번을 인산화 시킨다. 
이같이 인산화된 라스는 베타티알시피(b-TrCP)-E3-ligase 라는 단백질 분해에 관련되는 물질복합체가 결합할 수 있고, 이를 통해 라스는 유비퀴틴화 되어 26S 프로테아좀에 시스템에 의해 분해된다. 

 

그림 3.  (+) 혹은 (-) Wnt 신호에 따른 라스 단백질의 분해 조절 메커니즘

그림 4. 라스 단백질이 윈트신호전달계를 저해하는 효소인 GSK3b에 의해 트레오닌-144(Thr-144)와 Thr-148 번의 아미노산 잔기들에 인산화 됨을 직접적인 인산화 실험을 통해 입증함.  라스의 인산화는 LC-MS/MS 분석방법으로 밝혔다.

그림 5. 라스가 인산화 되는 아미노산들인 Thr-144 와 Thr-148에 돌연변이를 유도한 돌연변이형 라스들을 이용해, 이들 아미노산 잔기들의 인산화가 유비퀴틴화를 통한 라스 분해에 중요함을 보여주는 데이터임.

암을 유발할 수 있는 형태(GTP결합)의 활성화된 라스의 경우, APC의 돌연변이같은 비정상적인 윈트신호에 의해 분해되지 않고 축적되면, 비정상적인 세포성장을 유도하여 암이 유발될 수 있다.
보통의 경우에는 돌연변이가 일어난 형태의 라스가 많이 만들어 진다고 하더라고 분해되어 암 발생을 유도하지 않으나, APC의 돌연변이에 의해서, 윈트신호가 활성화된 경우에는, 돌연변이가 일어난 GTP-Ras가 분해되지 않고 많이 축적되게 되어 아랫단계에 비정상적으로 세포성장 신호를 보내어 암을 발생시킴을 암환자와 동물모델을 통해 확인되었다.

 

그림. 6. APC의 돌연변이에 의해 윈트 신호전달계가 활성화됨에 따라 라스가 증가된 마우스에서 암이 발생된 경우를 보여주는 데이터임. ApcMin/+과 Apc1638N 두 종류의 APC가 돌연변이된 마우스를 사용했으며, 라스의 활성화가 아랫단계의 ERK와 전사인자인 ATF까지 활성화시킴을 보여주고 있다. 이 경우 APC의 돌연변이에 의해 윈트신호전달계가 활성화 되었을 때 라스의 분해를 예측하게 하는 인산화형태의 라스(p-Ras)는 반대로 줄어듦을 보여줌으로써, 라스의 인산화 억제 때문에 라스 단백질의 양이 증가됨을 암시하고 있다.

이 같은 동물수준에서의 윈트신호에 의한 라스안정성 조절이 사람의 암 발생에서도 중요함을 사람의 대장암샘플을 이용하여 확인하였다.

이 경우 사람의 APC가 유전적으로 돌연변이가 일어난 FAP (familial type adenomatos polyposis coli) 환자샘플을 이용하여, 라스의 인산화 및 양적 상태를 윈트신호전달계 활성화 상황과 비교하여 보여주었다.

그림 7. APC가 돌연변이가 있는 가족력을 가진 환자(FAP; familial type adenomatos polyposis coli-사진 좌측아래)의 대장암 조직에서 윈트 신호전달계 활성화 마커인 베타카테닌(b-catenin)과 라스가 동시에 증가되나 인산화가 일어난 라스는 반대로 감소함을 보여주는 결과다. 오른쪽 그림은 다양한 암 진행 상태에서 베타카테닌과 라스가 비례적으로 증가하나, p-Ras는 감소함을 보여 준다.


-오늘날 라스를 타깃으로 하는 항암제 개발의 한계점- 

대장암을 비롯한 대부분의 암에서는 활성화 형태의 라스돌연변이가 매우 높은 비율로 발견되고 있으며(대장암에서는 30-50%, 췌장암에서는 90%), 이 같은 돌연변이는 결합된 GTP가 가수분해 될 수 없는 활성화형태로서 지속적으로 세포성장신호를 보내기 때문에 암이 발생하는데 기여한다.
라스가 암 발생, 특히 진행에 가장 중요한 원인인 것이 잘 밝혀진 이유로 해서, 활성화된 라스를 제어하는 항암제 개발은 라스와 암과 관련성이 발견된 이후, 수많은 암연구자들은 물론 제약회사에서 크게 관심을 가져왔다.
대표적인 라스 제어 항암제 개발방법으로 시도된 것은 뉴클레오타이드 유사물질을 이용하여, 활성화된 GTP-Ras에서 라스를 떼어내려는 시도를 하였으나, GTP-Ras간의 결합력이 워낙 강해 GTP의 결합을 못하게 하는 유사물질 개발은 대부분이 실패했다.
또한 라스에 결합하여 그 활성을 억제하는 저분자화합물을 개발하려는 시도도 라스단백질의 구조상 저분자 화합물이 달라붙을 수 있는 공간이 마땅하지 않아 (그림 8) 이에 대한 연구개발도 대부분 실패로 끝났다. 

 

그림 8. 라스는 GTP(붉은색)가 높은 친화력을 가지고 달라붙어있고, 또한 구조적으로 저분자 화합물이 붙기 힘든 구조를 취하고 있다.

앞서 설명한 바와 같이 라스가 기능을 수행하기 위해서는 작용하는 장소인 세포막으로 위치 이동되는 것이 매우 중요하다. 따라서 라스가 세포막으로 이동하는데 필요한 파네실화(Fanesylation)를 억제하는 파네실트랜스퍼라제 저해제(Farnesyltransferase inhibitor; FTI)는 지난 20년간 수많은 암 연구자들과 제약회사들에 의해서 항암제 개발이 시도되었다.
하지만 이 저해제에 의해서 라스의 파네실레이션이 억제되어도 저라닐저라닐레이션(Geranylgeranylation)이라는 부수적인 지질화에 의해서 여전히 세포막으로 이동할 수 있음이 밝혀졌다.
따라서 파네실트렌스퍼라제 저해제 항암제개발에 제동이 걸렸으며, 이와 더불어 효과나 안정성 부작용 등의 문제가 밝혀짐으로써, 현재로서는 많은 연구자의 경우 라스를 직접 조절 할 수 있는 항암제 개발은 실패로 끝났다! 라고 판단하는 상황에 있다.
하지만 라스를 직접 제어하는 항암제 개발의 중요성에 대해서는 아직 모두 인정하고 있는 상황이다. 오늘날 많이 사용되기 시작했으며, 2017년까지 판매가 급증 하리라 예상되고 있는 차세대의 항암제로 알려진 상피세포성장인자수용체(EGFR) 작용하는 특이적인 상피세포성장인자 수용체 단클론항체항암제(EGFR mAb)들이 K-Ras에 돌연변이가 있는 환자에서 효과가 없음이 밝혀짐으로서 라스를 직접 제어하는 항암제 필요성은 그 어느 때 보다 더욱 절실 하다고 하겠다.

-연구 의의-

라스를 분해시키는 메커니즘을 밝힌 이번 연구결과는 돌연변이가 일어나 활성화된 라스를 가지는 암환자를 치료할 수 있는 한계극복용 라스제어 화합물 항암제를 개발하기 위한 초석이 될 전망이다.
최강열 교수 연구진은 현재 연구를 통해 라스를 분해하는 저분자화합물을 화합물라이브러리 스크리닝을 통해 발굴하였고, 종양저해 효과를 확인하였으며, 같은 대학의 한균희 교수와 공동으로, 유사화합물들을 합성하여 약효가 증진되고 안정성 있는 항암제로 개량하는 연구를 진행하고 있다.
이들 화합물항암제들은 돌연변이에 의해 활성화된 라스를 분해하는 혁신적인 항암제로 개발될 수 있을 전망이다. 이 저분자 라스분해 항암제는 파네실트란스퍼라제 항암제들의 개발이 실패로 돌아간 상황에서 직접적으로 라스를 제어하는 한계 극복형 항암제가 될 전망이다.
특히 이 화합물들은 라스에 직접 작용하기 때문에, 상피세포수용체(EGFR) 단클론항체항암제들에 효과를 보지 못하는 K-Ras 돌연변이 환자들의 치료에 적용할 수 있는 한계극복용 항암제가 될 전망이다.
마지막으로 라스의 경우 ERK 신호전달계는 물론, 라스가 조절하는 것으로 알려진 암 발생과 관련된 또 하나의 중요 신호전달계인 PI3 kinase-Akt 신호전달계를 조절하기 때문에 오늘날 항암제의 개발 방향인 이상적인 다중타겟항암제가 될 전망이다.
실제 2012년 현재 많은 연구자들이 ERK와 PK3 kinase-Akt 신호전달계를 각각의 신호전달계들을 저해하는 항암제들이 함께 처리했을 때(combinatory therapy시) 항암효과가 뛰어남이 관찰되었는데, 연구진이 개발하고 있는 라스분해 항암제의 경우는 단일 화합물로 이들 주요 신호전달계들을 동시에 제어할 수 있는 이상적인 항암제가 될 전망이다.


 용  어  설  명

윈트(Wnt) 신호 :
암세포의 성장과 전이의 대표적인 작동경로

유비퀴틴(Ubiquitin) :
76개 아미노산으로 구성된 단백질로 매우 작고, 다른 단백질과 결합해 분해를 촉진함

Ras (라스) :
표피세포성장인자(EGFR; epidermal growth factor receptor)등으로부터 시작된 세포성장신호를 조절하는 스위치 역할을 하는 21 kDa의 작은 단백질이며(종종 small G protein family라 불리고 일반적으로는 K-, N-, H-Ras가 대표적임), GTP-와 GDP가 결합하여 활성화 불활성화 되며, Raf-MEK-ERK와 PI3 kinase-Akt 신호전달계들을 조절할 수 있다.

Farnesyl transtransferase inhibitor (파네실트란스퍼라제 억제제) : 
라스 신호전달계에서 라스가 세포막으로 이동하는데 필요한 파네실화(farnesylation)를 방해하여 라스에 의한 신호전달을 차단하여 암 발생을 저해하는 항암제로 개발되어 왔으나 제한적인 약효와 독성, 부작용 등으로 항암제로서 개발이 중단된 상황이 많다.  
 
얼비툭스/시툭시매브[Erbitux/Cetuximab) :
상피세포성장인자(EGFR; epidermal growth factor receptor)에 작용하여 EGFR의 기능을 억제하는 단클론항체항암제로, 전이성대장암을 비롯한 몇몇 암에 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 

Adenomatos polyposis coli (APC) :
윈트신호의 저해인자로 작용하는 인자로 암이 시작되는 것을 억제하는 인자로 작용하며, 대장암 환자들에서 90%의 높은 비율로 돌연변이가 발견되며, 이 돌연변이는 암 발생에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 

Familial type adenomatos polyposis coli (FAP) :
가족력으로 Apc(adenomatous polyposis coli) 유전자에 이상이 생긴 암환자로, 젊은 시기인 20-30세에 발병하며 대장에 수많은 폴립이 발생된다

 

<최강열 교수>

1. 인적사항                          

 ○ 성 명 : 최강열  
 ○ 소 속 : 연세대학교 생명시스템대학 생명공학과  단백질기능제어이행연구센터(ERC) 

2. 학력사항
  1978.2 - 1985.2   연세대학교  생명공학 학사   
  1988.8 - 1993.8  퍼듀대학교  생화학/생명과학 박사 
    
3. 경력사항 
  1993.9 - 1995.2     하버드 의과대학 생화학-분자약리학 박사후연구원
  1995.2 - 2001.8    연세의대 생화학-분자생물학교실 조/부교수
  2001.8 - 2004.8   연세대학교 공과대학 생명공학과 부교수
  2004.9 - 현재  연세대학교 생명시스템대학 생명공학과 교수
  2006.3 - 2007.2  연세대 유전체 협동과정 주임교수
  2003.1 - 현재  Experimental and Molecular Medicine, Editor
  2009.1 - 현재  Journal of Biochemistry, Associate Editor
  2007.1 - 현재  The Open Chemical and
    Biomedical methods Journal, Editorial Board
  2009.1 - 현재  World Journal of Stem Cells,  Editorial Board
  2009.9-2010.7         연세대 생명공학과 학과장
  2005.3 - 2009.8  국가지정연구실(NRL) 책임자
  2009.2 - 현재  단백질기능제어이행연구센터(ERC) 센터장 

4. 주요성과 

Woo-Jeong Jeong, Juyong Yoon, Jong-Chan Park,Soung-Hoon Lee, Seung-Hoon Lee, Saluja Kaduwal Hoguen Kim, Jong-Bok Yoon,  Kang-Yell Choi. 2012. Ras Stabilization Through Aberrant Activation of Wnt/beta-Catenin Signaling Promotes Intestinal Tumorigenesis. Science Signaling. 5, 1-14.

Byung-San Moon, Hyun Yi Kim, Mi-Yeon Kim, Dong-Hwa Yang, Jong-Min Lee, Kyung-Won Cho, Han-Sung Jung, and Kang-Yell Choi. 2011. Sur8/Shoc2 Involves Both Inhibition of Differentiation and Maintenance of Self-renewal of Neural Progenitor Cells via Modulation of ERK Signaling. Stem Cells. 29, 320-331

Ju-Yong Yoon, Kyoung-Hwa Koo, and Kang-Yell Choi. 2011. MEK1/2 Inhibitors, AS703026 and AZD6244, may be potential therapies for K-rasMutatedColorectalCancerthatisresistantto EGFR Monoclonal Antibody Therapy. Cancer Research. 71:445-453.

Dong-Hwa Yang, Ju-Young Yoon, Soung-Hoon Lee, Vitezslav Bryja, Emma R. Andersson, Ernest Arenas, Young-Guen Kwon, Kang-Yell Choi. 2009. Wnt5a is Required for Endothelial Differentiation of Embryonic Stem Cells and Vascularization via Pathways Involving Both Wnt/Beta-Catenin and PKCa. Circulation Research. 104, 372-379.

Sung-Eun Kim , Ju-Yong Yoon, Woo-Jeong Jeong, Soung-Hoo Jeon, Yoon Park, Jong-Bok Yoon ,Young Nyun Park, Hoguen Kim, and Kang-Yell Choi. 2009. H-Ras is degraded by Wnt/b-catenin signaling via b-TrCP-mediated polyubiquitination. Journal of Cell Science. 122, 842-848. (Cover paper/highlight paper)

Kang-Yell Choi., D. M. Lyons, and E. A. Elion. (1994). Ste5 thether multiple protein kinase in the MAP kinase cascade required for mating in Saccharomyces cerevisiae. Cell. 78, 499-512.

  

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HAUSP 효소와 펩타이드 vif1과 vif2의 복합체 입체구조

일반적으로 항암치료는 p53이라는 암발생 억제 단백질의 발현을 통해 진행됩니다.


이 단백질이 분해되지 않고 오랫동안 기능을 유지해야 항암효과를 극대화 할 수 있습니다.

p53은 단백질 분해억제 효소(HAUSP)와 단백질 분해 유도 효소(MDM2)에 의해 조절되는데, 두 효소를 적절히 조절할 수 있는 물질을 개발하는 것이 이 분야 연구의 핵심과제입니다.

한국생명공학연구원 김명희 박사팀이 암발생 억제기능을 수행하는 단백질 p53을 안정화 시키는 물질을 발견해 신규 항암치료제 개발의 발판을 마련했습니다.


연구팀은 포항방사광가속기의 빔라인을 이용하여 HAUSP 효소와 바이러스 단백질의 복합체 입체구조를 규명함으써 바이러스에서 유래한 펩타이드 vif1과 vif2가 HAUSP 효소의 기능을 억제, 결과적으로 p53 암억제 단백질을 안정화시킨 다는 것을 확인했습니다.

펩타이드는 아미노산의 중합체로, 일반적으로 소수의 아미노산이 연결된 형태를 펩타이드라 부르고, 많은 아미노산이 연결되면 단백질이라고 합니다.

연구진은 각각의 vif1, vif2 펩타이드를 낮은 농도로 암을 유발시킨 쥐에 처리했을 때 암세포의 사멸을 유도함을 확인했습니다.

암을 유도한 쥐에 대한 vif1, vif2 펩타이드의 암억제 효과

특히 기존 MDM2의 기능을 억제하여 p53을 안정화 시키는 기작의 항암치료제인 Nutlin-3a 보다 더 강한 잠재성을 지니고 있음을 증명했습니다.

HAUSP는 중요 항암치료제의 표적단백질로서, HAUSP와 이의 기능을 제어할 수 있는 펩타이드의 발견은 매우 의미 있는 결과입니다.

특히, 현재 미국에서 임상 개발중인 p53의 안정화 항암치료제인 Nutlin-3a 보다 더 강력한 잠재성을 지니고 있어 새로운 항암치료제를 제시했습니다.

MDM2에 의한 p53의 분해 (왼쪽)와 vif1, vif2 펩타이드에 의한 p53의 안정화 (오른쪽)

이번 연구는 한국생명공학연구원 김명희 박사팀과 미국 서던 캘리포니아 대학교(University of Southern California)의 정재웅 교수팀과의 국제 공동연구를 통해 수행되었습니다.

이번 연구결과는 구조생물학 연구 분야의 세계 최고 권위의 학술저널인 'Nature Structural and Molecular Biology(IF=13.7)'지 11월 온라인판에 발표되었고, 미국 특허 가출원도 완료했습니다.

 용  어  설  명

HAUSP :
Herpesvirus-associated ubiquitin-specific protease (HAUSP) 또는 Ubiquitin-specific-processing protease 7 (USP7)로 알려져 있는 효소.
 이 효소의 탈유비퀴틴화 활성은 유비퀴틴 결합과정 (유비퀴틴화)의 반대로 작용하여 유비퀴틴화된 기질단백질을 안정화시킨다.
p53 단백질은 DNA 손상과 같은 스트레스에 대해 세포성장 억제와 세포사를 유도하는 발암 억제단백질로 세포내 p53 수준은 p53으로부터 유비퀴틴을 제거하는 HAUSP와 p53에 유비퀴틴을 결합시키는 MDM2 유비퀴틴 접합효소에 의해 조절된다.
즉, HAUSP는 p53의 유비퀴틴을 제거하고 안정화 시키는 효소이다. 장상적인 상태에서 HAUSP는 p53보다 MDM2와 강하게 결합하여 MDM2를 안정화시킴으로써 p53의 수준을 낮게 유지한다. 
  
유비퀴틴(Ubiquitin) : 
76개의 아미노산으로 구성되어 있는 단백질이다.
알려진 주요 기능은, 유비퀴틴이 다른 단백질에 결합함으로써 단백질의 분해를 촉진하는 것이었다.
그러나 최근 들어 유비퀴틴의 다른 기능들이 밝혀지고 있다.

KSHV :
Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus (KSHV)는 암발생 바이러스로 기회감염 병원체(opportunistic pathogen)로 분류된다.
그 이유는 정상적인 면역 기능을 갖고 있는 사람에게는 질병을 야기하지 않지만 HIV(human immunodeficience virus)에 감염되어 면역계 기능이 약화되거나 장기 이식 수술 후 면역억제제 복용으로 면역계 기능이 취약한 사람들에게 질병을 야기할 수 있기 때문이다.
KSHV에 의해 발병하는 대표적인 암으로는 에이즈 환자에게서 가장 흔하게 발병되는 카포시육종과 같은 악성 피부암이 등이 알려져 있다.

vIRF4 :
KSHV의 바이러스 인터페론 조절인자 (viral interferon regulatory factor) 중 하나로 주로 숙주의 인터페론-매개 선천성 면역을 저해하는 것으로 알려졌다.

p53 :
p53 단백질은 전사인자 (transcription factor)로서 세포의 사멸에 관여하는 유전자의 발현을 조절하여 암 세포와 같은 비정상적인 세포의 발생을 효과적으로 차단함으로써 암 발생 억제 기능을 수행한다.
정상세포에서 p53의 세포사멸조절 활성은 엄격하게 통제되고 있다.
p53 기능의 소실은 종양발생의 중요한 단계로 50% 이상의 암환자가 p53의 기능 이상이 있는 것으로 알려져 있다.

MDM2 :
p53의 세포내 주준을 조절하는 단백질로 p53을 유비퀴틴화 할뿐만 아니라, 스스로를 유비퀴틴화(self-ubiquitination) 하기도 한다.
세포내에 p53이 많을 경우 MDM2의 발현이 증가되고 증가된 MDM2는 p53의 유비키틴화를 촉진하여 분해시키므로 p53과 MDM2는 자동조절경로 (MDM2-p53 autoregulatory loop)를 통하여 세포내에서 서로의 농도를 조절한다. MDM2-p53의 세포내 밸런스의 파괴는 세포의 비정상화 또는 암을 유발하는 것으로 알려져 있다. 실제로 암세포에서 MDM2의 발현이 높다고 보고되었다.

Nutlin-3a :
Nutlin-3는 MDM2에 결합해 MDM2와 p53 단백질 간 결합을 저해하는 소형분자 화합물로서 고형암 등의 치료를 위해 현재 임상에서 개발 중인 항암 약물이다.

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암은 현대 인간에게  가장 높은 사망 원인을 제공하는 질병입니다.

인체 내에 존재하는 면역세포를 이용한 암 치료 기술은 2010년 4월 최초로 미국 덴드리온사가 FDA의 승인을 받은 바 있습니다.

그러나 이 치료법은 환자에서 약 40일정도의 생존 연장을 주는 것에 만족해야 합니다.

이런 가운데 나노융합기술 기반의 신개념 항암 면역세포 치료기술로 항암 치료 능력을 획기적으로 높일 수 있는 기술이 고려대 김영근 교수팀과 서울대병원 박영배 교수팀으로 구성된 공동 연구팀에 의해 개발됐습니다.

복합기능 산화철-산화아연 나노입자 모식도, 투과전자현미경 사진 및 자기적, 광학적 특성


공동 연구팀은 융합연구를 통해 내부는 산화철, 껍질은 산화아연으로 구성된 코어-쉘 구조의 나노입자를 제조한 후 수지상세포에 탑재하고, 이에 대한 동물실험을 통해 종래의 수지상세포 치료기술보다 항암 치료 능력이 뛰어난 결과를 얻었습니다.

환자에 수지상세포를 주사하면 림프절로 이동하여 암세포를 죽일 수 있는 T-세포를 교육시키고, 수지상세포로부터 교육 받은 T-세포는 암 조직으로 이동해 암세포의 증식을 억제합니다.

즉, T-세포는 암에 맞서 최일선에 싸우는 병정 세포라 볼 수 있고, 수지상세포는 T-세포가 암과 잘 싸울 수 있게 T-세포를 자극시키는 훈련관이라 할 수 있는 것입니다.

개발된 산화아연 결합 펩타이드와 나노입자의 친화도 분석 결과.


따라서 T-세포가 암의 특징(항원)을 잘 인식할 수 있도록 충분한 양의 항원을 수지상세포에 탑재하는 것과, 환자의 림프절에 많은 수지상세포가 이동하도록 하는 것이 수지상세포를 이용한 면역세포치료의 핵심사항입니다.

기존의 방식들은 이러한 종양특이항원의 탑재효율이 낮거나 이를 객관적으로 모니터링하는 것이 어려워 항암치료에 어려움을 겪어왔습니다. 

이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 직경 10nm의 나노입자에 초정밀 기술을 활용해 항암 면역 세포치료에 필요한 3가지 기능을 동시에 갖도록 했습니다.

암 항원과 나노입자의 수지상세포 내 도입 효율을 분석 결과.


이번에 개발한 나노입자는 마치 호두처럼 내부는 산화철(Fe3O4), 껍질은 산화아연(ZnO)으로 이뤄진 구조로입니다.
 
산화철은 자성을 띄므로 자기 MRI 영상, 산화아연은 반도체로서 발광현상에 의한 형광영상을 각각 제공합니다.

나노입자의 체내 독성 또한 향후 임상에 영향을 미칠 수 있으므로 연구진은 재료선택 시 이러한 점을 고려했다고 합니다.

산화철 나노입자는 이미 MRI 영상조영제로서 널리 쓰이고 있고, 산화아연 나노입자는 자외선차단제인 선블럭 크림에 쓰이고 있어 다른 반도체 재료보다 독성이 없음이 이미 알려져 있는 소재입니다.

또한 산화아연 표면에 스카치테이프 역할을 하는 생체분자인 펩타이드 서열을 고안하여 대장암, 위암 같은 암세포에만 있는 분자항원을 나노입자에 부착할 수 있도록 설계했습니다.

MRI를 이용한 세포 및 생체내 나노입자 영상 분석 결과.


이러한 복합구조의 나노입자를 수지상세포에 넣고, 암에 걸린 쥐에 주사하였을 때, 다른 대조군에 비해 현저히 향상된 항암효과를 관찰할 수 있습니다.

또한 개발된 나노입자 구조체는 기존의 MRI 조영제와 달리 약 1시간 내에 수지상세포 탑재가 가능하고, 종양특이항원의 수지상세포 내 전달, 수지상세포의 인체 내 전달을 동시에 확인할 수 있는 다기능성을 보유하고 있습니다.

이번 연구결과는  '나노기술 분야의 최고 권위의 학술지인 영국의 '네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 9월 11일자 온라인 판에 "A multifunctional core-shell nanoparticle for dendritic cell-based cancer immunotherapy"란 제목으로 게재됐습니다.

이번 연구에는 국립암센터 이상진 박사 , 김대홍 박사, 포항공대 생명과학부 양재성, 김상욱 교수가 참여하였고, 서울대 박사과정 정택진 학생, 고려대 박사과정 민지현 학생, 고려대 우준화 연구교수가 실험을 진행했습니다.

현재 본 연구와 관련한 나노입자 제조기술은 이미 우리나라, 일본, 미국 특허가 등록된 상태이며, 펩타이드를 포함하는 산화아연 복합체 기술은 PCT 특허를 출원한 상태입니다.


 용  어  설  명
 
복합기능 나노입자 :
MRI촬영에 활용 가능한 자기적 특성, 형광영상 촬영에 가능한 광학적 특성, 암항원의 수지상세포내 전달에 필요한 생체기능성 등 두 가지 이상의 기능을 동시에 구현할 수 있도록 고안된 나노입자.

펩타이드 서열 :
여러 개의 아미노산이 공유결합으로 연결된 중합체. 일반적으로 크기가 작은 단백질을 일컬음.

수지상세포 기반 항암 면역치료기술 :
선천면역계화 후천면역계를 기능적으로 연결하여 면역반응을 활성화 시키는데 핵심적인 역할을 수행하는 면역세포인 수지상세포를 인위적으로 조절하여 암에 대한 면역반응을 증강시킴으로서 암을 치료하는 환자 맞춤형 의료 신기술. 미국 FDA는 2010년 덴드리온사의 전립선암에 대한 수지상세포 치료제를 최초로 허가하였다.


 

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  1. 와, 앞으로 암을 퇴치할 수 있는 방법이 더 많아졌군요. 선배님의 과학관련된 글이 정말 재밌습니다.^^
    어려운 과학용어같은 경우 공부를 따로 하시는건지요?

◆신약재창출을 통해 세상에 나온 비아그라

최근 다국적 제약회사들은 신약개발을 위한 초기 투자비용이 증가하고 신약에 대한 안전성 심사기준이 강화됨에 따라 개발 단계의 후기에 실패하는 비중이 크게 늘어나 생산성과 수익성 악화를 겪고 있습니다.

이러한 위기를 극복하기 위해서는 저비용으로 짧은 기간에 약물을 개발할 수 있는 방법이 절실히 요구되며, 이러한 신약재창출 전략은 약물개발에 소요되는 시간과 비용을 줄이고 개발 성공 확률을 높일 수 있어 앞으로 신약개발의 대안이 될 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

신약재창출은 임상에서 실패한 약물 또는 시판 중인 기존 의약품을 재평가하고, 새로운 약효를 발굴하여 다른 질병의 치료제로 쓰고자 하는 시도를 말합니다.

일반적인 신약개발의 경우 임상과정을 거쳐 신약 승인까지 약 10년 이상의 기간과 10억 달러 이상의 자금이 소요되는 데 반해, 신약재창출의 경우 이미 전임상 또는 임상 초기 단계를 거친 약물이 대상이므로 초기 합성과 최적화 단계를 생략할 수 있고 기존의 임상 독성 자료도 이용할 수 있는 장점이 있습니다.  


전통적인 신약개발 과정(a)과 달리 신약재창출(b)의 경우 이미 전임상 및 임상 초기 단계를 거친 약물 및 후보물질을 대상으로 하므로 질환 표적과 후보물질의 발굴 및 최적화 단계를 생략할 수 있다 [Ashburn & Thor 2004 Nat. Rev. Drug Discov. 3, 673-683]. 따라서 약물 개발에 소요되는 비용과 시간을 줄이고 개발 성공 가능성을 높일 수 있는 장점이 있다.

신약재창출의 대표적 성공사례인 비아그라의 경우 원래 화이자(Pfizer)사에서 고혈압 및 협심증 치료제로 개발 중이었으나 임상에서 약효가 부족한 것으로 판명됐고, 이후 약물 투여량을 증가시키기 위해 임상을 다시 하는 과정에서 새로운 약효를 발견해 발기부전증 치료제로 시장에 출시, 현재 연간 16억 달러 이상의 매출을 기록하고 있습니다.  

구조 기반 신약재창출이란 질환 표적 단백질 간 구조적 유사성에 기초하여 기존 약물과 표적 단백질 간 새로운 교차결합(off-target binding)을 발굴하고 이로부터 기존 약물의 새로운 질환에 대한 치료 효능을 찾아내어 신약으로 개발하는 전략을 말한다.



◆생명공학연구원, 항암 약물 신약재창출 기반 마련

기존에 개발된 항암 약물의 새로운 분자 표적을 발굴을 통해 이미 개발된 약물을 이용, 신약을 재창출할 수 있는 구조 기반 전략이 제시됐습니다.

이번 연구는 한국생명공학연구원 단백체의학연구센터 지승욱 박사팀과 싱가포르 난양공대 윤호섭 박사와의 국제협력을 통해 진행됐습니다.

연구팀은 이번 연구를 통해질환 표적 단백질간의 구조적 유사성에 근거해 기존에 개발된 항암 약물이 원래 표적이 아닌 다른 질환 표적 단백질에도 결합하여 작용한다는 사실을 처음 발견했습니다.

이로부터 기존 약물을 다른 질환의 치료제로 개발하고자 하는 구조 기반 신약재창출(drug repositioning) 전략을 제시했습니다.

이번 연구에서 제시된 '구조 기반 신약재창출 전략'이란, 질환 표적 단백질 사이의 구조적 유사성에 기초하여 기존 약물과 표적 단백질 간 새로운 교차결합(off-target binding)을 발굴하고 이로부터 기존 약물을 신약으로 재창출하는 방법입니다.
 


본 연구에서는 단백질 복합체의 3차 구조 규명을 통해 MDM2 와 Bcl-2계 단백질이 p53 단백질을 결합하는 인식 기전이 매우 유사함을 발견하였다(A). 이를 근거로 하여 p53과 마찬가지로 p53 과 유사한 분자 구조를 가진 항암 약물 Nutlin-3가 여러 질환의 중요한 분자 표적으로 알려진 Bcl-2계 단백질에 교차결합한다는 사실을 규명하였다(B,C).


이를 통해 질환 표적 단백질 사이의 3차 구조적 유사성에 근거해 이미 임상에서 개발 중인 항암 약물 Nutlin-3가 원래 분자 표적인 MDM2 단백질 뿐 아니라 다른 질환의 중요한 분자 표적으로 알려진 Bcl-2계 단백질에도 결합하여 작용함을 새로이 밝혔습니다.

Nutlin-3는 MDM2에 결합해 MDM2와 p53 단백질 간 결합을 저해하는 소형분자 화합물로서 고형암 등의 치료를 위해 현재 임상에서 개발 중인 항암 약물입니다.

연구팀은 핵자기공명분광법에 의한 단백질 복합체의 3차 구조 규명을 통해 질환 표적인 MDM2와 Bcl-2계 단백질이 p53 단백질을 결합하는 인식 기전이 매우 유사함을 발견했습니다.

이러한 질환 표적 단백질 간 구조적 유사성에 근거해 p53 단백질의 구조를 모사하는 항암 약물인 Nutlin-3가 원래 표적인 MDM2 뿐만 아니라 Bcl-2계 단백질에도 결합하여 저해할 수 있음을 규명했습니다.

 

본 연구결과는 Nutlin-3라는 하나의 항암 약물이 MDM2 및 Bcl-2계 단백질과 결합하여 각각 핵에서의 p53 경로 및 미토콘드리아에서의 세포사멸 경로를 동시에 활성화시키는 분자 기전의 모델을 제시하였다. 이로부터 서로 상이한 항암 표적이 매개하는 두 개 이상의 암세포 생존 경로를 동시에 차단함으로써 항암 치료의 상승적 효과를 얻을 수 있다.

Bcl-2계 단백질은 미토콘드리아 세포사멸의 중추적 조절자로서 백혈병, 당뇨, 정신분열증 등의 발병에 관여하는 것으로 알려져 있습니다.

따라서 이번 연구결과는 Nutlin-3와 같은 기존에 개발된 MDM2 저해용 약물들을 이들 질환 치료에 활용할 수 있다는 새로운 신약재창출 전략을 제시했습니다.

이처럼 이번 연구는 1개의 약물이 어떻게 2개의 상이한 질환 표적 단백질에 결합하여 작용할 수 있는지에 관한 분자 수준의 메커니즘을 새로이 규명했습니다.

암과 같은 질환은 복잡하고 다양한 병인에 기인하고 암세포가 서로 상이하므로, 단일 표적의 암 치료제는 치료 효과의 한계를 가질 수밖에 없습니다.

따라서 이번 연구결과와 같이 하나의 약물이 서로 상이한 2개 이상의 표적을 동시에 공격할 수 있다면, 치료 효과의 시너지를 창출할 수 있을 것이고, 더 나아가 이중 표적 기반 질환 제어라는 원천기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

이번 연구결과는 화학분야에서 세계 최고의 권위를 자랑하는 '미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)' 1월 7일자 온라인 판에 발표됐습니다.
(논문명 : Molecular Mimicry-Based Repositioning of Nutlin-3 to Anti-Apoptotic Bcl-2 Family Proteins)

       

posted by 글쓴이 과학이야기

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