바이오인

핵심내용

-네이처 커뮤니케이션지, 유전자 조절 단백질(NF-κB)의 비정상적 활성화 원인 발견

□ 암세포의 자살을 막음으로써 암세포의 성장과 전이를 촉진시키는 원인이 유전자 조절 단백질 간의 상호작용임이 밝혀졌다. 이러한 상호작용을 조절하는 물질을 찾으면, 암세포가 자살하도록 유도하는 방식의 항암제 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 o 충남대학교 의학전문대학원 허강민 교수가 주도하고, 장태준 박사과정 연구원, 김진만, 박종선 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터사업(MRC) 등의 지원으로 수행되었고, 네이처 커뮤니케이션지 6월 25일자 온라인판에 게재되었다.

    (논문명 : PHF20 regulates NF-κB signalling by disrupting recruitment of PP2A to p65)

□ 암세포는 세포 사멸을 억제하는 유전자를 활성화시켜 세포가 죽지 않게 하는 유전자 조절 단백질인 NF-κB*가 비정상적으로 많이 존재함이 알려져 있다. 이 단백질에 세포 내의 신호 전달에서 스위치 역할을 하는 ‘인산기’가 붙으면 세포사멸 유전자를 활성화시키고, 떨어지면 작동을 멈추는데, 이처럼 활성화와 비활성화를 반복하면서 세포 성장과 사멸이 적정 수준으로 조절된다.

     * NF-κB(kappa B) : 세포사멸을 억제하는 유전자의 발현을 유도하는 전사조절인자. 인산기가 붙으면 활성을 띠고 인산기가 떨어져 나가면 활성을 잃는 방식으로 활성이 조절된다. 유방암, 림프종 및 다발성 골수종과 같은 악성종양에서 비정상적으로 많이 존재하는 단백질

     * 인산기(phosphate group) : 인산과 산소로 이뤄진 화학구조로 단백질에 결합하면 단백질의 구조와 기능을 변화시켜 활성화 또는 비활성화시키는 등 신호전달에서 스위치 같은 역할을 한다.

 o 그러나, 특정 원인으로 인산기가 떨어지지 않고, 계속해서 붙어 있으면, 세포사멸 억제 유전자를 계속 활성화시켜 사멸을 막는 인자 등의 과도한 생성을 유도해 암이나 자가면역질환 등과 같은 중증질환으로 발전할 수 있다.

 o 때문에 암세포에서 NF-κB(유전자 조절 단백질)가 과다활성을 띠는 원인을 알아내 이를 선택적으로 조절하려는 연구가 활발했다.

□ 연구팀은 암세포에서 NF-κB가 비정상적으로 활성화되는 원인으로 단백질 PHF20이 NF-κB와 결합하여, NF-κB에 붙어 있는 인산기를 떼어내는 역할을 하는 탈인산화효소(PP2A*)가 NF-κB에 접근하지 못하도록 막기 때문임을 알아냈다.

 o NF-κB에 인산기가 계속 붙어 있음으로써, 세포 자살을 막는 유전자를 계속해서 자극해 결과적으로 암세포의 자살이 둔화되고, 성장과 전이가 촉진된다는 것이다.  

     * PP2A : 단백질에 결합한 인산기를 떼어주는 탈인산화효소로 NF-κB에 붙은 인산기를 떼어냄으로써, NF-κB를 비활성화시킨다.

 o 결국, PHF20과 PP2A가 서로 경쟁하면서 NF-κB와 결합하는 관계이며, 세포가 암세포로 발전하는 과정에서 많이 생성되는 PHF20가 NF-κB와 계속 결합함으로써 PP2A를 견제하고, 이에 NF-κB의 활성이 지속적으로 유지되는 것이다.

□ 실제로 연구팀은 뇌암이 진행될수록 PHF20은 많이 만들어지고, 인산기가 붙어서 활성화된 NF-κB가 증가한다는 사실을 밝혀내고, 뇌암 진행정도에 따른 생물학적 표지로의 활용 가능성을 제시했다.

 o 또한, 항암제 개발에 있어서 PHF20와 NF-κB의 결합을 조절하는 물질이 새로운 타겟물질이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

□ 허 교수는 “이번 연구결과는 암세포 성장 생리를 이해하고 향후 이를 이용한 암세포에서 특이적인 신호전달을 조절하는 방식의 항암제 개발에 대한 근거를 제시한 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

 o 정상세포는 NFκB의 활성상태가 일시적으로 조절될 수 있는 음성되먹임억제(negative feedback inhibition)가 존재함으로서 세포 성장 및 사멸의 항상성을 유지한다. 그러나 임상적으로 여러 혈액종양 및 고형암환자에서는 이러한 음성되먹임억제가 해제됨으로서 비정상적인 과활성화가 초래됨으로서 과도한 세포성장이 유도된다. 따라서 암환자에서 어떻게 지속적으로 NF-κB가 활성화되는지 규명하는 것은 새로운 항암제 개발을 위해 매우 중요하다.

 o 그간에는 이러한 NF-κB 음성되먹임 억제기작과 관련하여 단백질 유비퀴네이션(ubiquitination)을 조절하는 효소에 대해 많이 연구되었다. 실제림프종 또는 원주세포종(cylindromatosis) 환자에서 NF-κB를 억제하는 탈유비퀴틴 효소인 A20 또는 CYLD의 변형으로 그 기능을 잃어 지속적으로 NF-κB가 활성화되고 그 결과 암화 과정이 더욱 진행되는 것으로 알려져 있다.

 o 그러나 암발생과정 중 어떤 분자적 기전에 의하여 NF-κB의 음성되먹임억제 기능이 소실되는지에 대해서는 여전히 숙제로 남아 있었다. 본 연구팀은 암화 과정 중 과도하게 발현되는 PHF20이 메틸화된 NF-κB를 인지하며 염증신호에 의하여 유도된 활성화된 NF-κB에 대한 음성되먹임억제로 작용하는 탈인산화효소 PP2A의 기능을 억제하는 것을 규명하였다.
 
2. 연구내용

 o 전사조절인자 PHF20에 의하여 신경교종(Glioblastoma)에서 NF-κB의 음성되먹임억제 기능을 담당하는 탈인산화효소(PP2A)의 기능을 억제함으로서 NF-κB 활성조절이 비정상적으로 작동함을 발견하고 그 기전을 규명하였다.

 o PHF20 과발현과 knockdown 시스템을 이용하여 PHF20에 의하여 염증신호-매개의 NF-κB 신호가 지속적으로 유지됨으로서 세포사멸(apoptosis)을 억제하는 것을 알아냈다. 특히 PHF20 과발현에 의해 선택적으로 활성을 띤 NF-κB가 핵내에 지속적으로 머무르면서 타겟 DNA와의 결합이 계속 유지되는 것이다. 결과적으로 전사조절인자 NF-κB의 타겟이 되는 여러 항-세포사멸 유전자(anti-apoptotic gene)들이 과발현됨을 알아냈다.  

 o 이러한 비정상적인 NF-κB의 활성은 기존 염증수용체 및 세포질 수준에서의 음성되먹임기작 때문이 아니라 세포핵 내에서 NF-κB의 지속적인 인산화 결과임을 알 수 있었다. 

 o NF-κB 제거 세포주 및 돌연변이 실험을 통하여 PHF20는 tudor도메인을 통하여 메틸화된 NF-κB 부위(Lysine 221번 잔기)에 선택적으로 결합함을 알 수 있었다. 특히 약물(tebufenozide) 유전자 유도발현시스템을 이용한 실험에서 Lysine 221잔기가 변형된 NF-κB에 대해서는 PHF20이 작용하지 못하는 것을 알아내 NF-κB 메틸화가 PHF20과의 상호작용에 중요함을 밝혀냈다.

 o NF-κB 과도한 활성의 분자기전을 밝히기 위해 핵내에서 여러 단백질을 스크리닝한 결과 탈인산화효소 PP2A가 NF-κB의 아형인 relA에 직접적으로 결합하여 세포핵 내에서의 음성되먹임억제기능을 담당함을 밝혔다. 또한 본 연구에서는 PHF20에 의하여 메틸화된 relA와 탈인산화효소(PP2A)의 결합이 경쟁적으로 길항됨을 증명하였다. 나아가 메틸화억제약물 처리에 의하여 지속적인 NF-κB가 완벽하게 소실됨을 관찰함으로서 암세포 활성의 원인인자인 NF-κB를 조절할 수 있는 새로운 분자적 타겟을 제시하였다.

 o 한편 임상적으로 진단된 뇌암 코호트 조직으로부터 암의 진행정도에 따라 relA 인산화 정도 및 PHF 단백질의 양이 증가되어 있고, 특히 두 단백질의 발현 위치가 세포핵 내에서 일치함도 관찰했다. 이로써 향후 뇌암 예후에 따른 NF-κB 활성화의 바이오마커로서의 가능성을 제시한 것으로 기대된다.

3. 기대효과

 o 이번 연구로 염증신호에 의해 활성화되는 NF-κB가 어떻게 지속적으로 활성이 유지되어 암세포 성장과 전이에 기여하는지에 대한 궁금증을 해결하였다고 생각된다. 향후 메틸화된 relA와 결합하는 PHF20의 결합을 저해할 수 있는 약물의 개발은 새로운 개념의 암세포 특이적 신호전달 조절-기반의 항암제 개발에 중요한 근거를 제시할 것으로 기대된다.

용 어 설 명

1. Nature Communications 誌
 ○ 네이처퍼블리싱그룹(NPG)에서 출판하는 대표 과학전문지
     (인용지수: 10.015, 2012년 기준)

2. 전사조절인자(tranion factor)
 ○ DNA의 유전정보를 토대로 세포내에서 생명현상을 담당하는 단백질을 만들기 위해서는 DNA에 담긴 유전정보를 읽어 mRNA로 변환하는 전사과정(tranion)과 mRNA 유전정보를 토대로 단백질을 만드는 번역과정(translation)을 거치는데, DNA에 결합해 전사과정을 직접 조절하는 단백질

3. NF-κB(전사조절인자)
 ○ 세포사멸을 억제하는 항-세포사멸 유전자(anti-apoptotic genes: cyclin D1, IL-6, c-Myc, FLIP, cIAP, Bcl2 등)에 결합해 발현을 돕는 전사조절인자

 ○ 염증매개인자나 tumor promoter에 의해 활성화되면 항-세포사멸 유전자를 발현시켜 결과적으로 암세포의 사멸도 억제하여 암세포 성장의 원인이 된다.

4. PHF20(전사조절인자)
 ○ 뇌암 환자의 혈청에서 처음 발견된 면역단백질로 간암 및 폐암의 바이오 마커로서의 가능성이 제시되었다.

 ○ 단백질의 3차원 구조가 밝혀지면서 DNA에 결합해 해당 유전자의 발현을 조절할 수 있는 전사조절인자로서의 가능성이 제시되었다.

 ○ 또한 메틸화된 단백질에 결합하여 단백질의 메틸화를 인지할 수 있다.

사 진 설 명

[그림 1] 메틸화 인식 단백질 PHF20에 의한 지속적인 NF-κB 활성화 기전

- NF-κB(그림에서 p65)의 특정부위에 메틸기(그림에서 M1, M2)와 인산기(그림에서 P)가 결합하면

  활성화되어 핵내로 이동하여 타겟 유전자의 DNA와 결합하고 뒤이어 DNA 정보를 RNA 형태로 바꿔

  주는 전사기구(CBP/p300) 등이 결합해 세포사멸 억제유전자 등 타겟유전자의 발현을 유도하게 된

  다.
- (A경로, 우측 아래) 일시적인 NF-κB 활성화 기전

  탈인산화효소 PP2A가 NF-κB에 붙은 인산기를 떼어내면 NF-κB는 활성을 잃고 타겟유전자의 DNA

  에서 떨어져 나오게 된다.
- (B경로, 우측 위) 지속적인 NF-κB 활성화 기전
  NF-κB에 붙음 메틸기를 인식한 PHF20가 NF-κB에 결합하면 탈인산화효소 PP2A가 NF-κB에 결합

  하지 못해 인산기가 그대로 남아있어 지속적으로 활성이 유지되면서 타겟유전자의 DNA와의 결합이

  증가한다.

[그림 2] 뇌암 진행에 따른 PHF20 발현량과 p65 인산화 정도의 일치현상

(위) PHF20가 과발현된 암세포(Ad-PHF20)의 경우 과발현되지 않는 암세포(Ad-Lac)에 비해 시간이 경과해도 NF-κB(아형 p65)가 활성을 잃지 않고 계속 핵내로 이동하고 있다. 60분 경과사진을 보면 PHF 과발현 암세포에서는 핵에 자리잡고 있으나 과발현되지 않는 세포에서는 활성을 잃고 핵 밖으로 이동해 가운데가 빈 원으로 염색된다.  

(아래, 왼쪽) 뇌암 환자의 조직에서 PHF20와 인산화된 NF-κB(아형 p65)를 염색한 결과 같은 위치에서 발견됨을 알 수 있다.

(아래, 오른쪽) 뇌암의 진행이 악화될수록(IHC grade) PHF20의 생성량과 p65의 인산화 정도가 증가하며  PHF20이 많이 만들어질수록 p65의 인산화 정도도 증가한다.

[그림 3] 연구진 사진

허강민 교수(가운데)가 연구에 참여한 박경아 박사, 변희선 박사, 전주희 박사과정 연구원, 이윤정 석사과정 연구원과 NF-κB의 세포핵내 이동에 대한 실험결과를 토의하고 있다.