미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)은 “국내 연구진이 그동안 약물치료가 어려웠던 악성 간암에 대한 새로운 진단 및 항암제 개발을 가능케 할 대사성 치료 표적을 발굴하였다”라고 밝혔다.

윤계순 교수, 우현구 교수, 이영경 박사(아주의대) 등은 미토콘드리아 손상성 대사 조절기전을 규명을 통해, 간암의 치료 효능을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 표적을 발굴하기 위한 연구를 미래창조과학부가 지원하고 있는 기초연구사업(선도연구센터지원)을 통해 공동으로 수행하였으며, 이번 연구 결과물은 의학 분야의 권위 있는 학술지인 헤파톨로지(Hepatology)지 온라인(early view)판 7월 14일 자에 게재되었다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

  

  가. 간암은 국내 중장년층 암 사망률 1위를 차지하는 대표적인 난치성 질환이다. 대부분 진단 시기가 늦어 근본적 치료인 절제술이 불가능하거나 간경변^*을 동반하여 일반적인 화학 및 방사선 요법이 불가능한 경우가 많다.  

  나. 기존에 사용되는 간암 표적치료제인 소라페닙(넥사바)은 생존기간 연장효과가 적고, 저항성을 가진 환자가 많아 효과적인 간암치료에 한계가 많다. 최근 암세포의 미토콘드리아 기능 손상으로 인한 대사전환^* 등이 암 악성화에 영향을 미친다는 보고가 있어 이에 대한 연구가 활발하다. 

   

 2. 발견 원리: 간세포를 이용하여 미토콘드리아가 손상된 세 가지 세포 모델을 확립한 후, DNA마이크로어레이^*와 생물정보학^** 분석기법을 이용하여 연구를 진행했다. 그 결과 미토콘드리아가 손상되었을 때 발현하여 간암의 악성화를 촉진시키는 데 중추적인 역할을 하는 10개의 핵심 유전자(미토콘드리아 손상성 핵심 유전자)를 발굴하였다. 이 10개의 핵심 유전자가 모두 발현된 환자군의 2년 생존율은 35%로 그렇지 않은 환자군(76%)에 비해 크게 낮으며, 수술 후 2년 내 조기재발율도 35% 이상 높은 것으로 확인하였다. 

   

* DNA마이크로어레이: 수 만개 종류의 매우 작은 DNA 조각들이 고체 표면에 집적된 것으로 많은 양의 유전자의 발현 정도를 동시에 측정할 수 있도록 고안된 것   

    

 가. 미토콘드리아 손상성 핵심 유전자가 많이 발현할수록 간암환자의 생존율이 낮아진다는 것을 확인하여, 미토콘드리아 에너지 대사 중심의 새로운 간암 악성화 조절 기전을 규명하였다.  

 

 나. 미토콘드리아 손상성 핵심 유전자 중 하나인 엔유피알1(NUPR1)은 그래눌린(Granulin)이라는 유전자를 발현하여 간암을 악성화시키는 데 직접 작용한다는 것을 밝혀 간암 악성화의 조절기전 및 암 조직 활성화와의 연계성을 명확히 밝혔다. 

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 

한편, 이번 연구에 참여한 윤계순 교수는 “미토콘드리아 손상성 항암 표적 발굴은 간암의 진단 및 치료 전략을 새롭게 제시함으로써, 기존의 표적치료제에 내성이 있는 환자에게 새로운 치료를 가능케 하기에 이번 연구의 의미가 크다”면서 “향후 간암을 비롯한 다양한 악성 암에 대항할 수 있는 새로운 항암 치료제 개발에 기여할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

간암은 초기 진단이 어려워, 대부분 진단을 받았을 때는 이미 말기 상태인 경우가 많다. 간암의 치료방법으로는 1차적으로 절제술을 시행하지만, 이미 주변에 전이가 되어 있는 경우가 많고, 간 경변이 동반되는 경우가 많아 일반적인 화학요법이나 방사선 요법보다는 선택적인 표적치료제의 병용치료가 필요하다. 현재까지 임상적으로 적용되는 간암치료제는 소라페닙(넥사바, 세포내 신호전달 인산화효소 억제제)인데, 저항성을 나타내는 환자가 많아 반응률이 낮고 그 효과도 일시적인 생존율 연장 효과만을 나타내고 있어 적용이 제한적이다. 따라서 새로운 간암 치료 표적의 발굴을 통한 항암제의 개발이 시급한 실정이다.  

암의 형성과 발달과정에는 유전자변이에 따른 암유전자 활성화가 주된 조절기전으로 이해되고 있어서 암유전자와 연관된 신호전달을 대상으로 한 항암 표적치료제가 개발되어 효과를 얻고 있다. 조직의 특성에 따라 나타나는 암유전자를 표적으로 개발된 유방암의 ‘허셉틴’, 백혈병의 ‘글리벡’, 폐암의 ‘이레사’ 등이 그 예이다. 그러나 이러한 표적치료제들도 낮은 반응률과 내성 획득이라는 문제점을 가지고 있어 이를 극복하기 위한 전략이 필요한 상황이다. 많은 암세포의 경우 미토콘드리아의 기능 손상과 더불어 이에 따른 대사전환 및 새로운 신호체계가 활성화되어 있어 전 세계적으로 이 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

미토콘드리아는 사람이 호흡을 하여 들여 마시는 산소를 이용하여 세포가 일을 하는데 필요한 에너지를 가장 효율적으로 생산하는 세포 내의 작은 소기관(에너지합성공장)이다. 그러나 많은 암세포의 경우, 이러한 미토콘드리아의 에너지 합성기능의 손상이 암의 생성과 악성화 과정에 어떻게 관여하는지에 대해서는 연구가 미흡한 상황이지만, 새로운 항암전략의 표적으로 대두되고 있다.  

  

연구팀은 미토콘드리아가 많이 존재하는 간장세포를 이용하여, 세 가지 다른 미토콘드리아 손상(간암성 손상, 활성저해성 손상, 미토콘드리아 유전자 결핍성 손상*)이 동반된 세포모델을 개발하고, cDNA 마이크로어레이와 바이오인포매틱 분석기법을 이용하여 미토콘드리아 손상에 특이적으로 발현하여 간암의 조직 침투 활성을 조절하는 10개의 핵심유전자를 발굴하였다. 간암환자의 코호트 데이터베이스 분석을 통해, 발굴한 10개의 미토콘드리아 손상성 핵심유전자가 높게 발현된 환자군의 생존율이 그렇지 않은 환자군에 비해 현저하게 저하되는 것을 확인하여, 이 10개 유전자의 높은 발현율과 간암환자의 낮은 생존율이 유의성 있게 상관관계가 있음을 증명하였다 (그림 1). 

이 중 미토콘드리아의 기능손상에 의해 발현이 증가되는 핵심 전사인자인 NUPR1은 미토콘드리아에서 방출되는 칼슘에 의해 발현이 조절되고, 그래눌린(Granulin)이라는 단백질의 발현을 증가시켜 간암의 악성화를 촉진한다는 사실을 완벽하게 증명함으로서, 미토콘드리아 손상에 의해 매개되는 새로운 회귀신호체계와 이 신호에 의한 암화조절 반응체계(악성화 과정에 관여하는 신호체계)를 제시하였다. (그림2)

    

특히, NUPR1에 의해 새로 합성되어 작용하는 암악성화 작동유전자^*를 발굴하기 위해, 조직침윤활성이 높은 간암세포를 이용하여 NUPR1의 발현을 siRNA로 발현을 억제시킨 후, 유전자들의 발현변화를 cDNA 마이크로어레이를 실시하여 분석하였다. 또한, 보고된 데이터베이스를 바탕으로 NUPR1과의 기능적 연결고리(Linkage analysis)를 바이오인포매틱 기법으로 분석하여, 실제로 간암활성을 역할을 하는 타겟 작동자^*인 그래눌린을 발굴하였기 때문에 (그림 3) NUPR1에 의한 간암악성화 조절기전 규명 및 암조직활성과의 연계성이 명확하게 확인될 수 있었다는 해석이다.

   

*  작동 유전자 (타겟 작동자): 어떤 전사인자의 작용에 의해 새롭게 발현되는 유전자 (타겟)이면서,    실제로 간암활성을 조절하는 작동자(Effector)를 일컫는 합성어임. 

본 연구결과는 암유전자에 의한 암화과정이 아닌 미토콘드리아 에너지대사를 중심으로 새로운 간암 악성화 조절기전을 규명한  지식확장형 연구성과일 뿐 아니라, 악성간암을 진단하는 진단용 바이오마커와 새로운 항암 치료물질을 개발할 수 있는 치료 표적으로 활용이 가능할 것으로 예상된다. 미토콘드리아 기능손상은 다양한 암에서 나타나는 공통 현상이기 때문에, 앞으로 간암 뿐 아니라 다양한 암에서의 적용이 가능할 것으로 기대된다.

본 연구에서는 발굴된 10개의 핵심유전자 가운데 하나인 NUPR1에 대한 간암악성화 조절기전이 제시되었다. 미토콘드리아 기능손상은 암의 악성화 뿐 아니라 항암제 내성 획득에 관여하는 유전자 발현에도 관여하는 것으로 보고되고 있다. 따라서 나머지 9개 유전자의 간암악성화 조절기전 연구의 확장으로 항암제 내성을 극복시킬 표적을 발굴하여 치료가 불가능했던 간암의 항암치료 가능성을 높여 줄 수 있을 것으로 기대된다. 

본 연구결과에서 발굴된 10개의 유전자는 새로운 암진단 바이오마커와 치료표적으로 특허 출원 중이다.

1. 세포의 에너지 생성공장인 미토콘드리아의 기능 손상이 간암의 악성화를 조절하는 중요한 현상임을 밝히고, 그 조절기전 규명 및 조절유전자 발굴

2. 미토콘드리아의 기능손상에 의해 새롭게 합성되는 10개의 핵심유전자의 발현 정도와 간암환자의 생존율 사이에 상관관계가 있음을 규명

3. 미토콘드리아의 기능손상에 의해 발현되는 핵심유전자인 NUPR1에 의한 간암세포의 악성화활성 조절기전을 규명 

1. 미토콘드리아의 기능손상에 의해 새롭게 합성되는 10개의 핵심유전자를 간암 진단용 바이오마커로 활용

2. NUPR1을 포함하는 핵심유전자를 표적으로 하는 항암 치료 물질을 통해 기존의 간암세포의 약물 저항성을 극복하는 복합치료요법 개발

본 연구결과는 미토콘드리아 손상성 회귀신호체계와 이 신호에 의한 간암 악성화 조절기전을 제시하는 새로운 개념과 간암 진단 및 치료표적을 제시하는 기초연구로서, 진단마커로의 활용으로는 진단키트의 개발속도에 따라, 치료표적의 실용화는 치료제 후보물질 발굴 및 임상시험 단계로의 시도와 속도에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것

미토콘드리아 손상성 10개의 핵심유전자를 이용한 진단키트 개발 및 NUPR1을 표적으로 한 치료물질 발굴 전략의 확립이 실용화를 위한 최우선 과제임. NUPR1은 칼슘신호에 의해 활성화되는 전사인자이므로 NUPR1의 활성화를 제어하는 물질 발굴 및 NUPR1의 DNA 결합을 억제하는 물질 발굴이 필요함.

암의 악성화에 있어서 발암유전자의 신호체계와 저산소증(hypoxia)에 의해 동반되는 해당과정 활성화가 중요하게 작용함은 잘 알려져 있지만, 미토콘드리아 호흡기능 손상 자체에 의한  조절 기전에 대한 연구는 부족했었음. 지난 10년 동안 간암세포의 악성화 활성과 미토콘드리아의 호흡기능 손상이 긴밀한 상관관계가 있음은 확인하여 보고한 후, 본격적으로 미토콘드리아의 호흡기능 손상이 어떻게 간암의 악성화를 조절하는지에 대해 바이오인포매틱 분석방법과 분자생물학적 방법으로 통합적이면서도 구체적인 기전 연구를 수행하기 시작하였음. 

미토콘드리아의 호흡기능은 세포가 필요로 하는 에너지를 생산하기 위한 필수적인 기능임. 대부분의 고형암에서 미토콘드리아의 호흡기능이 손상되어 있음은 많이 보고되어 있음. 그러나 이것은 암세포가 빠르게 성장하면서 경험하게 되는 저산소에 의해 결과로 동반되는 현상이라는 인식이 대부분이었음. 지난 10년 간 미토콘드리아의 손상이 저산소가 아닌 암유전자나 다른 기전에 의해 유도되는 기전을 찾고자 노력했으나, 성과는 미흡했음. 미토콘드리아는 그 원인과 상관없이 한번 손상이 유도되고 나면 이로 인해 개시되는 공통적인 회귀신호체계가 있고, 이러한 미토콘드리아 손상성 회귀신호체계가 암의 악성화에 중요하게 작용할 것이라는 생각의 전환이 본 연구를 수행하게 된 계기가 되었음.

간암은 진단의 시기가 늦어, 발견한 시기에는 이미 악성 단계인 경우가 많음. 현재까지 효과가 인정되어 사용되는 항암제는 소라페닙 뿐인데, 효과도 미약하고 이 약제에 대한 저항성도 많이 나타나는 편임. 미토콘드리아 손상을 기반으로 하는 치표 표적 발굴과 치료물질 개발을 통한 항암제 저항성을 극복 전략 개발.  

또한, 미토콘드리아의 기능 손상은 간암 뿐 아니라 대부분의 암에서 공통적으로 나타남. 전반적인 암화과정에서의 미토콘드리아 대사전환을 통한 악성화 기전을 반드시 규명해야 함.

연구를 진행하다 보면, 처음에 중요하다고 생각했던 질문에 너무 집착해서, 때론 그동안 얻어 놓은 결과가 아까워서 연구의 진척이 없이 제자리  걸음을 할 때가 많이 있음. 높은 벽에 부딪힐수록 숨을 고르고 좀 더 멀리서 바라보고, 좀 더 중요한 질문을 찾아내며, 새로운 시각에서 접근하려는 자세가 필요함.  

 1. Hepatology 誌

 

간장 질환 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표의과학전문지. 전 과학 분야에서 상위 1.7% 이내에 랭크되는 학술지로, 위장관 및 간 (Gastroenterology & Hepatology) 분야에서 6.6%(5위/76개) 이내에 든다. (피인용지수: 11.055, 2014년 기준 )

미토콘드리아: 사람이 호흡하여 마시는 산소를 이용하여 세포가 일을 하는데 필요한 에너지를 가장 효율적으로 생산하는 세포 내의 작은 소기관 (세포의 에너지합성공장) 

일반적으로 세포의 기능은 핵에서 시작되어 세포소기관으로 진행되는 것에 반하여, 세포소기관인 미토콘드리아에서 핵으로 전달되는 신호체계.

기능을 가진 단백질을 합성하기 위한 1차 단계인, ‘핵 안에서 DNA에 결합하여 필요한 유전자의 전령RNA(mRNA)를 합성하는 과정’을 촉진하는 유전자

코호트 연구는 하나의 주제에 대해 집단적으로 조사하는 연구. 본 연구에서는 간암의 진단 후 생존율 및 재발율 및 유전자 발현 분석이 보고되어 있는 데이터베이스를 활용하여, 간암조직에서의 특정 유전자 발현과의 상관관계를 후향적으로 분석하였음. 

  ㅇ 핵 단백질1(Nuclear Protein 1)로 알려진 전사활성 조절인자

발암과정에 중요하게 작용하는 특정 표적유전자만을 선택적으로 억제하여 정상세포를 보호하고 암세포만을 공격하는 치료제. 그러나 그 표적유전자가 변이되어 있거나 활성이 낮은 암의 경우에는 효과가 없음.

그림 1. 미토콘드리아 손상성 10개의 핵심유전자의 간암 생존율과의 상관관계 . 

(A) 3 가지 다른 미토콘드리아 손상성 세포모델(간암성 손상, 미토콘드리아 활성 저해성, 미토콘드리아 유전자 결핍성)의 cDNA microarray 분석 결과. 

(B) 바이오인포매틱 분석에 의한 미토콘드리아 손상에 의해 발현되는 10개의 핵심 유전자 발굴.  

(C) 간암환자의 코호트 데이터베이스 분석에 의한 간암환자의 생존율과의 상관관계 분석

        

[그림2] 미토콘드리아 기능 손상에 의해 나타나는 간암 악성화 조절기전.  

미토콘드리아 기능 손상에 의해 어떻게 간암의 악성화가 조절되는지를 보여주는 모식도 (a) 미토콘드리아의 에너지 생산기능이 손상되면 미토콘드리아로부터 칼슘과 같은 2차 전령자가 방출되어 회귀신호체계가 개시됨. (b) 회귀신호체계로 특정 전사인자가 활성화되어 새로운 1차 전사활성이 개시됨. 이 결과 합성되는 유전자에는 직접 일을 하는 작동자와 새로 합성되는 전사 조절자가 있음.  (c) 1차 전사활성에서 합성된 전사조절자에 의해 다시 2차적인 전사 활성이 개시됨. 2차적인 전사활성에 의해 합성된 유전자들이 간암의 악성화 활성을 조절함. 

[그림3] NUPR1에 의해 조절되는 간암 악성화 조절 작동자인 Granulin 발굴.  

(A) 조직침윤활성이 높은 간암세포를 이용하여 NUPR1의 발현을 siRNA로 발현을 억제시킨 후, 새로 발현되는 유전자를 cDNA 마이크로어레이를 실시하여 분석함. (B) NUPR1에 의해 새로 합성된 유전자들과 기존에 보고된 데이터베이스를 바탕으로 NUPR1과의 기능적 연결고리를 분석(Linkage analysis)하여, NUPR1의 주요 타겟을 발굴함.  (C) 간암환자의 코호트 데이터베이스를 이용하여 NUPR1과 Granulin이 간암조직에 공통으로 발현하는 상관관계가 있음을 확인함.