바이오인

핵심내용

새로운 항암면역 유전자 역할 규명 및 응용

- T세포 활성을 유도하는 폐암전이 치료제 개발 -

□ 식물의 키틴분해효소와 유사한 인간의 단백질을 표적으로, 암에 대한 면역반응을 활성화하는 항암치료 방법이 제시되었다. 최제민 교수(한양대학교) 연구팀이 T세포 면역반응을 조절할 수 있는 Chi3l1 유전자의 기능을 규명하고, 이를 표적으로 하는 항암면역치료 물질을 개발했다고 한국연구재단(이사장 조무제)은 밝혔다.

□ 기존 항암제가 암 세포의 직접적 사멸을 목표로 하는 것과 달리, 최근 대두되는 항암면역치료는 암에 대한 스스로의 면역 능력을 증가시키는 데에 초점이 맞추어져 있다. 항암제의 부작용과 암의 재발을 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 연구팀은 식물이 병충해로부터 자신을 보호하는 데에 사용하는 1차적 방어물질인 키틴분해효소에 주목하고, 유전적으로 보존되어 있는 인간 단백질(Chi3l1)의 면역체계에서의 역할을 연구했다. Chi3l1은 키틴 분해 능력은 잃었지만, 암에 대한 T세포의 면역반응을 조절하는 역할을 한다는 것이 밝혀졌다.

  ㅇ 연구결과에 따르면, Chi3l1 유전자가 결핍된 T세포는 Th1 세포 및 세포독성 림프구(CTL)로의 분화가 증가된다. 분화 후에 인터페론감마(IFNγ)의 발현이 증가하고, 이로 인해 세포의 면역반응이 활성화된다.

□ 연구팀은 이어서, Chi3l1 유전자에 결합하여 단백질 발현을 억제하는 표적 치료물질(펩타이드―siRNA 중합체)을 개발해냈다. 이 물질은 흑색종 암이 폐로 전이되는 생쥐실험에서, 암세포의 폐 전이를 획기적으로 억제하여 그 효능을 입증했다.

□ 최제민 교수는 “이 연구는 다양한 종에서 진화적으로 보존된 키틴분해효소 유사 단백질이 인간의 면역조절 기능이 있음을 규명하고, 이를 표적으로 한 항암면역치료제 개발의 가능성을 확인한 것”이라고 연구의 의의를 설명하며, “이와 같이 다른 생물종의 1차적 방어물질의 우리 면역체계에서의 역할을 규명하는 후속연구가 기대된다”고 밝혔다.

□ 이 연구는 교육부·한국연구재단 일반연구자지원사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 바이오·의료기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 5일 논문으로 게재되었다.

<참고자료> : 1. 주요내용 설명       2. 그림 설명       3. 연구 이야기

□ 논문명

Regulation of chitinase-3-like-1 in T cell elicits Th1 and cytotoxic responses to inhibit lung metastasis

□ 저자정보

최제민 교수(교신저자, 한양대학교), 김도현 박사(제1저자, 한양대학교),
박홍재 박사(예일대학교), 임상호(한양대학교), 구자현(한양대학교), 이홍균(한양대학교), 최진욱(한양대학교), 오지훈(연세대학교), 하상준 교수(연세대학교), 강민종 교수(예일대학교), 이창민 교수(브라운대학교), 이춘근 교수(브라운대학교), 잭 엘리아스 교수(Jack A. Elias, 브라운대학교)

상세내용

연구개요

 1. 연구의 필요성

  ○ 키티나아제는 키틴분해효소로서, 효소작용에 의한 1차적 방어물질로 식물 등에 존재하는 효소이다. 효소활성을 잃어버린 돌연변이인 키티나아제 유사 단백질 Chi3l1은 유전적으로 보존되어 인간에게 존재하며, 알레르기 Type2 면역, 암환자 혈액에서의 발현량 증가 등이 보고되었으나, 적응면역 반응에서의 역할은 전혀 연구되지 않았다.
  ○ 기존의 항암제 기반의 암 치료는 다양한 유전자변이 및 적응에 의한 암 재발을 억제하지 못한다는 한계점을 지니고 있으며, 최근 암에 대한 면역력을 증가시키는 PD-1, CTLA-4 항체 치료와 같은 암 면역 치료법이 대두되어 괄목할만한 치료효과를 나타낸 바가 있다.
  ○ 이 연구에서는 Chi3l1 의 T 세포에서의 기능을 규명하고, 나아가 이 유전자를 표적으로 한 T 세포 분화 조절을 통해 암 면역반응의 증가를 유도, 흑색종의 폐 전이를 억제할 수 있을 것이라고 가정하고 연구를 시작하게 되었다.

 2. 연구내용

  ○ 연구진은 키티나아제 유사 단백질 Chi3l1이 활성화된 T 세포에서 발현, IFNγ 매개 STAT1 인산화 신호전달 기작을 억제하여 Th1 (T helper 1), 세포 독성 림프구의 면역반응을 조절할 수 있는 인자이며, 결과적으로 Th1/세포 독성 림프구의 항암면역 반응을 억제하는 역할을 한다는 사실을 최초로 발견하였다. 
     * Th1 세포 : 대식세포의 항암 면역반응의 증가시킬 수 있는 사이토카인과 같은 단백질을 분비하는 도움 T 세포
     * 세포독성 림프구 : 세포독성 물질을 분비하여 바이러스에 감염된 세포나 종양 세포를 제거하는 역할을 하는 T 세포
  ○ 연구진은 T 세포 특이적으로 Chi3l1 유전자가 결핍된 생쥐를 제작하였고, 이 동물모델에서 흑색종의 폐 전이가 현저히 감소하였으며, 전이된 암 조직 내에 항암면역반응에 중요한 Th1, 세포독성 세포는 증가한다는 사실을 관찰하였다. 이러한 현상은 IFNγ 신호전달 기작을 억제하는 전사인자인 Twist-1, SOCS1이 Chi3l1 유전자 결핍시 감소하게 되어 나타난다는 사실을 규명하였으며, 반대로 항암 면역반응에 중요한 물질인 IFNγ, TNFα, Perforin/Granzyme B의 발현이 증가됨을 확인하였다.
     * Twist-1, SOCS1 : Th1 세포의 분화를 억제하는 것으로 알려진 전사인자
     * IFNγ, TNFα, Perforin/Granzyme B : Th1, 세포 독성 림프구로부터 분비되는 종양 면역을 증가시키는 것으로 알려져 있는 기능성 단백질
  ○ 더 나아가, Chi31l 유전자 발현을 RNAi 기법으로 억제하면 항암 면역반응이 증진될 것이라는 가설을 정립, 연구진이 개발한 세포 투과 펩티드인 dNP2를 이용하여 dNP2 펩타이드 Ch3il1 siRNA 중합체 (dNP2-siChi3l1 complex)를 제작하는데 성공하였다. 이를 흑색종 세포의 폐 암 전이 동물 모델에 투여한 결과, 성공적으로 암의 전이 및 성장을 억제시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 이러한 현상이 암 조직으로의 항암면역세포들의 침윤과 사이토카인 발현 증가에 의한 것이라는 사실을 규명하였다.
     * RNAi 기법 : 세포가 단백질을 만들 때 설계도 역할을 하는 mRNA를 분해할 수 있는 RNA를 제작, 세포에 투여하여 특정 단백질의 생성을 특이적으로 억제할 수 있는 실험기법
     * 세포투과 펩티드 : 세포 내부로 단백질, RNA와 같은 물질을 전달시킬 수 있는 특이적인 펩티드 서열

 3. 연구성과/기대효과

  ○ 이 연구 결과를 통해 기존에 Th1/세포 독성 림프구 매개 면역반응에서 기능이 전혀 알려지지 않았던 키티나아제 유사 단백질인 Chi3l1 의 역할을 최초로 규명하였다. 이를 시작으로 하여 Chi3l1을 포함한 키티나아제 유사 단백질들의 적응 면역반응에서의 연구에 대한 학문적 파급효과가 예상되며, 진화적으로 보존된 1차적 보호물질들의 항체면역, 자가면역, 알레르기, 암 면역 등 다양한 분야로의 연구에 대한 새로운 패러다임을 제시할 수 있는 다양한 후속연구들이 지속될 수 있을 것으로 기대된다.
  ○ 펩타이드-siRNA 중합체 기반의 Chi3l1 발현 억제를 통한 T 세포의 항암 면역반응 활성을 통해 새로운 항암면역치료 기술을 개발하고, 이를 기반으로 향후 다양한 표적으로의 확대가 가능할 것으로 기대된다. 또한, Chi3l1을 표적으로 한 폐 조직으로의 암전이 억제 효과를 기반으로 기존에 보고된 면역조절 항암제와의 병용 치료 연구가 이뤄질 수 있을 것으로 예상되며, 특허확보를 통한 기술이전 및 항암면역치료 신약개발 관련 경제적 파급효과가 기대된다.

연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존 연구들을 통해 Chi3l1 단백질이 알레르기 질환의 형성에 중요한 역할을 하고, 다양한 암 동물모델 및 환자에서 그 발현량이 증가된다는 사실이 보고되어 있었지만, Ch3il1이 적응면역 세포의 활성에 어떠한 역할을 하고 있는지에 대해서는 전혀 연구가 되어있지 않았다. 우리 연구진은 Chi3l1이 어떠한 도움 T 세포의 활성 및 분화에 영향을 갖고 있는지에 대해 궁금증을 갖고 이 연구를 시작하게 되었다.
우연한 계기로 Chi3l1 적중 쥐의 면역반응 현상을 동료 연구자와 토론하던 중 혹시 “Chi3l1 이라는 유전자가 T 세포에서 역할을 할 수 있을까?” 라는 호기심에 유세포분석법으로 간단한 실험을 해본 결과 IFNγ 사이토카인이 현저하게 증가된 것을 확인하였고, 이 연구를 시작하게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구를 통해 유전적으로 보존되어 있지만 T 세포의 기능에서 어떠한 역할을 하고 있는지 알려지지 않았던 키티나아제 계열의 Chi3l1 유전자의 기능을 최초로 규명하였다. 이를 통해, 진화적 관점에서의 다른 생물종의 방어 물질이 인간 면역체계에서 어떤 역할을 하는지에 대한 이해를 할 수 있었다.
또한, 최근 대두된 항암면역치료법의 새로운 접근 방법으로 dNP2 펩타이드와 Chi3l1 유전자 표적의 siRNA를 접목한 펩타이드-RNA 중합체 기반의 항암면역치료제를 제시하여, 항암작용을 하는 Th1 과 CTL 세포의 증가를 유도할 수 있는 국내 독자적 기술로서, 암이 폐로 전이되는 것을 억제할 수 있는 신약개발의 가능성을 제시하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

초기 연구에서는 Chi3l1 적중 쥐로부터 분리한 T 세포로 연구를 시작하였고, 흥미로운 결과를 바탕으로 T 세포 특이적인 Chi3l1 적중 쥐를 제작하여 심도깊은 연구를 진행하고, 가설을 증명할 수 있었다. Chi3l1 의 T 세포 분화 조절에 대한 연구는 최초로 시도된 연구로서 방향성을 탐색하는 데 상당한 시간이 소요되었으며, RNA-seq 기법으로 표적을 확인하고, 면역결핍쥐 (RAG KO)에 분리한 T 세포를 투여하여 암 모델을 검증하는 등 다양한 각도의 검증을 통해 연구를 진행하게 되었다. 최종적으로, 인간의 T 세포에서도 Chi3l1 의 인간 유전자인 YKL-40 표적의 siRNA를 통해 동일하게 IFNγ 사이토카인의 유도를 확인하여, 현재 특허를 출원하고, PD-1 항체와의 병행 투여 등의 후속연구를 진행 중이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

궁극적으로 인간의 삶의 질을 높이고, 수명연장과 질병극복에 기여하기 위해 면역체계를 조절할 수 있는 신약개발에 이바지하고 싶다. 이를 위한 연구로 항암면역반응을 유도하고, 면역력이 떨어지는 현상을 제어할 수 있는 전략 기반의 항암면역치료제 개발을 국내 독자적 기술로 이루어 신약개발로 연결할 계획이다.
후속 연구로서, Chi3l1 의 T 세포 분화조절의 보다 심도 깊은 기전연구 및 다양한 면역세포들에서의 기능을 더욱 탐색하고자 하며, Chi3l1 표적의 항암면역증강 펩타이드-RNA 중합체 물질의 다양한 암종에서의 연구, PD-1 항체와의 병용투여 등을 통해 가장 효과적인 표적 암종과 최적화된 투여 방법을 정립할 계획이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

논문을 투고하고 심사결과를 기다리는 도중에, 3월 중국의 한 연구그룹에서 우리와 유사한 연구방향의 논문이 출판되었고, 4월에도 이스라엘 연구진으로부터 우리 연구와 유사한 방향성의 결과를 나타낸 논문이 또다시 보고되었다. 3회에 걸친 심사과정이 속이 타들어가는 듯이 매우 길게 느껴졌다. 마음 졸이며 기다리는 동안 제1저자인 김도현 학생의 머리숱이 옅어져 동료 학생들이 크리스마스 선물로 탈모방지 미용품을 선물하는 등의 응원을 했다. 마침내 12월에 게재확정 acceptance letter 와 함께 김도현 학생의 박사학위 심사도 마무리되었고, 밝게 웃을 수 있었다.

...................(계속)

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