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출처 : 생물학연구정보센터(BRIC) 

Autophagy modulation을 이용한 항암제 개발 동향

 목차

1. 서론
2. 본론
  2.1 Autophagy 유도 치료법
     2.1.1. Autophagy의 암 억제 작용
     2.1.2. Autophagy inducer 개발
  2.2 Autophagy 억제 치료법
     2.2.1. Autophagy의 암 촉진 작용
     2.2.2. Autophagy inhibitor 개발
  2.3 Autophagy modulator 선별 방법
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

Autophagy는 불필요하거나 기능을 잃은 세포소기관과 단백질을 제거하는 과정으로서, 세포의 항상성 유지와 생존에 중요한 역할을 한다. 염증 질환, 퇴행성 신경질환, 암 등의 여러 질병에서 autophagy 활성이 정상수준보다 증가 또는 감소되어있는 문제점이 발견되고 있다. 이처럼 autophagy는 다양한 질병과 관련되어 있는데, 특히 암과 밀접한 관련이 있다. 하지만 암에서의 autophagy의 정확한 역할은 아직 밝혀져 있지 않으며, 암의 진행단계, 암의 종류, 유전자형 등에 따라서 복잡한 역할을 한다. Autophagy는 유해한 단백질 침전물과 손상을 입은 세포소기관을 재활용하여 영양분을 공급해주기 때문에 암의 성장이 불리한 환경에서 autophagy에 의해 에너지를 공급받는 경우에는 autophagy는 암세포 생존을 촉진하는 역할을 한다. 반면 autophagic cell death를 일으켜, 암세포를 사멸시키는 역할을 하기도 한다. 그러므로 autophagy의 활성을 높이거나 억제하면 암을 비롯한 여러 질병에 대한 치료가 가능할 것이다. 아직은 autophagy의 활성을 조절하는 약물 개발이 초기단계이지만, high-throughput, 이미지 기반의 스크리닝을 통해, autophagy 조절물질을 빠르게 선별해 낼 수 있다. Autophagy의 분자적 기전 연구가 활발해질수록 좀 더 타깃 특이적인 autophagy 조절제를 개발할 수 있을 것이다. 본 동향리포트에서는 암세포 생존과 사멸에서의 autophagy 역할과 autophagy의 활성을 조절하는 약물의 개발과 이들의 항암제로서의 가능성을 살펴보려고 한다.

2. 본론

2.1 Autophagy 유도 치료법

암에서 autophagy는 다양한 기능을 하는데, 암의 유전자형과 단계에 따라서 불필요한 물질의 제거와 영양분 공급 등의 역할을 통해, 암의 발생과 진행에 다양한 영향을 미친다 [1]. 이러한 조건에 따른 autophagy 의 역할 변화에 대한 이해는 항암제 개발에 있어서 매우 중요하다. Autophagy가 어떤 환경에서 암세포의 성장을 돕거나 세포를 사멸시키는 역할을 하는지, 그리고 이러한 autophagic cell death는 다른 세포사멸 경로와 어떠한 연결고리가 있는지에 대한 상세한 연구가 필요하다.

Autophagy의 활성을 높이면 암 억제 효과를 보이는 경우가 있다. Autophagy는 정상 세포가 암세포화 되는 것을 방지하여 암의 발생을 억제하며, 훼손된 세포 내 소기관들을 제거하여, 활성산소가 발생하지 않도록 하여 유전적 안정성을 유지하는데 중요한 역할을 한다 [2].

2.1.1. Autophagy의 암 억제 작용

암에서 autophagy의 역할은 논란의 여지가 있다. 종양형성과 진행에서 autophagy의 역할은 매우 복잡하지만, 일반적으로 autophagy가 암의 발생단계에서는 암을 억제하는 역할을 한다는 것에는 별다른 이견이 없다 [3][4]. Autophagy는 손상된 mitochondria (ROS의 원인)를 제거하여, DNA의 손상을 방지하고, 암의 발생을 억제하는 기능을 하며 autophagic cell death를 통해 암세포를 사멸시킬 수 있다.

Ras-driven cancer에서 autophagy는 상반된 기능을 하는데, autophagy는 Ras에 의한 악성암세포로의 변환을 촉진시키는 중요한 역할을 한다 [5][6][7]. 반면 autophagy 관련 유전자를 knockdown 시키면 Ras를 발현하는 암세포에서 종양이 성장이 억제되는 것이 아니라, 오히려 집락형성 생존 (clonogenic survival)을 더 촉진시킨다 [8]. 이러한 상반된 역할에 대한 정확한 이유는 아직 밝혀지지 않았다.

Autophagy는 암세포를 사멸시키는데, 특히 apoptosis가 억제된 암세포에서 이런 현상이 두드러진다. In vivo와 in vitro 상에서, Ras의 발현이 높은 neuroblastoma cell에서 autophagic cell death에 의해서 종양이 감소하는 것을 관찰할 수 있다 [9]. 이와 유사하게 H-RasV12 발현이 높은 난소 상피암세포에서 apoptosis와는 무관하게, autophagy에 의해 암세포의 사멸이 일어남을 확인할 수 있었다. 놀랍게도 다발성 골수종세포에서는 caspase-10이 암세포의 생존을 돕는 역할을 하는데, 암세포가 과도한 autophagy에 의해 사멸되는 것을 방지하는 기능을 한다. 그러므로 caspase-10을 없애면, autophagy가 증가하고 암세포의 사멸 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 세포사멸은 apoptosis와는 무관하다 [10].

Synthetic beclin-1 derived peptide (Tat-Beclin 1)에 의한 autophagy 의존적인 세포 사멸은 apoptosis나 necrosis와는 상관이 없다. Apoptosis를 억제해도 (caspase inhibitor z-VAD를 사용하거나, Bax나 Bak을 없앰) 이러한 autophagic cell death는 여전히 나타나고 있다. 유사하게 necrosis를 억제해도 (Necrostatin-1을 이용하거나, Ripk1이나 Ripk3를 없앰) autophgic cell death는 여전히 발생한다. Tat-Beclin 1에 의한 세포 사멸은 autophagy 수준을 증가시키고, autophagy 관련 유전자인 Beclin1 또는 Atg13 또는 Atg14의 knockdown이나 autophagy inhibitor인 3-MA 처리에 의해서 억제될 수 있다 [11].

다음과 같은 근거로 autophagy 유도제 또는 촉진제를 이용하면, 암을 예방 또는 치료할 수 있다고 생각된다. (1) Autophagy 관련 유전자의 돌연변이 (homozygous or heterozygous deletion) 때문에, 암이 진행될 가능성이 커진다 (2) Mouse에서 lentivirus나 adenovirus를 이용한 autophagy 유전자 치료 결과를 보면, KRAS-driven 폐암에서 이러한 치료법이 수명을 연장시킨다 [12].

Apoptosis 기전이 훼손된 암세포는 항암치료에 저항성이 있어서, 약물이 잘 듣지 않는다. 이러한 암세포에 apoptosis가 아니라 autophagic cell death를 일으키는 autophagy 유도제를 사용한다면, 치료에 대한 저항성을 극복할 수 있을 것이다. 그러나 autophagy를 세포보호기전에서 세포사멸기전으로 변경시키는 요인은 아직 정확히 밝혀져 있지 않다.

2.1.2. Autophagy inducer 개발

Autophagosome의 형성을 촉진시키거나, autophagy의 기질을 끌어들이는 작용 (substrate recruitment)을 촉진시키거나, lysosome의 활성을 촉진시키는 물질을 autophagy 유도물질이라고 할 수 있다. 새로운 autophagy 유도물질을 발견하기 위해서는 다음과 같은 사항을 고려해야 한다.

(1) 화합물이 임상적 또는 생리적으로 의미있는 수준의 농도에서, autophagy의 활성을 변화시키는지 확인해야 한다. (2) Autophagy 관련 유전자를 silencing해서 autophagy를 비활성화시켰을 때 화합물의 효과가 어떻게 변하는지, 즉 autophagy 과정을 통해서 화합물이 약효를 나타내었는지 체크할 필요가 있다. (3) 화합물이 autophagy와 관련된 유전자를 타깃으로 삼았을 경우에는, 그 유전자를 knockdown 또는 과발현 시켰을 때 화합물의 활성이 어떻게 변하는지 확인해야 한다. 이러한 조건들을 충족시켰을 경우에 진정한 autophagy 유도제라고 할 수 있다. 새로운 autophagy 유도제를 발견한 다음에는 화합물의 최적화 과정을 거쳐서 off-target effects를 최소화시켜야 한다.

Autophagy를 일으키기 위해서 (1) pro-autophagic enzyme (예를 들어 AMPK)을 활성화시킬 수도 있고 (2) pro-autophagic 단백질과의 상호작용을 억제하는 작용을 방해하는 protein deacetylase sirtuin 1을 활성화시키는 방법도 있으며 (3) autophagy의 negative regulator (예를 들어 mTORC1)를 억제하는 방법이 있다.

Autophagy 경로의 대표적 조절인자인 mTOR를 억제하면 autophagy를 증가시킬 수 있다. mTOR inhibitor는 European Medicine Agency에서 renal cell carcinoma, advanced breast cancer, pancreatic neuroendocrine tumor에서 치료제로 승인 받았지만, 최근에는 temsirolimus (torisel)가 renal cell carcinoma와 melanoma에서 암세포를 보호하는 autophagy를 일으킨다는 보고가 있다 [13][14]. Renal cell carcinoma와 melanoma 세포는 temsirolimus 단독처리 또는 chloroquine 단독처리에는 저항성을 가지지만, 두 약물을 복합적으로 사용하면 암세포에 세포독성을 나타내고, 생쥐 이식실험에서 종양이 줄어드는 효과가 있다. 이와 유사하게 Akt inhibitor도 단독 처리하면 autophagy는 증가하지만, 암세포 사멸 효과는 별로 나타나지 않는다. 그러나 Akt inhibitor와 chloroquine을 복합 처리하면 암세포 사멸이 증가하고, 생쥐 이식실험에서 종양이 크기가 작아지는 효과를 보인다 [15]. 이러한 실험결과들을 바탕으로 약물 복합치료는 단제 치료보다 더 효과가 있을 것으로 생각되어, 다양한 임상시험이 시도되고 있다 [Table 4]. 현재 개발되고 있는 autophagy 유도물질의 현황을 Table 1과 2에 정리하였다. Table 1은 mTOR inhibition 기능을 하는 물질들이며, Table 2는 mTOR inhibitor이외의 autophagy 유도물질에 대해 정리하였다.

...................(계속)

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