김형기 교수팀, 암줄기세포의 암세포 성장, 악성화 촉진 메커니즘 규명
뇌종양 등 암의 정밀 표적치료 가능성 기대
▲ 왼쪽부터 교신저자 생명공학부 김형기 교수, 제1저자 김 훈(Xun Jin)박사, 전혜민 박사
생명과학대학 생명공학과 김형기 교수팀은 최근 암 발생, 전이, 재발 원인인 암줄기세포가 스스로 세포 내에서 특이 신호를 활성화시켜 암의 악성을 유지하고, 암 세포 성장을 촉진시킨다는 사실을 발견했다.
* 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 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)와 보건복지부 세계선도 의생명과학자 육성사업(Medi-Star)(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 연구결과는 세포생물학 분야 국제적 저명 학술지 셀 리포트(Cell Reports) 7월 28일자에 게재됐다.
- 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)
연구진은 뇌종양 줄기세포에 단백질 'ID1'이 유독 많다는 점에 주목했다. ID1은 줄기세포가 다른 세포로 분화하는 것을 막는 기능이 있다고 알려졌다.
연구진은 실험을 통해 ID1이 암줄기세포 안의 다른 단백질인 글라이2, 디세빌드2 등의 활성을 조절한다는 것을 찾았다. 이들 단백질의 작용으로 암줄기세포는 암세포로 분화할 수 있는 성질을 유지했고 다른 암세포가 성장할 수 있게 도왔다.
암을 치료하기 위해서는 암줄기세포 주변의 환경을 척박하게 만드는 것뿐 아니라 암줄기세포 안에 있는 단백질의 작용을 막는 것도 중요하다는 것을 새로 밝힌 것이다. 연구진은 또 암 환자 48명에서 실제로 이 같은 단백질 사이의 작용이 있다는 것도 확인했다.
김형기 교수는 "암줄기세포의 특성에 따라 맞춤형 치료를 하는 것이 암의 전이나 재발을 방지할 수 있는 새로운 치료 대안이 될 것"이라고 연구의 의의를 설명했다.
[ 용 어 설 명 ]
1. 교모세포종 (Glioblastoma)
○ 교모세포종은 4등급의 신경교종으로 신경교종 중에서 가장 악성이며 조직학적으로는 역형성 성상 세포종에 괴사소견이 추가된 것입니다. 이 종양은 가장 흔한 악성 원발성 뇌종양으로 성인 신경교종의 1/4, 소아 신경교종의 15%를 차지하며 진단 치료 후 평균 생존율이 14개월 이내인 악성 종양이다.
2. 암줄기세포 (Cancer stem cell)
○ 거의 모든 암에서 발견되는 정상적인 줄기세포와 유사한 자기 재생과 분화능력 특징을 갖고 있는 소수의 암세포로서 줄기세포 능력이 없는 일반 분화된 암세포와 다르게 이들 암줄기세포만이 종양을 형성할 수 있으며, 특히 전이 및 항암치료 후 재발 원인이 되는 세포로 알려져 있다.
3. 신호체계 (signaling pathway)
○ 세포 외부의 특이적인 신호나 변화를 세포막 수용체가 인지하여 세포 내 단백질들의 체계적이고 역동적인 변화를 일으켜 세포의 특성 유지과 기능을 수행하는 과정에 관여하는 이들 분자 간의 상호 연결과 역동적인 변화를 의미한다.
4. 분화억제인자1(Inhibitor of Differentiation 1)
○ 헬릭스-루프-헬릭스(Helix-Loop-Helix) 구조를 가지며 DNA 결합능력이 없는 단백질로서 DNA 결합능력이 있는 헬릭스-루프-헬릭스 구조를 가진 다른 전사인자(transcription factor)와 결합하여 유전자 전사(transcription)을 억제하는 작용을 한다. 보통 세포 분화를 유도하는 전사인자들을 억제하여 세포 분화를 억제하고, 줄기세포 능력을 유지하도록 하는 기능이 알려져 있다.
5. 단백질분해조절인자(E3 ubiquitin ligase, CULLIN3)
○ 특정 단백질을 인식해 유비퀴틴화를 유도하는 유비퀴틴(단백질분해 효소가 분해할 단백질을 인식하는데 중요한 역할을 담당하는 단백질) 연결효소를 말한다.
6. 소닉헷지호그 (Sonic hedgehog: SHH)
○ 소닉헷지호그 신호는 다양한 조직에서 줄기세포를 유지하는데 중요한 역할을 하며, SHH 신호 전달 체계에 관련된 다양한 인자의 변이에 의해 암줄기세포가 형성될 수 있다.
7. 윈트 (WNT)
○ 성체에서 윈트는 소장, 뼈 등을 비롯한 다양한 조직의 발달 단계에서 운명을 결정한다. 비이상적인 윈트 신호의 활성화는 간암, 대장암, 급성 골수병, 백혈병 등 다양한 암에서 발견되고, 암줄기세포의 특성이 조절된다.
8. 글라이2 (GLI2)
○ 소닉헷지호그 신호를 받아 세포내에서 유전자 발현을 조절하는 단백질
9. 디세빌드2 (DVL2)
○ 윈트 신호를 세포 내에서 전달하는 단백질
10. 사이클린 (Cyclin E)
○ 세포분열을 촉진시키는 단백질
11. 면역침전법
○ 항체를 이용하여 특정 단백질을 침전시켜 단백질의 존재 또는 단백질간의 결합 유무를 분석하는 방법
12. 발광분석기법
○ 루시퍼레이즈(Luciferase) 라는 효소의 활성에 의해 생성되는 발광 정도를 분석하여 유전자 발현의 활성을 확인하는 방법
[ 그 림 설 명 ]
▲ (그림 1) 환자 유래 뇌종양줄기세포 모델에서 ID1-CULLIN3에 의해 소닉헷지호그(SHH)와 윈트(WNT) 신호 조절 효과 증명 실험
(A-E) 환자 유래 뇌종양줄기세포에서 세포분화억제인자(ID1)의 발현을 억제했을 때, 뇌종양줄기세포 특성이 억제되며(A와 B) 실험동물에서 뇌종양 형성이 감소됐다(C). 세포분화억제인자(ID1) 억제에 의해 퀄린3(CULLIN3)의 발현이 증가했고, 이를 통해 하부 신호인 소닉헷지호그와 윈트 신호 인자의 발현이 감소했다(D와 E).
(F-G) 차세대염기서열(NGS) 분석으로 수행한 RNA 시퀀싱 데이터를 기반으로 소닉헷지호그와 윈트 신호에 의해 조절되는 하부 유전자의 유전자 집단 농축도 분석(gene set enrichment assay)을 한 결과, 세포분화억제인자(ID1)의 발현이 낮은 그룹에서 소닉헷지호그와 윈트 신호 하부 유전자 발현이 낮다는 것을 확인했다.
▲ (그림 2) 346명의 뇌종양 환자 데이터를 바탕으로 뇌종양의 종류, 등급, 하위 그룹에서의 ID1과 CULLIN3 발현의 상관관계 및 예후와의 관련성을 확인하고, 하부 신호를 억제하였을 때의 효과를 검증
(A-G) 램브란트(REMBRANDT) 데이터베이스를 통해 346명의 뇌종양 환자의 임상자료를 분석하여, 세포분화억제인자(ID1)와 퀄린3이 특히 4등급의 악성 교모세포종에서 역의 상관관계를 지니고(A-C), 세포분화억제인자(ID1)의 발현이 높고 퀄린3의 발현이 낮은 그룹의 환자 예후가 가장 나쁘며(D), 이러한 발현은 상위 리간드인 소닉헷지호그나 윈트와는 독립적으로 나타난다는 것을 확인했다(E-G).
(H-I) 소닉헷지호그와 윈트 억제제를 복합처리 했을 때 뇌종양줄기세포 특성이 감소되는 것을 확인했다.
▲ (그림 3) 뇌종양줄기세포가 외부의 도움없이 스스로 세포 내 SHH와 WNT 신호를 동시에 활성화시켜 줄기세포 성격을 유지하는 메커니즘 제시
(설명) 세포분화억제인자(ID1)가 단백질분해조절인자인 퀄린3(CULLIN3) 발현을 억제함으로써 퀄린3에 의해 단백질이 분해되는 세포분열촉진인자인 사이클린(Cyclin E), 세포 내 소닉헷지호그 신호 전달 전사인자인 글라이2(GLI2)와 세포내 윈트 신호 전달 인자인 디세빌드2(DVL2) 단백질이 증가하여 뇌종양줄기세포 유지에 중요한 신호인 소닉헷지호그와 윈트 신호를 외부 신호에 의존하지 않고 독립적으로 활성화시키며, 이들 신호를 억제하기 위해서는 세포 내 신호인자인 글라이2 및 베타-카테닌(β-Catenin)을 직접적으로 억제해야 종양 진행을 억제할 수 있다.