바이오인

핵심내용

암줄기세포의 암세포 성장, 악성화 촉진 메커니즘 규명

뇌종양 등 암의 정밀 표적치료 가능성 기대

미래창조과학부(장관 최양희)와 보건복지부(장관 정진엽)는“암 발생, 전이, 재발 원인인 암줄기세포*가 스스로 세포 내에서 특이 신호를 활성화시켜 암의 악성을 유지하고, 암 세포 성장을 촉진시킨다는 사실을 발견하였다”고 밝혔다.

* 암줄기세포 : 거의 대부분의 암에서 발견되며, 정상 성체줄기세포와 유사하게 자기재생과 분화능력을 가지고 있는 소수의 암세포

암줄기세포는 벌 조직에서의 여왕벌처럼 대부분의 종양 조직에서 암의 생성, 전이 등에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이번 연구는 재발 가능성이 높은 뇌종양 줄기세포에서 암을 만드는 암줄기세포의 메커니즘을 발견한 것으로서, 암줄기세포의 특이신호를 억제하는 방법으로 암을 궁극적으로 치료할 수 있는 새로운 가능성을 제시하였다.

김형기 교수(고려대학교) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)와 보건복지부 세계선도 의생명과학자 육성사업(Medi-Star)(개인연구)의 지원으로 연구를 수행하였으며, 연구결과를 세포생물학 분야 국제적 저명 학술지 셀 리포트(Cell Reports) 7월 28일자에 게재하였다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

• 논문명 : ID1-CULLIN3 axis regulates intracellular SHH and WNT signaling in glioblastoma stem cells
• 저자 정보: 김형기 교수(교신저자, 고려대), 김 훈 박사 (Xun Jin, 공동 제1저자, 고려대), 전혜민(공동 제1저자, 고려대)

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1.연구의 필요성 
지난 10년간 암 진단과 치료에 있어 비약적인 발전이 있었지만 암으로 인한 치사율은 여전히 높다. 이에 암 생성과 전이에 중요한 역할을 하는 암줄기세포에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 현재 암줄기세포는 항암 방사선 치료에 대한 내성이 높아 암 재발 가능성을 높이는 주요 원인으로 알려져 있다.

정상적인 성체줄기세포와 유사하게, 암줄기세포도 혈관 주변 혹은 저산소 지역과 같은 종양 미세환경에 의존하며 생존하는 것으로 알려져 있다. 하지만 종양 미세환경이 형성될 가능성이 낮은 암 발생 초기에는 이들 미세환경-뇌종양줄기세포 가설에 의한 암 발생을 설명하기에는 한계가 있다. 이에 암줄기세포 미세환경이 없는 곳에서도 뇌종양줄기세포 스스로가 줄기세포의 특성을 유지하며 암 생성을 촉진할 수 있는 새로운 메커니즘이 존재할 것이라는 가설을 제시하게 되었다.

2.연구 내용 
정상적인 줄기세포 미세환경에서는 외부신호 전달물질인 소닉헷지호그(SHH)*와 윈트(WNT)*가 분비되어 줄기세포 신호를 활성화시켜 정상 줄기세포를 유지시킨다. 그러나 줄기세포가 생존하기 어려운 환경에서도 외부신호의 도움 없이 뇌종양줄기세포가 성장하고 암세포가 성장하는 것을 확인하였다.

* 소닉헷지호그(SHH): 소닉헷지호그 신호는 다양한 조직에서 줄기세포를 유지하는데 중요한 역할을 하며, SHH 신호 전달 체계에 관련된 다양한 인자의 변이에 의해 암줄기세포가 형성될 수 있다.

* 윈트(WNT) : 성체에서 WNT는 소장, 뼈 등을 비롯한 다양한 조직의 발달 단계에서 운명을 결정한다. WNT 신호의 비 이상적 활성화는 간암, 대장암, 급성 골수병, 백혈병 등 다양한 암에서 발견되고, 암줄기세포의 특성이 조절된다.

연구팀은 뇌종양줄기세포 내 높게 발현하고 있는 세포분화억제인자인(ID1*) 단백질이 외부 신호 없이도 암줄기세포를 유지시키고 악성암이 성장할 수 있도록 돕는다는 사실을 밝혀냈다.

* 세포분화억제인자(ID1) : 세포의 분화를 억제하고 미분화 줄기세포의 특성을 유지시키는 유전자 발현 억제인자

세포분화억제인자 단백질이 퀄린3(CULLIN3)*을 억제하여 이를 통해 외부신호인 소닉헷지호그와 윈트의 도움 없이도 세포 내부의 글라이2(GLI2)*와 디세빌드2 (DVL2)* 줄기세포 신호체계를 지속적으로 활성화할 수 있도록 돕는다는 것을 확인했다. 또한 세포분화억제인자 단백질이 세포분열촉진인자인 시이클린(Cyclin E) 단백질을 증가시켜 암세포가 성장할 수 있도록 돕는다는 사실도 확인하였다.

* 퀄린3(CULLIN3) : 유비퀴틴을 단백질에 붙여 분해를 촉진시키는 효소

* 글라이2(GLI2) : 소닉헷지호그 신호를 받아 세포내에서 유전자 발현을 조절하는 단백질

* 디세빌드2(DVL2) : 윈트 신호를 세포 내에서 전달하는 단백질

* 사이클린(Cyclin E) : 세포분열을 촉진시키는 단백질

또한 이러한 세포 내재적으로 생성되는 다양한 줄기세포 신호조절 메커니즘은 346명의 환자 데이터를 분석한 결과, 48명에서 활성화되어 있으며, 이들 신호를 암줄기세포에서 동시에 제어했을 때 암줄기세포의 특성을 효과적으로 억제하는 것을 확인함으로써 새로운 뇌종양 치료방안을 제시하기도 했다.

3.연구 성과
암 생물학에 대한 새로운 패러다임으로 암줄기세포의 특성을 조절하는 정확한 메커니즘을 이해하고 항암제 개발 작용점을 발굴하는 것이 궁극적으로 종양의 생성, 성장, 침윤 및 전이, 재성장 및 항암치료 후 재발과 같은 암 다이나믹스를 제어할 수 있는 진정한 암 줄기세포 표적 정밀치료(precision therapy)로 발전될 수 있을 것으로 예상된다.

특히 이번 연구 결과를 통해 암 줄기세포 스스로가 세포 내 여러 줄기세포 신호 체계를 동시에 활성화시켜 암 악성화를 야기하는 것을 확인하였다. 따라서 줄기세포 특성을 조절하는 단일 신호 억제제보다는 비정상적으로 활성화되는 다양한 줄기세포 신호 억제제를 복합적으로 처리하는 것이 암세포만 타겟으로 한 맞춤형 항암치료의 새로운 대안이 될 수 있을 것으로 기대된다.

김형기 교수는 “이 연구는 암 재발에 중요한 역할을 하는 단백질과 관련된 메커니즘을 뇌종양줄기세포를 통해 밝혔고 연구결과는 뇌종양 환자 346명의 자료 분석을 통해 재확인하였다. 현재의 항암치료 방법 중 줄기세포 특성을 조절하는 단일 신호 억제의 접근이 아닌 각 암줄기세포 특성에 따라 표적 맞춤형 복합 항암치료를 하는 것이 암의 전이나 재발을 방지할 수 있는 새로운 치료 대안이 될 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 지난 십년간 암의 진단과 치료에 있어 비약적인 발전이 있었지만, 암으로 인한 치사율은 아직도 높은 편이다. 암의 생성과 전이에 중요한 역할을 한다고 알려진 암줄기세포의 특성에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 뇌종양줄기세포는 정상줄기세포처럼 미분화 상태를 유지할 수 있는 능력과 무한 증식 능력 및 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력을 지닌다. 비록 암 내에 적은 양으로 존재하는 것으로 알려져 있지만, 뇌종양줄기세포는 항암 방사선 치료에 대한 내성이 높아 치료 후 암 재발의 주요 원인이 되는 것으로 알려져 항암제 개발의 새로운 표적 세포로 이해되고 있다.

  ㅇ 정상적인 성체줄기세포와 유사하게 뇌종양줄기세포도 혈관 주변 혹은 저산소 지역과 같은 암 미세환경에 의존하며 생존하는 것으로 알려져 있다. 하지만 암 미세환경이 형성될 가능성이 낮은 암 발생 초기에는 이들 미세환경-뇌종양줄기세포 가설에 의한 암 발생을 설명하기에는 한계가 있다. 따라서 미세환경-뇌종양줄기세포 가설과는 달리 미세환경의 도움 없이 뇌종양줄기세포 자신 스스로가 줄기세포 특성을 유지하며 암 생성을 촉진할 수 있는 새로운 메커니즘이 존재할 것이라는 가설을 제시할 수 있다.

 2. 연구내용
  ㅇ 이 연구에서는 뇌종양 모델에서 세포분화억제인자(ID1)가 단백질 분해를 조절하는 퀄린3(CULLIN3)의 발현 억제함으로써 미세환경에서 주어지는 줄기세포 유지 조절 단백질의 도움 없이 뇌종양줄기세포 스스로가 뇌종양줄기세포 특성 유지에 중요한 역할을 하는 소닉헷지호그(SHH)와 윈트(WNT) 신호를 세포 내에서 활성화시켜 암 악성화를 촉진하는 것을 규명하였다. 
    
  ㅇ 세포분화억제인자가 퀼린3의 발현을 억제해서 세포 성장과 암 형성을 촉진함 : 세포분화억제인자에 의해 단백질 분해인자인 퀄린3의 발현을 억제되고, 이를 통해 세포분열 촉진인자인 사이클린(Cyclin E) 단백질이 증가하여 세포 성장이 촉진된다.

  ㅇ 세포분화억제인자가 퀄린3의 발현을 억제해서 줄기세포 특성과 뇌종양 형성을 촉진함 : 세포분화억제인자의 과발현 혹은 퀄린3 발현 억제에 의해 줄기세포 특성이 촉진되고, 뇌종양 형성이 촉진되는 것을 확인하였고, 그 종양 내에서 악성 교모세포종의 주요 특성인 세포괴사(Necrosis), 침윤(Invasion), 그리고 출혈(Hemorrhage)이 나타났다.

  ㅇ 세포분화억제인자가 단백질 분해를 조절하는 퀄린3을 억제하여 소닉헷지호그와 원트의 세포 내 하부 신호 인자인 글라이2와 디세빌드2의 단백질을 안정화시킴 : 면역침전법*을 사용해서 퀄린3와 글라이2(소닉헷지호그 하부 신호 인자), 디세빌드2(윈트 하부 신호 인자)와 직접 결합하는 것을 확인하였고, 발광분석기법*을 통해서 직접적으로 소닉헷지호그와 윈트에 의한 유전자 발현 신호 활성을 확인하였다. 
       * 면역침전법 : 항체를 이용하여 특정 단백질을 침전시켜 단백질의 존재 또는 단백질간의 결합 유무를 분석하는 방법
        * 발광분석기법 : 루시퍼레이즈(Luciferase) 라는 효소의 활성에 의해 생성되는 발광 정도를 분석하여 유전자 발현의 활성을 확인하는 방법

  ㅇ 세포분화억제인자에 의한 퀄린3 신호 억제가 소닉헷지호그와 윈트 신호를 활성화시킴 : 세포분화억제인자 증가에 의해 감소된 퀄린3에 의해 글라이2와 디세빌드2가 유비퀴틴에 의한 단백질 분해가 감소되고, 하부 신호가 활성화 되는 것을 확인하였다.

  ㅇ 환자 유래 뇌종양줄기세포에서 세포분화억제인자에 의한 줄기세포 특성, 뇌종양 형성능력, 소닉헷지호그와 윈트 신호가 활성화되는 것을 확인함 : 환자 유래 뇌종양줄기세포에서 특이적으로 세포분화억제인자의 발현을 억제하였을 때 줄기세포 특성과 뇌종양 형성이 감소되고, 소닉헷지호그와 윈트 신호가 감소되는 것을 확인하였다.

  ㅇ 퀄린3에 의한 소닉헷지호그와 윈트 신호 조절을 통한 줄기세포 특성, 뇌종양 형성능력 조절을 확인함. : 환자 유래 뇌종양줄기세포에 퀄린3을 과발현시켰을 때 줄기세포 특성, 뇌종양 형성능력, 소닉헷지호그와 윈트 신호가 감소되는 것을 확인하였다.

  ㅇ 미국 국립암센터에서 운영하는 뇌종양 환자 데이터베이스인 램브란트(REMBRANDT) 데이터를 토대로 세포분화억제인자와 퀄린3의 발현을 임상에서 분석하고, 뇌종양 줄기세포를 이용하여 소닉헷지호그와 윈트 신호 동시 억제 효능을 분석함: 346명의 환자 데이터를 바탕으로 세포분화억제인자의 발현이 높고 퀄린3의 발현이 낮은 환자의 예후가 가장 나쁘며, 두 유전자의 발현이 역의 상관관계를 보인다는 것을 확인하였으며, 지금까지의 데이터를 토대로 세포 내에서 소닉헷지호그와 윈트 신호를 억제할 경우 뇌종양 줄기세포를 특성을 현저하게 억제하는 것을 확인하였다. 

 ㅇ 결론 : 뇌종양 모델에서 세포분화억제인자가 단백질 분해를 조절하는 퀄린3의 발현을 억제함으로써 암줄기세포 스스로가 암줄기세포 특성 유지에 중요한 역할을 하는 소닉헷지호그와 윈트 신호를 활성화시켜 종양 악성화를 촉진하는 메커니즘을 분자생물학적 수준에서 규명하였고, 이를 바탕으로 뇌종양줄기세포를 타겟팅하는 새로운 치료법을 제안하였다.

3. 기대효과
 ㅇ 비록 다양한 암 유발 유전자 맞춤형 항암제가 개발되어 임상에서 환자들에게 적용되고 있으나, 종양 재발을 피하기 어려운 현실에서 암생물학에 대한 새로운 패러다임으로 암줄기세포의 특성을 조절하는 정확한 메커니즘을 이해하고 항암제 개발 작용점을 발굴하는 것이 궁극적으로 종양 생성, 성장, 침윤 및 전이, 재성장 및 항암치료 후 재발과 같은 종양 다이나믹스를 제어할 수 있는 진정한 암줄기세포 표적 정밀치료(precision therapy)로 발전될 수 있을 것으로 예상된다.

 ㅇ 특히 이번 연구 결과를 토대로 종양 미세환경으로부터 오는 신호와는 무관하게 암줄기세포 스스로가 세포 내에 여러 가지 줄기세포 신호 체계를 동시에 활성화시켜 종양 악성화를 야기하는 것을 확인하였다. 따라서 줄기세포 특성을 조절하는 단일 신호 억제제보다는 비정상적으로 활성화되는 다양한 줄기세포 신호 억제제를 복합 처리하는 치료요법이 뇌종양 줄기세포를 타겟으로 하는 새로운 항암치료 전략으로 응용될 수 있는 가능성을 제시하였다.

 ㅇ 암줄기세포를 타겟으로 한 맞춤형 항암제 개발이 성공할 경우 관련 바이오 산업분야의 신약 개발사업과 관련된 전체 산업 구조가 크게 확대될 것이다. 또한 삶의 질 향상을 통한 국민복지 증진, 그리고 저비용 경제·사회시스템 구축, 신소재 기술에 대한 원천기술 및 관련 특허의 확보를 가능하게 할 뿐 만 아니라 이와 관련된 기술이전 등의 부가수익을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

지난 수 십년간 항암 치료의 눈부신 발전에도 불구하고 뇌종양 중 가장 악성인 교모세포종 환자의 평균수명은 14개월에서 크게 개선되지 못하고 있다. 교모세포종의 항암치료에 대한 저항성은 암세포 중 줄기세포와 유사한 특징을 가지고 있는 암줄기세포에서 기인되는 것으로 인식되고 있다. 현재 암줄기세포에 대한 연구는 암줄기세포 특성 유지에 관여하는 신호체계와 조절인자의 단일 신호 체계를 확인하는 것으로 그쳐있다. 그러나 암줄기세포는 정상줄기세포와 다르게 외부 환경의 의존적인 신호체계보다 세포 내재적 신호체계를 통해 독립적인 암줄기세포 특성 조절 능력을 획득했을 거라는 가설을 바탕으로 이 연구를 수행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

뇌종양줄기세포 특성을 조절하는 세포분화억제인자(Inhibitor of Differentiation 1, ID1)를 연구하는 과정에서 세포분화억제인자가 뇌종양줄기세포의 성장을 촉진하고 암줄기세포 특성을 조절하는 것을 확인하였다. 분자생물학적 메커니즘을 연구하는 과정에서 세포분화억제인자(ID1)가 단백질분해조절인자 퀄린3(CULLIN3)를 억제하여 세포성장촉진인자 사이클린(Cyclin E) 단백질이 증가되는 것을 확인하였다. 흥미롭게도 퀄린3 자체의 발현을 단독으로 억제시킬 경우, 세포분화억제인자(ID1) 과발현 때와 비슷하게 암줄기세포 특성이 나타나는 것을 확인하고, 퀄린3(CULLIN3) 타겟 단백질을 단백질 침전 및 질량분석법(IP-mass)을 통하여 분석한 결과, 세포 내 소닉헷지호그(SHH) 신호전달 전사인자 글라이2 (GLI2)와 윈트(WNT) 신호전달인자 디세빌드2(DVL2)를 확인하였다. 이러한 신호전달체계가 외부로부터 오는 소닉헷지호그 또는 윈트의 도움 없이 세포 내재적 줄기세포 신호체계를 지속적으로 활성화되어 암줄기세포 특성이 유지되는 것을 세포생물학적 기법과 뇌종양 동물모델에서 확인했으며 뇌종양 치료를 위해서 이러한 내재적으로 생성되는 다양한 줄기세포 신호조절 메커니즘들을 동시에 억제해야 하는 새로운 뇌종양 치료방안을 제시했다.

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

연구초기에 뇌종양환자에서 유래한 암줄기세포를 확립하고 유지하는데 많은 어려움이 있었다. 그러나 대한신경종양학회(KSNO) 회원님들의 도움으로 실험에 필요한 뇌종양줄기세포를 구축할 수 있었고 생쥐 모델에서 증명했던 기전들을 뇌종양환자 유래의 종양줄기세포들에서 확인할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

현재 암줄기세포에 대한 연구는 악성종양을 치료할 수 있는 최선의 방안으로 인식되고 있지만, 생물학적 접근은 단일 신호조절인자나 신호전달 체계에 국한되어 있다. 본 연구는 기존의 단일 신호조절 체계에 대한 연구를 벗어나서 단백질 수준에서의 세포내 다양한 신호체계의 활성화 기전을 밝히고 이에 상응하는 치료방안을 제시함으로써 악성종양을 치료하는 새로운 접근방식을 제시했다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

현재 분자생물정보학의 발전으로 향후의 연구는 더욱 환자 맞춤형의 치료로 발전이 거듭될 것이다. 그러나 기존의 분자생물정보학적 연구는 유전자, 즉 DNA와 RNA에 대한 연구에 많이 치우쳐 있지만 실제 생물학적 기능을 담당하는 단백질에 대한 연구는 아주 미미한 수준이다. 이 연구에서 제시한 바와 같이 암의 악성과 치료에 중요한 표적인 될 단백질 조절 메커니즘과 프로파일에 대한 연구는 앞으로 더 정확한 정보를 바탕으로 맞춤형 치료를 할 수 있는 정밀의학(precision medicine)의 근간이 될 것이며 저와 연구팀은 앞으로 단백질 및 신호전달체계 수준에서 환자 맞춤형치료에 비중을 두는 연구를 계속할 계획이다.     

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이 연구 중 ID1에 의한 암줄기세포 특성 조절은 6년 전에 이미 완성되어서 여러 저널에 투고한 결과 이 결과는 받아드려지지 않았는데 그 이유로는 이 시기의 대부분의 연구 결과들은 암줄기세포의 특성을 조절하는 새로운 단일 인자 및 신호전달체계에 대한 발표가 주를 이루었다. 연구팀의 연구 결과는 기존의 소닉헷지호그와 윈트 신호의 중요성에 대한 내용이며, 암줄기세포가 특정 종양 주위 환경(Niche)의 도움없이 생존 유지 될 수 있다는 내용을 직접적으로 증명할 수 있는 실험 결과가 부족하고 임상에서의 중요성을 제시하지 못했다는 것을 인식하고 이번 발표까지 추가 보충 실험을 통해 세포분화억제인자(ID1)-퀄린3(CULLIN3) 조절 메커니즘이 암줄기세포 내재적 줄기세포 신호체계를 활성화시키는 것과 임상에서의 중요성과 항암치료 작용점으로 제시할 수 있었다. 

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