바이오인

핵심내용

-네이처 자매지 발표,“유방암, 자궁암 등 항암효과 획기적으로 높일 가능성 열어”

 □ 암세포만을 겨냥해 죽이는 세포사멸수용체(death receptor)의 활성을 조절하는 단백질(FADD)이 국내 연구진에 의해 밝혀져, 향후 유방암, 자궁암 등의 항암효과를 배가시킬 수 있을 것으로 기대된다. 

 ○ 연세대 송재환 교수(45세)와 이은우 박사가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행되었고, 세계 최고 과학전문지 ‘네이처’의 온라인 자매지인 ‘Nature Communications’최신호(7월 31일자)에 게재되었다.

 (논문명: Ubiquitination and degradation of the FADD adaptor protein regulate death receptor-mediated apoptosis and necroptosis)

□ 세포자기사멸(apoptosis)은 특정한 상황에서 동물 세포가 스스로를 신속하고 깨끗하게 죽여 없애는 프로그램화된 과정(programmed cell death)으로, 정상적인 생명체의 배아발생 단계에서부터 필수적으로 작용하면서 정상세포가 암세포로 변하는 것을 막는 중요한 원리이다.

 ○ 암은 다양한 유전자의 변이에 의해 세포가 비정상적으로 분열하며 세포자기사멸에 저항하면서 끊임없이 성장하는 것으로 알려져 있다. 특히 암세포의 세포자기사멸에 대한 저항성은 방사선이나 약물 치료 등 항암요법이 효과적으로 작용하지 않는 중요한 원인이 된다.

 ○ 세포자기사멸은 다양한 신호로 활성화되는데, 크게 세포 외부로부터 시작되는 외인성(外因性) 세포사멸과 세포 내부에서 시작되는 내인성(內因性) 세포사멸로 분류되며, 이 두 가지도 서로 밀접한 관계를 가지고 있다.

 ○ 외인성 세포사멸은 세포사멸수용체(TNFα, TRAIL, FAS 리간드 등)에 의해 활성화되고, 이 수용체들의 공통 연결(adaptor) 단백질(FADD)이 세포사멸수용체를 활성화하여 세포사멸을 유도한다고 알려져 왔지만, FADD 단백질의 활성이 어떻게 조절되는지는 거의 밝혀지지 않았다.

□ 송재환 교수 연구팀은 FADD(파드) 단백질을 분해하는 원리를 처음으로 규명하여, MKRN1(마코린 원) 단백질*을 통해 FADD 단백질의 활성을 조절하는데 성공하였다.

    *) 2005년 연세대 정인권 교수 연구팀이 암세포를 노화시켜 죽이는 단백질임을 규명함(‘Genes and Development’‘ 4월 1일자)

 ○ 송 교수팀은 MKRN1 단백질이 FADD 단백질의 유비퀴틴화*를 유도함으로써 FADD 단백질의 분해를 촉진하여 암세포를 사멸한다는 사실을 밝혀냈다.

    *) 유비퀴틴화(ubiquitination) : 특정 단백질에 유비퀴틴(76개 아미노산으로 구성된 매우 작은 단백질)이 결합하여 해당 단백질의 분해를 촉진하거나 활성화를 조절하는 현상

 ○ 특히 연구팀은 유방암과 자궁암 환자 샘플에서 MKRN1 단백질의 양이 정상세포에 비해 암세포에서 증가되었고, 반면에 FADD 단백질은 암세포에서 감소했음을 확인하였다.

 ○ 또한 연구팀은 유방암과 자궁암 세포주*에서 MKRN1의 기능을 억제하면 FADD 단백질의 양이 증가하여, FADD 단백질이 많은 세포주에 약물(TRAIL)로 항암치료를 하면 종양이 더욱 빠르게 감소하는 등 치료효과가 크게 증가한다는 사실을 동물실험(생쥐)을 통해 검증하였다.

    *) 세포주(cell line, 細胞株) : 적절한 배지와 공간에서 무한하게 증식하는 세포

□ 송재환 교수는 “지금까지 외인성 세포사멸과 관련하여 FADD에 대한 연구가 활발히 진행되지 못했는데, 이번 연구성과는 FADD 단백질의 분해원리를 처음으로 밝혀, MKRN1 활성 저해제를 개발하면 다른 항암요법과 병행하여 치료효과를 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

Apoptosis는 대표적인 programmed cell death mechanism으로 배아발생, 암, 면역 등의 작용에서 매우 중요한 기작이며, 크게 다음과 같은 두 가지로 분류된다. 먼저, intrinsic apoptosis는 세포 내부에서 mitochondrial permeabilization에 의한 cytochrome c의 방출을 통해 apoptosome이 형성되어 caspase-9을 활성화시키는 기작을 말한다. 반대로 extrinsic apoptosis는 세포 외부의 ligand에 의해 death receptor (세포사멸수용체)의 활성화로 이루어진다. 대표적인 death receptor로는 TNF Receptor, TRAIL receptor, Fas/CD95 등이 있으며, 이들 receptor의 활성화는 FADD 단백질 및 caspase-8으로 구성된 DISC (death-inducing signaling complex)를 형성함으로써 apoptosis를 유도하게 된다. 하지만, 다양한 death receptor의 공통의 adaptor 단백질인 FADD 단백질에 대한 조절 작용에 대한 연구는 거의 진행되어 있지 않다.

최근에는 death receptor pathway는 apoptosis 뿐 아니라 necroptosis 또한 유도할 수 있는 것으로 보고 되고 있다. Necroptosis는 programmed necrosis를 지칭하는 말로, 기존에 단순한 물리적 충격에 의한 수동적인 세포 사멸인 necrosis (세포괴사)와 구별되는 특정한 signal에 의해 일어나는 능동적인 반응인 또 다른 programmed cell death를 지칭하는 말이다. Necroptosis는 배아 발생 및 염증반응에 매우 중요한 것으로 보고되고 있지만, 아직까지 많은 연구가 되어있지 않은 실정이다.

또한, TRAIL은 정상세포에 대한 부작용이 거의 없고, 여러 종류의 치료하기 어려운 암에 효과적인 성격으로 인해, 현재 좋은 항암제 후보군으로 평가되고 있지만, 여전히 TRAIL에 저항성을 지니는 많은 암들이 보고되고 있다. 따라서 TRAIL의 저항성을 가지는 원인 규명 및 TRAIL 치료효과를 극대화 시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
 
본 연구에서는 FADD 단백질의 분해과정이 MKRN1이라는 E3 ubiquitin ligase 단백질에 의한 ubiquitination에 의해 조절됨을 밝혀내었다. 또한, siRNA를 사용하여 MKRN1의 발현을 억제시켰을 경우(knockdown), anti-Fas, TRAIL 및 TNF에 의한 caspase-8-dependent apoptosis가 증가함을 관찰하였고, caspase-8/10과 FADD로 구성된 DISC complex가 강하게 형성되어 있음을 확인하였다. 또한, MKRN1을 knockdown 하였을 경우, FADD 단백질의 양이 증가함을 확인하였고, 반대로 MKRN1을 과발현 하였을 경우, FADD 단백질이 ubiquitination되어 분해됨을 확인하였다.

또한 MKRN1 단백질은 유방암 및 자궁경부암에서 발현이 증가되어 있음을 확인하였고, 유방암에서 FADD 단백질과의 음의 상관관계(inverse correlation)가 있음을 확인하였다.

MDA-MB-231이라는 유방암 세포주의 MKRN1의 발현을 낮추었을 경우, TRAIL에 의한 세포사멸효과가 크게 증가하는 것을 관찰 할 수가 있었다. 이 세포주를 누드마우스에 주입하여 유방암을 형성하였을 경우, 역시 MKRN1의 발현을 낮춘 암의 경우 TRAIL에 의한 치료 효과가 크게 증가하는 것을 관찰 할 수가 있었다. 

본 연구결과는 MKRN1의 발현의 증가가 유방암 및 자궁경부암의 형성을 유도 할 수 있다는 가설을 제시하였고, 또한 암세포에서 MKRN1의 발현을 억제할 경우, FADD의 활성화를 통한 TRAIL 등과 같은 항암치료에 훨씬 더 효과적으로 작용할 것이라는 사실을 규명하였다. 따라서 MKRN1의 활성을 저해할 수 있는 저해제의 개발이 이루어 진다면, TRAIL 및 다른 항암요법과의 병행치료를 통해 더 좋은 치료효과를 기대할 수 있을 것으로 기대된다.
 

용   어   설   명

1. Nature Communications지
○ 세계 최고 권위 학술지인 Nature의 첫 번째 온라인 자매지로서 생물, 물리, 화학 등의 과학전분야에 걸쳐 가장 중요한 연구결과를 주간으로 발간하는 세계적으로 권위 있는 학술지.

2. 세포자기사멸(세포자살, 아포토시스, Apoptosis)
○ 세포자기사멸은 다세포 생명체에서 일어나는 세포예정사(programmed cell death)의 일종이다. 다양한 환경 및 신호에 의해 야기되는 세포자기사멸은 세포 내부의 변화(DNA 및 핵 절단, 염색질 응축 등)를 일으키며, 결과적으로 세포막이 붕괴되며 세포가 수축된다. 세포자기사멸에 의해 죽은 세포는 다른 세포에 의해 제거되며 세포 내 물질이 재사용되며 염증반응을 일으키지 않는 특징이 있다. 세포자기사멸의 대표적인 예로는 손가락과 발가락사이 부분이 세포자기사멸에 의해서 죽음으로써 형성되는 현상이 있다.

3. 괴사(네크로시스, necrosis) 및 네크롭토시스(Necrotosis)
○ 세포 내부로부터 시작되는 능동적인 세포 사멸과정인 아폽토시스와 구별되는 세포사멸과정인 괴사는 감염이나 독소, 외상과 같은 세포 또는 조직의 외부요소에 발생한다. 최근에는 괴사과정이 능동적인 프로그램에 의해 일어날 수 있다는 사실이 밝혀지면서 프로그램화된 괴사(programmed necrosis) 또는 네트롭토시스(necroptosis)라고 명명하게 되었다. 괴사 및 네크롭토시는 염증반응을 일으키는 특징이 있다. 현재 네크롭토시스는 면역작용, 배아발생과정 및 뇌질환 등에 중요하다고 알려져 있다.
 
4. 유비퀴틴화(Ubiquitination)
○ 유비퀴틴(Ubiquitin)은 76개의 아미노산으로 이루어진 매우 작은 단백질로서, 특정 단백질에 결합하여 일종의 신호를 형성함으로써 단백질의 분해를 촉진하거나 활성화를 조절할 수 있다. 유비퀴틴은 단일 유비퀴틴(mono- biquitin) 형태로 단백질에 결합하기도 하지만, 주로 유비퀴틴이 연속적으로 결합한 형태인 폴리유비퀴틴(poly-ubiquitin)의 형태로 단백질에 결합하게 된다.

5. 세포사멸 수용체(Death Receptor)
○ 세포사멸수용체는 다양한 세포에서 발견되며 외인성세포사멸을 일으키는 주요 단백질이다. 대표적인 세포사멸수용체에는 TNFR, FAS, TRAILR이 있으면 각각의 리간드인 TNF, FAS ligand, TRAIL과의 결합을 통해 활성화 되어 세포사멸을 일으킨다. 세포사멸 수용체는 면역세포에서 발달되어 있는데, 면역반응시 순간적으로 많은 양의 면역세포를 생성한 후, 면역반응이 끝났을 때 면역세포를 효율적으로 제거하기 위한 수단으로 세포사멸 수용체를 이용하게 된다. 세포사멸 수용체의 한 종류인 트레일(TRAIL)은 정상세포에 독성은 없지만, 암세포를 효율적으로 제거할 수 있는 특징이 있어서 트레일을 이용한 항암치료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

6. 마코린1(MKRN1)
○ 유비퀴틴 접합효소(ubiquitin ligase)는 특정 단백질에 유비퀴틴을 연결하는 단백질로 약 수백종류가 알려져 있다. 마코린1은 유비퀴틴 접합효소에 속한 단백질로서 대표적으로 텔로머라아제(telomerase)와 p53 암억제 단백질에 유비퀴틴화를 유도하고 단백질의 분해를 일으키는 것으로 알려져 있다.

사   진   설   명

그림 1. MKRN1은 FADD 단백질의 유비퀴틴화를 통해 분해시킴.

(왼쪽) MKRN1 단백질의 양이 증가할수록, FADD 단백질의 양이 감소하는 것을 western blot analysis로 확인하였다.

(오른쪽) MKRN1 단백질을 넣어줄 경우 FADD 단백질의 ubiquitination이 증가함을 확인하였다.

그림 2. siRNA를 통해 MKRN1 발현을 낮추었을 때, caspase inhibitor에 의한 necroptosis가 증가함.

(왼쪽) 마우스 유래 L929 세포주에 Z (caspase inhibitor)를 처리하였을 경우, necroptosis(네모 안의 숫자)가 유도되는 것을, N (necroptosis inhibitor)의 처리를 통해 알 수 있음. mouse MKRN1의 siRNA (simMK1)를 처리하여 MKRN1의 발현을 억제했을 때, necroptosis가 더욱 증가하는 것을 알 수 있음.

(오른쪽) MKRN1의 발현을 억제 했을 때 necrosome complex (FADD-RIP1-RIP3)가 더 빠르게 형성되는 것을 알 수 있음.

그림 3. 자궁경부암 및 유방암 환자에서 MKRN1의 발현이 증가되어 있음.

그림 4. 유방암에서 MKRN1의 발현을 억제했을 경우, TRAIL의 항암효과가 극대화 됨.

(왼쪽) MKRN1의 발현을 억제한 유방암세포주(shMK1)을 누드마우스에 주입하여, 유방암을 형성 시킨 후, 대조군과 함께 TRAIL을 4일간 처리하였을 때, shMK1에서 TRAIL효과가 크게 나타났음.

(오른쪽) 위와 같은 실험을, TRAIL을 2주간 처리 후, 약 한 달간 암의 성장을 관찰 한 후 해부하여 암의 크기를 비교한 결과 shMK1에서 TRAIL효과가 크게 나타났음.

사진은 송재환 교수(왼쪽)와 이은우 박사가 세포사멸을 현미경으로 관찰하여 세포사멸수용체의 활성화 기작에 대해 논의하고 있다.