바이오인

핵심내용

유방암 발생을 일으키는 유전자 조절 메커니즘 규명
치료제 타깃 단백질 발굴, 항암제 개발에 기여 기대

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 보건복지부 선도형특성화연구개발사업(선도형암연구사업단)의 지원을 받은 황정진 교수(울산의대 서울아산병원) 연구팀이 “유방암에서 자식작용*과 암 발생에 관여하는 유전자의 후성유전학**적 조절 메커니즘을 규명”하였다고 밝혔다.
       * 자식작용 : 세포가 영양소 결핍에 반응하여 비정상 단백질 등 불필요하거나 기능을 제대로 하지 못하는 세포 성분을 분해하여 재사용하는 작용.   
      ** 후성유전학 : DNA 염기서열 자체에는 변화가 없으나 세포가 분열되는 동안 DNA 염기의 부속 구조 또는 크로마틴의 변형을 통해 유전자의 발현 양상이 변해 표현형의 변화가 생기는데 이를 연구하는 학문

□ 유방암 세포에는 유전자 발현을 억제하는 히스톤 메틸화 효소인 EHMT2/G9a***가 많다. 연구팀은 EHMT2/G9a이 세포 자신의 불필요한 물질을 잡아먹는 자식작용을 하고, 종양을 억제하는 유전자로 우리 몸에 유익한 베클린원(Beclin-1)****의 발현을 저해한다는 사실을 밝혔다.
      *** EHMT2/G9a : 진핵 세포의 핵을 구성하는 DNA 복합체를 크로마틴이라 하며, 이 크로마틴은 DNA와 히스톤으로 구성되어 있음. 그 중 히스톤에 메틸 그룹을 한 개 또는 두 개를 붙여서 유전자의 발현을 억제하는 메틸화 효소를 일컬음
      **** 베클린원 : 자식작용을 활성화 하면서 동시에 종양을 억제하기도 하는 유전자 중 하나임.  

□ EHMT2/G9a 발현이 높은 유방암 세포에 EHMT2/G9a의 억제제인 BIX-01294*****를 처리하여 자식작용 조절 단백질들을 조사한 결과, 베클린원의 발현이 억제되어 있었다. 연구팀은 베클린원 유전자 발현이 후성유전학적으로 조절되는 작용 원리인 EHMT2/G9a의 과발현이 정상세포에서 작용하는 베클린원의 양을 낮추어 비정상적인 암세포로 변형되었을 가능성을 처음으로 제시했다. 이는 암세포에 베클린원의 발현량이 낮다는 것과 EHMT2/G9a 효소가 과활성화 되어 있다는 기존 연구에서 한 걸음 나아간 것이라 볼 수 있다.
     *****BIX-01294 : EHMT2/G9a 효소의 기능을 억제하는 억제제

□ 또한 암세포를 정상화하기 위한 방안으로 BIX-01294(EHMT2/G9a 저해제)를 암세포 배양액에 넣어 처리하였을 때, 베클린원의 발현이 다시 유도되고 자식작용이 활성화되어 암세포의 성장을 억제한다는 사실을 발견했다.

□ 이 결과는 미국(723명) 및 네덜란드(295명)의 실제 유방암 환자군 총1,018명의 분석을 통해 EHMT2/G9a의 발현이 높고, 베클린원이 억제되어 있는 환자는 좋지 못한 예후와 관련이 있다는 결론을 얻어 실제 임상결과에서도 뒷받침되었다. 

□ 황정진 교수는 “이번 연구는 암 발생 원인의 하나인 자식작용의 저하를 조절하는 후성유전학적 작동 원리를 밝힌 것이다. 폐암, 난소암, 대장암에서도 EHMT2/G9a의 발현이 높은데, 추가 연구를 통해 유방암과 같은 동일한 결과가 발견된다면 보다 광범위한 암 치료를 위한 신약 및 항암제 개발과 암 발생을 조절하는데 기여할 수 있을 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 

□ 이 연구성과는 종양학 분야 권위 있는 국제 학술지인 온코타겟 5월 11일자에 게재되었다.

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Inhibition of EHMT2/G9a epigenetically increases the tranion of Beclin-1 via an increase in ROS and activation of NF-kB
   - 저자 정보 : 김청수 (교신저자, 울산의대 서울아산병원), 황정진 (교신저자, 울산의대 서울아산병원), 박상은(제1저자, 울산의대 서울아산병원), 이혜진 (공동저자, 울산의대 서울아산병원), 서나영 (공동저자, 순천향대), 박윤용 (공동저자, 울산의대 서울아산병원), 고재영 (공동저자, 울산의대 서울아산병원), 정성윤 (공동저자, 울산의대 서울아산병원), 조동형 (공동저자, 경희대)

□ 논문의 주요 내용 

 1. 연구의 필요성
   ○ 암세포는 정상 세포와 달리 여러 가지 유전자에 돌연변이가 일어나거나 비정상적인 유전자의 발현으로 세포의 생존과 성장은 빨라지고 세포의 사멸은 잘 일어나지 않도록 변형되어 있다. 돌연변이가 일어난 단백질이 제거되지 않고 쌓이는 이유로 알려진 것 중 하나는 세포 자신의 불필요한 물질을 잡아먹는다는 의미의 ‘자식작용’이 암세포에서 억제되어 있다는 것이다.

  ○ 유전자에는 돌연변이가 일어나지 않았더라도 단백질 발현량이 적절하지 않아 암세포가 될 수도 있는데, 예를 들면, 종양억제인자(tumor suppressor)라고 불리는 단백질의 발현이 억제되어 있는 것이다. 유전자 자체가 변형 되지 않고 발현양만이 달라졌다는 의미에서 이러한 현상을 후성유전학적 조절이라 한다.

  ○ 후성 유전학적 조절은 진핵세포의 DNA 복합체를 구성하고 있는 히스톤 단백질에 의하여 결정이 되기도 한다. 히스톤의 변화에 따라 DNA 복합체를 풀어 유전자 발현을 할 것이냐 아니면 단단히 감아 놓아 발현을 하지 않을 것이냐가 결정된다. EHMT2/G9a는 바로 히스톤에 메틸 그룹을 한 개 또는 두 개를 붙여 주는 메틸화 효소이다. 이러한 히스톤의 메틸화는 유전자의 발현을 억제하는 것으로 알려져 있다. 이 연구에서는 EHMT2/G9a가 암세포에 과다하게 발현되어 있어 종양억제인자이면서 자식작용을 담당하는 Beclin-1 단백질의  발현을 억제하는 작동 원리를 연구하였다.
        * 히스톤 : 진핵세포의 핵을 구성하는 DNA 복합체를 크로마틴이라 하며, 이 크로마틴의 구성 요소 중 하나
        * 메틸화 효소 : 메틸그룹을 한 개 또는 두 개를 붙여 주는 효소

 2. 발견 원리
  ○ 유방암 세포주에 EHMT2/G9억제제를 처리한 경우와 처리하지 않은 경우의 자식작용 관련 유전자 발현 차이를 분석하였다. 그 결과 암세포에서 Beclin-1의  발현이 억제되어 있는데 EHMT2/G9a 억제제인 BIX-01294를 처리하면 다시 증가함을 확인하였다. Beclin-1 유전자에 붙어 있는 히스톤 단백질의 메틸화 정도를 조사한 결과,  암세포에서는 증가되어 있다가 BIX-01294를 처리하면 감소되면서 Beclin-1의 발현이 높아지는 것임을 확인하였다.
         * BIX-01294 : EHMT2/G9a 효소의 기능을 억제하는 억제제 
 
  ○ 유전자의 발현이 높아지려면 크로마틴에서 DNA가 풀어져야 하며 풀어진 DNA에 유전자 발현을 시작하라는 신호로 전사인자가 유전자에 붙어서 단백질을 만들기 시작한다. 유방암 세포에 BIX-01294를 처리하면 NF-κB라고 불리는 전사인자가 Beclin-1의 프로모터에 결합하여 암세포에서 억제되어 있던 Beclin-1 유전자를 재발현 시킴을 확인하였다.
       * 전사인자 NF-κB: 유전자가 제 기능을 수행하려면 발현을 해야 하는데, 유전자 발현을 유도하는 직접적인 요소가 전사인자이며, NF-κB도 그러한 인자 중 하나로 세포 증식과정에서 중요한 역할을 한다고 알려져 있음.

  ○ 히스톤의 메틸화와 DNA 메틸화는 후성유전학적 유전자발현을 함께 조절하는데 이미 환자에게 사용하는 항암제인 DNA 메틸화 억제제인 5-아자시티딘(azacytidine)과 EHMT2/G9a 억제제인 BIX-01294를 병용 처리할 경우 단독 처리했을 때보다  Beclin-1의 발현을 효과적으로 증가시킴을 확인하였다. 
       * 5-아자시티딘(azacytidine) : 후성유전적 변형을 차단하는 화학제로 항암제로 쓰이고 있는 물질

3. 연구 성과
   ○ 유방암에서 자식작용조절자이면서 종양억제인자인 Beclin-1이 억제되어 있는 후성유전학적인 메커니즘을 규명하여, EHMT2/G9a 억제를 통한 Beclin-1 발현이 암 예방과 항암제 개발의 신규 타깃이 될 수 있음을 증명하였다. 또한 DNA 메틸화 억제제와의 병용치료가 보다더 효과적일 수 있다는 가능성도 제시하였다.
   ○ 이러한 기전은 유방암에만 국한된 것이 아니므로 향후 보다 다양한 암 종의 치료에 해당 메커니즘을 확대 적용할 수 있을 것이다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ EHMT2/G9a는 G9a-like protein(GLP)와 이종이량체(heterodimer)로 히스톤 H3의 9번 라이신 잔기(H3K9)에 메틸 그룹을 한 개 또는 두 개(H3K9me1 또는 H3K9me2)를 붙여주는 효소이다. 이 메틸화는 종양억제인자(tumor suppressor)의 발현을 억제하는 것으로 알려져 있다. EHMT/G9a는 암 세포주 및 종양에서 발현이 높고, 상피간엽이행(epithelial-mesenchymal transition, EMT)*, DNA 수선과정, 암 증식과정 및 암 침습과정, 자식작용과 관련된 단백질의 발현을 조절하는 것으로 알려져 있으나 정확한 기능과 조절에 대한 보고는 아직 많지 않다. 
       * 상피간엽이행(epithelial-mesenchymal transition, EMT) : 발생 과정의 하나로, 배아 발생, 상처 치유, 장기 섬유화, 암 전이에 중요한 메커니즘임.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 이전 연구에서 MCF-7 유방암 세포주에 2480개의 화합물 라이브러리를 이용하여 스크리닝을 진행하였다. 이 때, EHMT2/G9a 억제제인 BIX-01294(BIX)를 강력한 자식작용 활성제로 발굴하고 자식작용 활성화 메커니즘을 검증한 바 있다. 이번 연구는 그 후속 연구로 유방암 세포는 히스톤메틸화효소인 EHMT2/G9a의 발현이 높은 편인데, 종양억제인자의 억제(silencing)에 관여한다고 알려진 EHMT2/G9a가 유방암세포에서 자식작용의 활성화 유전자이면서 종양억제인자인 Beclin-1을 후성 유전학적으로 억제한다는 사실을 밝혔다. 더욱이 코흐트* 분석을 통해 유방암 환자에서 EHMT2/G9a 발현이 높은 경우 Beclin-1 발현이 억제되어 있으며, EHMT2/G9a 발현이 높고 Beclin-1 발현은 억제되어 있는 환자군에서 예후가 좋지 않음을 증명하였다. 이로써 EHMT2/G9a 억제를 통한 Beclin-1 발현이 암 예방과 항암제 개발의 신규 타깃으로서 가치가 있음을 밝혔다 .
        *코흐트(cohort): 특정의 경험(특히 연령)을 공유하는 사람들의 집체

3. 기대효과
  ㅇ EHMT2/G9a와 이에 의해 조절되는 유전자를 새로운 항암 타깃으로 발굴함으로서 관련된 항암 치료제 개발을 위한 새로운 접근법 및 기반 지식을 제공하고 상용화에 기여하여 향후 보다 다양한 암 종의 치료에 해당 메커니즘을 확대 적용할 수 있다.
  ㅇ 특히 EHMT2/G9a를 타깃으로 하는 항암제 특허를 출원하면 제약회사와 공동연구를 통해서 특허기술의 이전 및 제약 산업 발전을 도모할 수 있다. 뿐만 아니라 동반 진단 바이오마커를 개발하여 맞춤형 치료를 위한 질병중심 중개연구 및 응용화 연구를 시도할 수 있다.
  ㅇ 암 관련 연구 분야 및 의료산업의 활성화를 통해 관련 분야 전문가 양성에 기여하고 궁극적으로 암 발생을 예방하거나 제어하여 국민보건을 향상시키고 건강수명을 연장할 수 있는 기반을 구축하는데 기여할 것으로 기대된다. 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

연구팀 자식작용에 관심을 갖고 자식작용 활성제를 개발하는 연구를 오랫동안 수행해 왔다. 자식작용은 세포의 생존, 분화, 발생 및 항상성 유지를 위한 필수적 과정이다. 이는 불필요한 세포 내 단백질 및 세포 내 소기관을 분해하는 역할을 담당하며, 암은 물론 신경퇴행성 질환 및 다양한 질병과 노화에 관여하고 있다. 2013년 12월에 Autopahgy (IF 11.753) 국제 학술지에 EHMT2/G9a 억제제인 BIX-01294를 발굴하여 활성산소종의 증가에 의한 자식작용의 과잉 활성화로 유방암 세포의 성장을 억제 할 수 있음을 보고한 바 있다. EHMT2/G9a는 유전자를 후성유전학적으로 조절하는 단백질이므로 본 연구에서는 EHMT2/G9a의 억제가 자식작용을 활성화시키는 규명을 밝히고자 하였다.  EHMT2/G9억제제를 처리한 유방암 세포의 자식작용 관련 유전자 발현의 종합적인 분석을 통해 종양억제 유전자인 Beclin-1의 발현이 증가한다는 사실에 주목하게 되었다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

과거에는 암에서 DNA의 돌연변이가 일어나 단백질의 기능에 이상이 생기는데 주목하여 많은 연구가 이루어 졌다. 하지만 최근에는 돌연변이가 없더라도 단백질들의 발현량의 비정상적인 변화도 원인임이 알려지면서 유전체 자제의 변화없이 진행되는 후성유전체 변화와 암의 관계에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구진도 이러한 변화의 하나로 암에서 히스톤 단백질을 메틸화 하는 EHMT2/G9a의 발현이 높다는 사실과 이 단백질을 억제하였더니 암발생을 억제하고 자식작용을 활성화 할 수 있는 Beclin-1이 높아진다는 사실을 밝혔다. 이러한 사실을 규명하기 위하여 유전자의 발현을 종합적으로 한번에 분석하는 PCR 프로파일링, DNA와 히스톤 단백질이나 전사인자를 결합시킨 후 단백질과 유전자를 함께 분석할 수 있는 기술 등의 발전이 있어서 가능하였다.

또한 이러한 실험의 결과가 실제로 유방암 암 환자에서도 의미가 있는지의 확인이 중요하므로 1018명의 환자를 포함하는 별개의 3개의 환자군(TCGA, UNC, NKI)을 확인하였다. 그 결과 환자에서 정상에 비하여 EHMT2/G9a 단백질이이 높고 Beclin-1 단백질이 낮음을 확인하였고, 환자군에서도 EHMT2/G9a 발현이 높고 Beclin-1 발현이 낮을수록 환자의 예후가 좋지 않다는 것을 알 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

현 시대의 연구는 다양한 분야의 기술적 발전이 매우 유용하지만, 반면 어려운 고차원적이고 전문적인 기술과 고가의 장비를 한 실험실에서 모두 보유할 수 없다. 울산의대 서울아산병원의 경우 다양한 코아랩과 전문적인 기초와 임상 교수들의 공동 연구를 적극적으로 지원하고 있어 이러한 면이 연구에 큰 도움이 되었다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기초 연구를 통하여 유방암에서 EHMT2/G9a에 의하여 자식작용과 암 발생을 조절하는 Beclin-1이 억제되어 있는 휴성유전학적 메커니즘을 최초로 규명하였다. 나아가 유방암 환자군 분석을 통해 EHMT2/G9a 발현이 높고 Beclin-1 발현은 억제되어 있는 환자군에서 예후가 좋지 않음을 증명함으로서 기초 연구 결과를 임상과 연결시키는 중개 연구를 수행하였다는 점을 들 수 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

연구팀은 자식작용 조절에 대한 연구를 꾸준히 수행하고 있고, 현재는 암 뿐만 아니라 치매와 파킨슨 병과 같은 퇴행성 뇌신경 질환에서도 자식작용이 저하되어 있다는 사실과 자식작용을 활성화 시킬수 있는 방법에 대한 연구를 수행 중이다. 이를 통해 암과 퇴행성 뇌신경 질환의 진단과 치료에 도움을 줄 수 있는 연구를 하는 것이 목표이다.

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