순수 국내연구진이 피로물질로 알려진 젖산(Lactate)이 세포성장 및 혈관생성을 조절하는 중요한 신호물질로써 작용함을 규명하였다. 향후 젖산과 작용하는 세포신호전달체계 조절을 통한 암 및 염증질환 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 

한국생명공학연구원(이하 생명연) 유전체구조연구센터 염영일 박사팀(교신저자: 염영일/박경찬 박사, 제1저자: 이동철 박사)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 생물학 분야의 세계적 저널인 셀지(Cell, IF 33.116) 4월16일자(한국시각 4월17일) 온라인 판에 게재되었다. 

     

젖산은 급격한 운동시에 근육세포에서 해당작용(glycolysis)으로 세포 에너지원인 포도당(glucose)이 분해될 때 생산ㆍ분비되며, 근육통증을 유발하는 피로물질로써 잘 알려져 있다. 

젖산은 산소가 적은 상황에서 해당작용(glycolysis)이 활성화되는 경우에도 다량 생성되는데, 특히 세포증식 활동이 활발한 암세포에서 이런 상황이 빈번하게 나타난다. 

저산소 상태에서 암세포에 의한 젖산 생성이 암의 악성화와 관련 있음이 일부 보고된 바 있으나, 암세포에서 젖산의 역할과 세부적인 작용기전에 대해서는 아직까지 알려져 있지 않았다.

연구팀은 저산소 환경의 암세포에서 발현이 증가되고, 암세포의 성장과 암세포로의 혈관 생성을 위한 신호를 유발함으로써 암성장을 촉진하는 단백질(이하, ‘NDRG3’^*)을 새롭게 발견하였으며, 이 단백질이 젖산과 상호작용한다는 사실을 알아냈다. 

연구팀은 실험을 통해 NDRG3 혹은 젖산생성 효소가 결여된 간암세포주는 종양형성 능력이 현저히 떨어짐을 확인했으며, 반대로 젖산생성 효소가 결여된 간암세포에 NDRG3을 인위적으로 발현시키면 간암세포의 종양형성이 크게 증가함을 확인하였다. 

이러한 사실은 암 세포의 주요 대사산물인 젖산이 암 유전자인 NDRG3 단백질을 증가시키며, 이는 곧 젖산이 암 세포 성장 및 악성화를 유도하는 중요한 세포신호인자로 작용함을 규명한 것이라고 할 수 있다.

다시 말해, NDRG3 단백질과 젖산이 결합하여 NDRG3 단백질 분해가 억제됨으로써 암세포에 NDRG3를 축적시키고, NDRG3는 암세포에 성장을 촉진하는 신호를 보냄으로써 암을 악화시킨다는 것이다.

연구책임자인 염영일 박사는 “동 연구성과는 암 및 염증 질환을 효과적으로 치료하기 위해서는 젖산의 생성을 조절하는 것이 중요하다는 사실을 밝힌 것”이라며, 

“새로이 발굴된 NDRG3의 조절을 통해 암세포의 대사과정과 신호전달체계를 동시에 표적으로 하는 효율적 암 치료제뿐만 아니라 염증 질환, 심혈관 질환, 고산병, 근위축증 및 근육노화 관련 질환 등의 치료제 개발에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

젖산(lactate)은 급격한 운동시에 세포의 에너지원인 포도당(glucose)이 근육세포에서 해당작용(glycolysis)을 통해 분해될 때 생산·분비되며, 근육통증을 유발하는 피로물질로써 잘 알려져 있다. 또한, 저산소 상태(hypoxia)에서 해당작용이 활성화 될 때에도 다량으로 생성된다.

저산소 상태에서 정상적인 세포는 생존 및 성장을 유지하기 위해 해당과정을 촉진시키고 혈관생성을 유도한다. 저산소 상태는 특히 세포증식 활동이 활발한 암세포에서 빈번하게 나타나는데, 이러한 특성이 암세포에서는 궁극적으로 암의 성장과 전이를 일으켜 암의 악성진행을 촉진시키는 원인이 될 뿐 아니라, 항암제 및 방사선 치료효과를 감소시키는 요인이 되기도 한다. 하지만, 암에서 젖산의 역할과 작용기전에 대해서는 아직까지 잘 알려져 있지 않다.

뿐만 아니라, 저산소 상태는 성인의 운동생리, 태아/영․유아의 발달 등 정상적인 생리적 현상을 비롯하여 염증성 질환, 허혈성 질환, 고산병 등 다양한 질병과도 밀접히 연관되어 있다.

현재까지 저산소 상태의 대표적 조절인자로 알려져 온 HIF-1α^*에 의한 신호기전의 차단만으로는 고형암 치료에 효율적으로 대처하기 어렵다는 증거들이 많이 보고되고 있으나, 저산소 상태에서 HIF-1α 이외의 신호기전에 관한 연구는 미미한 실정이어서 이 분야에 대한 연구의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다. 

   

연구팀은 기존에 피로물질로 알려져 왔던 젖산이 세포성장 및 혈관생성을 조절하는 신호물질로 작용함을 최초로 규명하였다.

이 연구에서 연구팀은 젖산에 의한 세포신호전달을 매개하는 새로운 단백질 NDRG3^*를 발견하였다.

   

정상적인 산소조건에서 NDRG3 단백질은 산화되어 분해되지만, 저산소 상태에서는 젖산 생성이 증가하고 NDRG3가 젖산과 결합하여 세포내에 NDRG3 단백질 양이 증가하게 된다.

저산소 상태의 암세포는 활발한 해당작용을 통해 다량의 젖산을 생성하는데, 이 결과 NDRG3 단백질이 축적되고 암세포 성장 및 혈관생성이 촉진됨을 확인하였다. 같은 맥락에서, NDRG3 혹은 젖산생성 효소가 결여된 암세포주는 종양형성 능력이 현저히 떨어짐을 확인했으며, 반면 젖산생성 효소가 결여된 암세포에 NDRG3을 인위적으로 발현시켰을 시 암세포의 종양형성이 크게 증가함을 확인하였다. 

즉, 본 연구의 성과는 피로물질로 알려진 젖산이 신규 암 유전자 NDRG3 단백질 발현을 조절하고, 이를 통해 세포성장 및 혈관생성을 유도하는 중요한 세포신호인자로써 작용함을 규명한 것이다. 그 결과 젖산 신호전달체계에 의한 정상적인 저산소 반응의 생리적 기전을 이해하게 되었을 뿐만 아니라, 이의 조절을 통한 관련 질병 치료제 개발의 가능성을 제시하고 있다.

본 연구의 젖산에 의한 세포신호전달체계 발견은 저산소 현상과 관련된 정상적 생리현상의 이해뿐만 아니라 암, 염증질환, 동맥경화와 같은 심혈관질환, 허혈성 질환, 산소농도가 낮은 고지대에서의 고산병 등 저산소 현상과 관련된 질병의 효율적인 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 만성폐쇄성 폐질환 등 젖산균 만성감염에 의한 질환 연구에도 활용가치가 클 것으로 예상된다. 

또한, 정상인에서 저산소 조건은 운동생리학적 변화, 태아/영․유아의 발달 등과 밀접히 연관되어 있다. 따라서 젖산신호전달체계에 대한 연구는 이러한 생명현상과 관련된 원천기술 연구에 중요한 발판이 될 것이다. 근위축증 환자나 노인성 근육 약화 등 근질환자의 근육증대 치료 및 근노화 예방 등 근육노화 관련 연구에도 활용가치가 클 것으로 예상된다. 

NDRG3의 발견과 그 작용기전에 대한 연구결과는 NDRG3를 통한 젖산의 생리학적 작용에 대한 분자수준에서의 이해와 더불어 NDRG3 활성 및 발현 조절에 의한 젖산 세포신호전달 조절기술 개발과 이를 통한 관련 질환 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 

1. 기존에 피로물질로 알려졌던 젖산(Lactate)이 세포성장 및 혈관생성 등을 조절하는 중요한 신호물질로써 작용함을 규명

2. 암 세포대사와 암 세포신호를 연결하는 주요 발암 유전자로써의 NDRG3 기능 및 작용기전을 규명 

1. 젖산에 의해 안정화되는 NDRG3을 표적으로 한 암 및 염증질환 치료를 위한 새로운 개념의 표적치료제 개발

2. HIF-의존적인 기전과 NDRG3 신호기전을 동시에 표적으로 하는 콤비네이션 치료 (combination therapy)를 통한 암 세포의 약물 저항성을 효과적으로 차단하는 복합치료 기술 개발

본 연구결과는 암 및 염증질환 치료의 새로운 개념과 검증된 치료표적을 제시하는 기초연구로서, 치료제 후보물질 발굴 및 임상 단계의 시도와 속도에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것

NDRG3 표적의 치료제 개발 전략 확립이 실용화를 위한 최우선 과제임. NDRG3은 치료제 개발에 용이한 효소활성을 가지고 있지 않으므로, NDRG3 단백질의 안정성 유지에 절대적으로 중요한 젖산 결합을 억제하는 물질 발굴 시스템 확립이 필요함.

고형암의 악성화에 있어서 주요한 요인이 되는 저산소증(hypoxia)에서 특이 발현(저산소 조건의 초기가 아닌 지속적인 저산소 조건 하에서 단백질 발현이 증가)을 나타내는 NDRG3 단백질을 발견한 후, 이의 발현 패턴으로부터 저산소 이외의 다른 요인이 필요할 것으로 가정하고 이 요인 발굴과 NDRG3 단백질 안정화 조절의 분자기전 연구 수행을 시작하였음. 

젖산과의 관련성을 파악하기 전, 미국화이자 사에 NDRG3 연구결과를 소개하면서 이에 대한 공동연구를 제안 하였으나, 실제 공동연구는 암 대사유전자 PKM2를 대상으로 하게 됨으로써 NDRG3 연구가 소홀히 될 수 있었음. 그러나 PKM2를 연구함으로써 암 대사의 중요성을 인지하게 되었고, 암 세포대사를 암 치료의 중요한 표적으로 인식하기 시작하던 바로 그때에, 시의적절한 이러한 암 세포대사의 중요성 인식으로 NDRG3 연구에 젖산의 관련성을 보다 일찍 고려하게 되었음.

세포대사와 세포신호를 표적화 하는 치료기술의 논리적 근거를 제시하였으므로, NDRG3을 대상으로 하는 새로운 고형암 및 염증질환 치료제 개발, 그리고 세포대사와 세포신호를 동시에 표적으로 하는 병합치료기술 개발

본 연구성과는 저산소 조건에서 NDRG3 발현증가가 HIF 단백질이 발현증가 하는 시간과 차이가 나는 점을 이상히 여기고 그 이유를 찾고자 함으로써 얻을 수 있었다. 조그마한 것에도 의문을 갖고, 새로운 시각과 창의적인 생각을 도입하면서 다양한 각도로 발전시킬 수 있는 노력을 하는 것이 중요함. 또한 본 성과는 오랜 시간동안, 지속된 연구결과와 반복되는 수정을 통해 얻을 수 있었기에 신진연구자들도 꾸준히 연구 노력을 지속한다면 좋은 결실을 얻을 수 있을 것임.    

 1. 해당작용(glycolysis)

 ◦ 포도당(C6H12O6)을 피루브산(CH3COCOO−+H+)으로 분해하는 과정으로써, 세포가 당을 분해하여 에너지와 생합성에 필요한 재료를 얻는 물질대사의 핵심적인 과정을 의미한다. 

 ◦ 근육 사용 시 필요한 에너지 생성과정에서 글리코겐이 분해되면서 생성되는 최종 산물이다.

 ◦ 무산소성 해당과정(anaerobic glycolysis)을 통해 피루브산이 젖산 탈수소효소(lactate dehydrogenase A, LDHA)에 의해서 분해됨으로써 생기는 물질이다. 

 ◦ 혈관으로부터 산소 공급이 제한됨으로 인해 조직 내 산소가 부족한 상태를 의미한다. 

 ◦ 고형암의 경우, 혈관생성을 능가하는 빠른 세포성장으로 인해 암 조직 내부에는 부분적 저산소 상태가 되어 암 세포가 악성화 되는 원인을 제공한다.

(왼쪽) 정상산소 조건에서 NDRG3 단백질은 산소 및 ^*Ub (ubiquitin) 단백질로 분해표식이 되어 제거됨. 

(오른쪽) 저산조 조건에서 NDRG3 단백질은 다량 생성된 젖산과 결합하여 단백질 분해표지 효소의 작용을 회피하게 되어 축적됨. 축적된 NDRG3이 세포성장 신호를 활성화시켜 세포성장 및 혈관 성장을 촉진함으로써 세포가 저산소 조건을 회피하도록 함.  

   A                                                        B

  A                                                        B

           

   

그림 3. (A) NDRG3 유전자 과발현 암세포주의 군집성장능 변화 측정 (colony forming assay), (B) 마우스를 이용한 젖산생성효소(LDHA) 및 NDRG3 유전자 발현 조절된 암세포주들의 종양형성능 측정 (Xenograft assay). 

   

그림 4. 저산소 상태에서 젖산과 NDRG3에 의한 세포신호전달기전.