암세포 특이적 세포사멸을 위한 분자 마커의 발굴 · 암세포 특이적...

암세포 특이적 세포사멸을 위한

분자 마커의 발굴

논 단

01 분자세포생물학 뉴스레터

서 론

많은 연구가 진행되었음에도 불구하고, 암은 여전히 우리에

게 정복되지 않은 대상으로 남아있다. 암 정복을 위한 수 많은

연구의 결과로 암 진단을 위한 분자 마커의 발굴, 세포의 조직

및 특성에 따른 anti-cancer therapy의 방안이 제시되면서

이를 이용한 다양한 항암 후보물질들을 개발되었다. 발생된 암

조직을 기원 조직 혹은 분자 마커로 분류하고, 그에 최적화된

항암 후보물질을 처리함으로써 다양한 암들을 정복하고자 하

는 시도이다. 이러한 시도는 향후 더 가속화 될 것으로 보인다.

암 및 난치병 질환의 치료를 위한 맞춤형 의학에 대한 관심이

높아지면서, 우리는 대량의 정보를 이용하여 다양한 암세포를

또 다른 새로운 기준으로 분류하는데 많은 시간과 돈을 투자

할 것이다. 하지만, 이쯤에서 한번 쯤 생각해보게 된다. 암세포

를 여러 기준으로 분류하고, 그에 적합한 다양한 anti-cancer

therapy를 적용하겠지만, 그 모든 therapy를 정상세포가 다

버텨낼 수 있을지. 특히나 환우가 암 이외에 다른 질환을 가지

고 있을 경우 그로 인한 부작용은 심각하게 나타날 수도 있다.

그리고 원인이 많고, 그 암의 타입이 여러 가지라 하더라도, 이

들의 공통된 암세포만의 특징을 알아낼 수 있다면, 미래 어느

순간 암치료를 위해 알약 하나만 먹으면 되는 날이 올 수 있는

건 아닌지.

정상세포가 암세포가 되기까지의 유도인자는 매우 다양

하지만, 이 모든 암세포들은 암으로써의 특징, 즉, 지속적인

proliferation을 유도하기 위해 몇 가지 과정이 반드시 수반되

어야 한다. 첫 번째로 에너지원을 얻기 위한 biosynthesis가

유도되어야 하고, 두 번째는 이로 인해 생성되는 세포 waste를

효과적으로 처리하기 위한 시스템을 구축해야 한다 (1). 이러

한 특징은 암세포들의 공통적인 특징이기 때문에, 이와 관련된

민 나 영

중앙대학교 (Ph.D.)

[email protected]

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분자 마커 혹은 관련 signaling pathway를 막을 경우 다양한

암세포의 생존 및 성장을 막을 수 있을 것이다. 암세포 특이적

metabolite를 저해함으로써 암의 생존 및 발생을 막고자 하는

아이디어는 1923년 Warburg가 주창한 이래로 계속되어 왔다

(2). 하지만, 이 같은 특징들이 모두 암세포 특이적 세포사멸을

위한 마커로 사용되기는 힘들다. 그들 중 대부분은 정상세포에

서도 중요한 기능을 하고 있을 뿐만 아니라, 우리 신체에는 분

열하고 있는 정상 세포들도 기 존재하기 때문이다.

본 논단에서는 암세포 특이적으로 발현되면서 암세포의 특

징에 필수적으로 역할을 하고 있는 몇 가지 마커들을 소개하

고, 이와 관련된 항암 후보물질들의 적용 결과들을 소개함으로

써 다양한 암세포를 대상으로 암 특이적 세포사멸을 유도할 수

있는 가능성을 제시해보고자 한다.

Metabolic transformation을 통한

cancer therapy

암세포의 metabolism은 정상세포와 확연한 차이를 보인다.

암세포는 지속적인 proliferation을 유지해야 하고, 세포 사멸을

위한 signaling pathway를 피해야 하며, oxidative damage의

축적을 최소화해야 하는 숙제를 안고 있다. 이를 위해 암세포는

metabolic pathway를 변형시키고, 환경에 적응해 나감으로써

암세포로써의 생존을 유지해 나가고 있다. 생존을 위한 암세포

의 이러한 변화는 Nucleotide bioynthesis, Glycolysis, Amino

acid metabolism, Lipid metabolism, ROS scavenging

pathway등 다양한 metabolic pathway의 변화를 포함하며,

이와 관련된 분자 기전이 수 십 년간 연구되어 왔으며, anti-

cancer therapy를 위한 target으로 연구되고 있다 (3). 여기서

는 여러 pathway 및 관련 단백질 중 암세포 특이적 세포사멸을

유도할 수 있는 몇몇 분자 마커들을 소개한다.

Nucleotide biosynthesis 저해를 통한

선택적인 암세포의 사멸 유도

암세포의 metabolic pathway를 저해함으로서 항암효과를

확인하고자 했던 접근 중 가장 먼저 target이 되었던 것은 DNA

synthesis 과정이었다. 5-Fluorouracil (5-FU), cytarabine

(Ara-C), methotrexate는 모두 nucleotide biosynthetic

pathway를 막음으로써 암세포의 proliferation을 막는 항암

후보 물질이었으며, 미국 FDA의 승인도 받은 약제들이다 (4).

암세포가 정상세포에 비해 DNA synthesis를 더 활발히 수행

할 것이라는 것은 사실이지만, DNA synthesis는 정상세포에

서도 일어나는 필수적인 경로이기 때문에 위에 언급한 세 가지

molecule들은 암세포 특이성이 떨어졌다. 이에 이를 보완하기

위한 방법들이 고안되었다. 정상세포들은 nucleoside를 포함한

외부 영양물질로부터 nucleotide를 주로 얻게 되는 반면, 암세

포의 경우 vasculization의 결핍 및 세포 자체의 proliferation

이 증가로 nucleotide의 endogenous synthetic pathway에 더

의존할 수밖에 없게 된다. 이때 암세포는 pentose phosphate

pathway (PP pathway), glutaminolysis 그리고 TCA cycle의

endogenous pathway를 활성화 시킴으로써 부족한 nucleotide

를 추가 생성하게 된다 (그림 1, 5). 이 중 PP pathway는 암세

포 특이적 세포사멸을 유도하기 위한 좋은 target으로 알려져

있다. 기존의 보고에 따르면 glucose-6P 및 Fructose-6P로

MOLECULAR AND CELLULAR BIOLOGY NEWSLETTER

그림 1. 다양한 oncogene 및 tumor suppressor gene에 의한

암세포의 metabolic remodeling (8)

부터 유래되는 ribose-5-P(R5P)가 생성되면서 PP pathway

가 활성화 되는데, 이때 Fructose-6P로부터 R5P의 생성 과정

에 관여하는 Transketolase-like protein 1(TKTL1)의 발현을

저해하였을 경우 암세포의 proliferation을 저해함은 물론, 암세

포의 특징인 lactate 생성을 감소시키고, ROS 생성 compound

에 대한 민감성을 증가시키는 것으로 보고되었다 (6, 7). 흥미

롭게도 PP pathway는 다양한 암세포에서 activation 되어 있

고, 우리가 익히 알고 있는 발암과 관련된 oncogene 및 tumor

suppressor gene들이 PP pathway activator 및 repressor로

작용하는 것으로 보고되어 있어, 이 경로를 저해할 경우 암세포

특이적 반응을 유도할 수 있을 뿐만 아니라, 굉장히 다양한 암을

대상으로한 항암 효과를 기대할 수 있을 것으로 생각된다.

암세포 특이적 ROS 과 생성 유도를 통한


암세포는 지속적인 proliferation을 유도하기 위해 많은 ATP를

합성해야 하며, superoxide (O2-), hydroxyl (HO-), hydrogen

peroxide (H2O2)와 같은 ROS(reactive oxygen species)는

mitochondria, peroxisomes, endoplasmic reticulum 등의 세

포 소기관에서 일어나는 metabolic reaction을 통해 발생함으

로써 정상세포 보다 높은 수치의 ROS 를 생성하는 것으로 알려

져 있다 (9). 이 같은 암세포의 특징은 암세포 특이적 세포사멸을

유도하기 위한 중요한 target이다. 최근 ROS를 생성하는 pro-

oxidant molecule이 암세포 특이적 ROS　stress를 유도함으로

써 다양한 암세포의 세포사멸을 유도한다는 사실이 보고되었다

(10). 암세포가 정상세포에 비해 ROS 레벨이 높을 뿐만 아니라,

암세포의 발달이 진행될수록 ROS의 레벨이 더 높기 때문에, 외

부 처리에 의해 세포 내 ROS 레벨을 증가시켜 암세포를 선택적

으로 사멸시키고자 하는 전략이다(그림 2).

Taurolidine, Piperlongumine, EGCG는 암세포 특이적

ROS induction을 통해 암세포의 세포사멸을 유도하는 분자

들인데, 이들 분자들의 공통점은 암세포의 타입이나 기원조

직과 상관없이 세포사멸을 유도한다는 점, 정상세포에는 세

포사멸을 유도하지 않는다는 점, 그리고 ROS 생성 억제제인

N-acetylcysteine (NAC)의 처리에 의해 암세포의 세포사멸 효

과가 극감한다는 점이다 (10, 12, 13). 한 가지 집중해야 할 부

분은, ROS 생성과 관련된 모든 drug들이 모두 암세포 특이

적 세포사멸을 유도하는 것은 아니라는 점이다. ROS의 과도

한 생성은 정상세포에도 해롭기 때문에 ROS 생성과 관련된 많

은 drug들이 정상세포에도 악영향을 미침으로써 부작용을 드

러냈다. 하지만, Taurolidine, Piperlongumine, EGCG의 경

우 다른 ROS 생성 분자들과는 달리 암세포 특이적인 ROS 생성

을 유도함에 따라, 이들이 암세포 특이적인 ROS inducer의 촉

매 혹은 ROS scavenger의 저해 등의 특별한 분자 기전을 매개

하여 암세포 특이적 세포사멸을 유도할 것으로 생각하고 있다

(11). Piperlongumine의 경우 Glutathione S-transferase pi

1(GSTP1)와 결합함으로써 이들 단백질의 기능을 저해할 가능

성이 있다고 보고하였다 (12). GSTP1은 glutathione(GSH) 환

원을 유도하는 효소로 ROS에 의해 산화된 GSSG (glutathione

disulfide)를 GSH로 환원시키는 역할을 하고 있다 (그림 3; 14).

실제로 GSH와 GSSG의 ratio는 세포 내 다양한 signaling

pathway에 관여하고 있으며, GSH/GSSH가 감소할 경


논 단

그림 2. 정상세포 및 암세포 stage 별 ROS의 레벨 및 조절 (11)

그림 3. GSH에 의한 ROS scavenging cycle (14)

우 antioxidant defense 능력이 떨어지는 것으로 보고되

어 있는데(그림 4; 15), piperlongumine을 처리의 경우에도

piperlongumine이 GSTP1과 결합함으로써 GSSG를 증가,

GSH를 감소시킴으로써 H2O2의 scavenging을 억제하여 ROS

레벨이 증가시킴으로써 암세포의 사멸을 유도하는 것으로 사

료된다 (12). 하지만, 정상세포에서의 경우 piperlongumine

을 처리했음에도 불구하고, GSSG의 레벨이 증가하지 않았

다 (12). 이 같은 결과는 piperlongumine의 처리에 의해 암

세포 특이적으로 ROS가 과다 생성된 현상을 설명할 수 있으

나, piperlongumine이 어떠한 경로를 통해 암세포 특이적으로

GSTP1의 기능을 저해하는지에 대해서는 아직 더 연구가 필요

한 상황이다.

암세포 특이적 ROS 생성을 통해 암세포를 선택적으로 죽이

고자 하는 방안은 이미 이러한 효과를 보이는 여러 항암 후보물

질이 있음에도 불구하고, 명확한 분자기전은 밝혀지지 않은 상

태에 머물러 있다. 향 후 이러한 분자기전이 밝혀질 경우 암세

포 특이적 세포사멸을 유도하기 위한 강력한 분자 마커를 발굴

할 수 있을 것으로 기대된다.

암세포 특이적 발현 마커를 이용한


67 kDa lamine receptor (67LR)는 laminin-binding 단백

질로 암세포의 invasion, adhesion, apoptosis, angiogenesis

등 암의 여러 특징에 관여해 있는 것으로 알려져 있다 (16). 최

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그림 4. Glutathion redox regulation의 세포 내 주요 기능

그림 5. 67LR의 암세포 특이적 발현 양상 A. 다양한 조직에서 정상 및 암세포에서의 67LR의 발현 양상 (18)

B. 정상 및 암세포에서의 67LR의 발현양상 (18) C. 암세포의 stage에 따른 67LR의 발현 양상 (19)

논 단


근 여러 보고들을 통해 67LR이 암세포 특이적 세포사멸을 유도

하기 위한 마커로써의 기능들이 보고되었기에 이곳에 소개하고

자 한다.

67LR은 37LRP/p40(p40 ribosomal protein)의 단량체 2

개가 dimer를 형성한 형태로, 37LRP의 경우 세포 내에서

ribosomal protein으로 기능을 하고, dimer인 67LR은 세포막

에 위치함으로써 laminin-1의 receptor 역할을 하고 있는 것으

로 알려져 있다 (17). 최근 67LR이 다양한 암세포에서 과발현

되어 있으며, 암세포의 단계가 진행됨에 따라 그 발현도 증가하

는 것으로 보고되었다 (그림 5; 18, 19).

그런데, 67LR은 암세포에서만 특이적으로 세포막에 위치하

면서 암세포 내 여러 signaling pathway에 영향을 미치고 있

다는 보고들이 발표되었다 (16). 이로 인해 세포 막 바깥쪽에 노

출되어 있는 C-terminal 부위를 epitope으로 하는 항체를 처

리할 경우 암세포의 proliferation이 억제되었을 뿐만 아니라,

angiogenesis의 억제, 암세포의 adhesion 및 invasion의 억

제 효과를 보였다 (그림 6; 16). 뿐만 아니라, 여러 다양한 항암

물질에 대한 저항성을 떨어트림으로써 암세포 사멸을 촉진하는

것으로 알려졌다 (그림 6).

67LR의 항암 후보물질로써의 가능성은 EGCG가 67LR에 결

합함으로써 암세포 특이적 세포사멸을 유도한다는 논문들을 통

해 설득력을 더하게 되었다. 67LR은 EGCG와 물리적으로 결합

을 통하여 암세포의 사멸을 유도하며, 67LR에 대한 antibody

를 선처리 할 경우 EGCG에 의한 암세포 사멸이 저해된다는 사

실이 보고되었다 (20). 이처럼 67LR이 암세포 특이적으로 세포

막에 위치함은 물론, 암세포의 proliferation을 포함한 암세포

의 다양한 특징에서 관여하고 있다는 사실은 정상세포에 대한

영향 없이 암세포를 죽이기 위한 분자 마커로써의 활용 가능성

이 크다는 사실을 시사한다.

결론

수많은 노력에도 불구하고 아직 정복되지 못한 질환인 암.

다양한 연구가 수행되었고, 치료를 위한 접근 방식은 다르지

만, 암치료의 최종 목적, 즉, ‘정상세포에 영향을 주지 않으면

서 암세포 특이적으로 세포사멸을 유도한다‘라는 목적은 동일

그림 6. 67LR에 대한 항체 처리를 통한 암세포 억제 효과 A. tumorigenesis과정에서의 67LR의 과발현 및 세포막으로의 위치 B. 67LR 항체 처리에

의한 암세포의 adhesion 및 invasion의 억제 C. 67LR 항체 처리에 의한 angiogenesis의 저해 D. 67LR 발현 억제 의한 항암제 감수성의 증가 (16)


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할 것이다. 본 논단에서는 암세포 특이적인 세포사멸을 위한

몇 가지 후보 마커들을 소개하였다. 소개한 분자 마커 이외에

도 다양한 마커가 존재할 가능성이 충분히 있고, 소개된 마커

들도 실제로 환자들에게 적용하기 위해서는 추가적인 연구가

필수적인 상태이다. 정상세포와 암세포의 차이점, 모든 암에

적용 가능한 항암 치료법을 찾는다는 것이 개인 맞춤형 치료를

위한 대량 정보의 분석에 맞춰진 현재의 연구의 방향에 역행한

다는 생각이 들 수도 있다. 하지만 다양한 특징을 밝혀가고 분

류하는 이 과정은 공통된 특징으로 다양한 암들을 다시 모아

가는 과정을 위해서도 필요한 과정이므로, 절대 서로 다른 일

이 아니다. 현재 우리는 대량 정보를 분석할 수 있는 시대에 있

다. 정보의 홍수 속에 있지만, 결국 모든 암세포들의 사멸을 유

도할 수 있는 bottle neck이 있을 것이라는 믿음으로 현재의

data들을 바라보면 좋겠다. 과거를 돌아보면, 우리 인간은 상

상했던 일을 항상 현실로 끌어냈다.

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민 나 영

2012 중앙대학교생명과학과박사

2013-2016 중앙대학교생명과학과박사후연구원

저자약력

암세포 특이적 세포사멸을 위한 분자 마커의 발굴 · 암세포 특이적...

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