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[바이오신약] 표적 단백질 분해기술(TPD)을 활용한 신약 개발 전략

남궁석 / ㈜오름테라퓨틱

◈ 목차

1. 머리말

2. 표적단백질분해기술의 유래 : 분자접착제와 PROTAC

3. 분자 접착제 기반의 신약 개발 동향

4. PROTAC 기반의 신약개발 동향

  가. PROTAC 연구의 역사

  나. 현재 임상 연구중인 PROTAC

5. 표적 단백질 분해 기반의 새로운 신약 개발 연구 동향

  가. LYTAC(Lysosome-Targeting Chimaera)

  나. MADTACs (Macroautophagy Degradation Mediated Chimeras)

  다. AbTACs

5. 향후 연구 방향

◈본문

1. 머리말

 현재까지 개발된 대부분의 소분자 화합물 기반의 약물은 표적 단백질에 결합하여 활성을 억제하는 저해제(Inhibitor)로 작용한다. 그러나 모든 표적단백질이 저해제에 의해 제어가 가능한 것은 아니다. 저해제에 의해 제어가 가능한 표적 단백질은 대개 효소이며 저해제는 효소의 활성자리(Active Site)에 결합하여 표적 단백질의 기능을 억제한다. 전사인자(Transcriptionfactor), 효소가 아닌 단백질(Non-enzymatic proteins), 스캐폴딩 단백질(Scaffolding proteins) 등의 상당수 단백질들은 활성자리가 없거나 저해하기에 적합하지 않은 활성자리를 갖는다. 특히 많은 암 관련 표적 단백질들은 DNA에 결합하는 전사인자인데, 저해제 보다 훨씬 크기가 큰 전사조절 단백질을 화합물 저해제로 억제하는 것은 쉽지 않다.

 따라서 질병 표적 단백질 중에서 실제로 화합물 저해제로 조절할 수 있는 단백질은 극히 일부에 불과하며, 이렇게 통상적으로 저해제로 제어할 수 없는 표적 단백질(Undruggable target protein)을 제어하는 방법에 대한 관심이 계속되고 있다. 이러한 한계 상황에서 최근, 질병 표적 단백질의 분해를 유도하는 소분자 화합물에 관심이 집중되고 있다. 본고에서는 현재 신약개발의 새로운 방식(modality)으로 관심을 받는 표적단백질분해기술(Target-Protein Degradation, TPD)에 대한 개요를 알아보도록 한다.

2. 표적단백질분해기술의 유래 : 분자접착제와 PROTAC

 기본적으로 표적 단백질 분해 기술은 세포 내 단백질 분해 기작인 유비퀴틴-프로테오좀 시스템(Ubiquitin-Proteasome System)을 이용하여 질병을 일으키는 표적 단백질을 제거하는 기술이다. 유비퀴틴-프로테오좀 시스템은 유비퀴틴 활성화효소(Ubiquitin-activatingenzymes,E1), 유비퀴틴 결합 효소(Ubiquitin-conjugating enzymes,E2), 표적단백질에 유비퀴틴을 붙이는 유비퀴틴 연결효소(Ubiquitin -protin ligase,E3 ligase)에 의한 일련의 과정을 통해 표적 단백질이 유비퀴틴화(Ubiquitination)되고 프로테아좀이 유비퀴틴 표지 단백질을 인식하여 분해하는 시스템이다. 이 중 분해될 표적 단백질을 인식하는 E3 ligase는 세포 내에 약 600여 종이 존재한다[1]. 대부분의 E3 ligase는 단백질이 분해되어야 하는 특정 조건에서만 표적 단백질과 결합하여 단백질 분해를 유도하고, 그렇지 않은 경우에는 단백질과 결합하지 않는다. 가령 많은 단백질 분해는 인산화에 의해서 조절되는데, 분해될 단백질에 인산화가 일어나고, 인산화된 단백질만 특이적으로 E3 ligase가 결합하여 분해가 일어난다.

 표적 단백질 분해기술은 분해하려는 표적단백질과 E3 ligase에 동시에 결합하는 화합물을 이용하여 표적단백질의 유비퀴틴화를 유도하여 표적단백질을 분해하는 기술이다. 표적 단백질 분해를 유도하는 화합물은 분자 접착제(Molecular Glue, MG) 와 PROTAC(PROteolysis-TArgeting Chimera)로 나뉜다. 두 가지 화합물은 공통적으로 유비퀴틴-프로테오좀 시스템을 이용하여 표적 단백질을 유비퀴틴화 하는 공통점이 있지만, 세부적으로는 다음과 같은 차이가 있다.

◆ PROTAC의 경우 표적단백질에 결합하는 리간드(Warhead)와 E3 ligase 리간드(Binder)를 인위적으로 링커(linker)로 결합시킨 ‘이종 이중기능 분자’ (Heterobifunctional molecule)이다. 두 개의 화합물을 인공적으로 결합시킨 물질이므로 분자량 500Da 이하가 대부분인 일반적인 소분자 약물(분자접착제 포함)에 비해서 분자량이 훨씬 큰 편이다.

◆ 분자 접착제 역시 표적 단백질과 E3 ligase의 동시에 결합하는 물질이지만, PROTAC과 달리 단일 화학적 요소로 이루어진 경우가 대부분이다. 즉, E3 ligase에 결합한 분자 접착제가 표적 단백질에 결합하도록 유도할 수 있다.(PROTAC은 표적 단백질과 E3 ligase 결합 화합물 간의 상호작용만 유도)

◆ 대부분의 분자 접착제는 우연히 발견된 물질이다. 가령 현재 가장 널리 사용되는 분자 접착제 기반의 의약물인 레날리도마이드(Lenalidomide)는 탈리도마이드 (Thalidomide)의 유도체로써, 1960년대 임산부가 복용해서 기형아 출산을 유도하여 사회적으로 큰 물의를 일으킨 물질에서 기원한다. 이후 다발성 골수종에 대한 치료 효과가 알려져서 다발성 골수종 치료에 사용되었고, 2010년 이후에 정확한 작용 기전이 알려지게 된다.

3. 분자 접착제 기반의 신약 개발 동향

 현재 PROTAC 기반의 신약은 임상 시험 단계에 머물러 있고 아직 FDA의 신약승인 약물이 없는 반면, 분자 접착제 기반의 약물은 기존 골수종 치료제인 레날리도마이드(상품명 레블리미드)가 2021년에 128억 달러의 매출을 기록할 만큼 널리 사용되고 있다. 탈리도마이드의 유도체인 레날리도마이드는 2007년 다발성 골수종 환자 대상으로 사용이 허가되었다. 그렇다면 탈리도마이드와 그 유도체인 레날리도마이드는 어떤 기작에 의해서 항암 효과를 내는가? 1994년 탈리도마이드가 혈관 신생을 억제하여 암세포의 성장을 억제한다는 것이 밝혀진 이후[2], 여러 가지 면역세포에 영향을 미쳐 T 세포를 자극하거나 자연살해세포(NaturalKillerCell)를 활성화하여 면역세포에 의한 암세포 공격을 촉진하기도 한다는 것이 밝혀졌다. 그리고 암세포에 직접 작용하여 세포자살(apoptosis)을 유도할 수 있다는 것도 밝혀졌다.

 그러나 탈리도마이드의 직접적인 표적 단백질은 2010년까지 알려지지 않은 상태였고, 따라서 정확한 약리 기작 역시 알려지지 않은 상태였다. 도쿄 공업대의 한다 히로시 교수 연구팀은 이를 규명하기 위하여 탈리도마이드에 자석 나노입자를 연결하여 탈리도마이드에 결합하는 단백질을 찾으려고 했다. 탈리도마이드에 결합한 단백질을 질량분석을 통하여 E3 ligase 복합체의 기질 어댑터(substrate adaptor), 세레브론(Cereblon, CRBN)이라는 것을 확인하였다 [3]. 탈리도마이드는 세레브론에 결합하고, 세레브론에 결합한 DDB1은 CUL4 스캐폴드, RBX1ring finger 단백질과 함께 E3 ligase 복합체를 형성하여 표적 단백질의 분해를 유도하는 작용 메커니즘이 규명되었다.

출처 : Journal of Biological Chemistry, Regulating the Regulators: Recent Revelations in the control of E3 Ubiquitin Ligases

[그림 1] E3 ligase 복합체의 기질 어댑터, CRBN에 결합한 탈리도마이드

 탈리도마이드‧레날리도마이드에 의해서 분해되는 단백질은 면역세포에서 특이적으로 발현되는 전사인자인 이카로스(Ikaros,IKZF1)와 아이올로스(Aiolos,IKZF3)로 밝혀졌다 [4]. 이카로스‧아이올로스는 여러 혈액 유래 면역세포, 특히 B 세포 분화 과정에 필요한 전사인자로 B 세포 유래의 형질세포가 비정상적으로 분화하고 증식하여 생긴 다발성 골수종의 암세포의 증식 및 생존에 필수적이다. 즉, 레날리도마이드에 의해서 이카로스와 아이올로스 전사인자의 분해가 유도되어 골수종 암세포로의 생존을 억제하는 것이 탈리도마이드가 다발성 골수종을 치료하는 주요 기전이었던 것이다.

 탈리도마이드‧레날리도마이드의 기전이 알려진 이후 다른 표적단백질을 분해할 수 있는 새로운 분자접착제에 대한 연구가 시작되었다. 2016년 셀진(CellGen)은 레날리도마이드의 유도체인 CC-885을 발표하였고, 이 물질은 단백질 번역 종결에 관련된 단백질인 GSPT1을 분해하여 다양한 종류의 암세포의 사멸을 유도하였다 [5]. 그러나 CC-885는 GSPT1 이외에도 레날리도마이드가 분해를 유도하던 이카로스‧아이올로스 등의 다양한 단백질의 분해를 유도하였고, 이로 인해 높은 독성을 보였다. 이러한 CC-885의 독성을 낮추기 위하여 두 종류의 유도체가 개발되었다. 에라기도마이드(Eragidomide,CC-90009)는 GSPT1를, 메지도마이드(Mezigdomide,CC-92840)는 이카로스‧아이올로스를 특이적으로 분해하며, 에라기도마이드는 급성골수성 백혈병 대상으로, 메지도마이드는 다발성 골수종 대상으로 현재 임상 시험중이다[6,7].

출처 : Nature, 535(7611), A novel cereblon modulator recruits GSPT1 to the CRL4 CRBN ubiquitin ligase. 

[그림 2] 분자접착체(CC-885)에 의한 E3 ligase 복합체와 분해 표적 단백질(GSPT1)의 연결

 이러한 소분자 약물 기반의 분자접착제 약물은 투여된 이후 시스템적으로 작용하며 표적 세포가 아닌 정상 세포에서도 작용하여 어느 정도는 부작용이나 독성을 나타낼 수 밖에 없다. ㈜오름테라퓨틱은 이러한 문제를 극복하기 위하여 암세포 특이적인 항체를 이용하여 암세포 특이적으로 분자접착제 기반의 TPD 약물을 전달하는 기술인 TPD²를 개발하였다. TPD² 기술에 의해서 항체에 결합된 분자접착체 약물은 세포 표면에 암세포의 마커가 존재하는 세포에 특이적으로 결합하고, 세포내이입(Endocytosis)을 통해 세포 내로 약물을 전달하고 표적 단백질 분해를 유도하여 암세포에서만 특이적으로 표적 단백질 분해와 암세포 사멸을 유도하게 된다. HER2 특이적 항체에 GSPT1을 분해하는 분자접착제 기반 약물인 SMol006가 결합된 후보물질인 ORM-5029는 2023년 현재 HER2(+) 유방암 환자를 대상으로 미국 임상 1상 연구 중이며[8], 급성 백혈병 세포의 표면 마커인 CD33을 인식하는 항체에 SMol006가 결합된 후보물질인 ORM-6151은 전임상 연구를 마치고 미국 FDA로부터 임상시험승인시험계획을 승인받아 급성 백혈병 환자 대상으로 임상 1상이 진행될 예정이다[9].

 지금까지 언급한 분자 접착제는 모두 세레브론에 작용하는 탈리도마이드 유도체였다. 그러나 인간에는 약 600종의 E3 Ubiqutin ligase가 존재한다. 세레브론이 아닌 다른 E3 ligase에 작용하는 분자 접착제 약물도 존재한다. 인디술람(indisulam)은 1999년 일본 제약사 에사이에서 발견한 세포 분열 억제제로 직장암이나 폐암 등 일부 암세포에서 특이적으로 암세포 성장을 억제하는 특징을 가지고 있었다[10]. 그러나 인디술람 역시 탈리도마이드와 같이 생물학적 활성에 기반하여 발굴된 화합물로서 어떤 표적에 작용하는지는 알려지지 않았다. 2017년 인디술람 역시 탈리도마이드와 같이 분자 접착제로 작용한다는 것이 밝혀졌다[11]. 인디술람은 세레브론에 결합하지는 않고, DCAF15라는 E3 ligase 어댑터에 결합하여 RBM39라는 단백질을 분해함으로써 독성을 나타낸다. RBM39는 mRNA의 스플라이싱(Splicing)에 관여하는 단백질로 인디술람에 의해서 RBM39가 분해되면, mRNA 형성에 문제가 발생해 결과적으로 암세포가 사멸된다.

출처 : https://www.orumrx.com/science

[그림 3] (주)오름테라퓨틱의 TPD2 플랫폼. 

①표적 암세포의 마커를 인식하는 항체에 GSPT1을 분해하는 분자 접착제 페이로드(payload)가 결합된 ADC(Antibody-drug conjugate)는 세포내이입(Endocytosis)을 통하여 표적 세포 내로 흡수된다. ②라이소좀(Lysosome)에서 분해되어 세포질로 방출된 분자접착체 페이로드는 E3 ligase 복합체의 Cereblon 어댑터와 결합하여 단백질 번역 종결 인자인 GSPT1을 유비퀴틴화한다 ③유비퀴틴이 결합된 GSPT1은 유비퀴틴-프로테오솜 시스템에 의해서 분해된다 ④GSPT1의 분해는 단백질 합성을 저해하고 세포 사멸을 유도한다.

...................(계속)

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