암 유발 인자인 ‘라스’ 분해 암 억제하는 단백질 발견

암 유발 인자 '라스'를 분해하는 간암 치료전략 제시

항암제의 한계 극복한 효과적인 암 치료제 개발 기대

암을 유발하는 단백질을 직접 제어하는 신개념 간암 치료전략이 제시되었다. 최강열 교수(연세대학교) 연구팀이 대표적 암 유발 인자인 ‘라스(Ras)’를 분해해 암을 억제하는 단백질을 발견했다고 한국연구재단은 밝혔다.
※ 정우정 박사(연세대학교)가 제1저자로 연구에 참여했다.

라스 단백질은 대부분의 암에서 높은 비율로 돌연변이형으로 발견된다. 라스 돌연변이는 세포성장과 관련된 신호전달계를 활성화해 암을 일으키며, 많은 표적 항암제에 대해 저항성을 갖는다. 이에 라스를 제어하는 항암제를 개발하기 위해 수많은 노력이 있었지만, 개발의 어려움, 약물 후보물질의 독성 등으로 인해 성공하지 못했다.

연구팀은 간암 환자의 정상 및 간암 조직을 이용해 라스와 결합하는 새로운 단백질들을 발굴했다. 그 중 'WDR76'이라는 단백질이 효과적으로 라스를 분해함을 확인했다.

또한 WDR76으로 라스의 안정성을 조절함으로써 간암을 제어하는 방법을 밝혔다. 간암이 유발된 동물모델에서는 WDR76 결핍에 의해 라스 단백질이 증가하며 간암이 촉진되었다. 반면 WDR76이 과발현 되었을 때 라스 단백질이 분해되며 간암이 억제되었다.

최강열 교수는 “라스의 구조를 변화시키려던 기존 연구에서 벗어나 이 연구는 라스의 양을 조절함으로써 단백질 활성을 제어하는 새로운 패러다임을 제시했다”라며 “특히 라스 돌연변이의 유무에 영향을 받지 않으므로, 오늘날 항암제의 한계를 극복한 효과적인 암 치료제 개발을 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(선도연구센터)의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 17일자에 게재되었다.

□ 논문명
WDR76 is a RAS binding protein that functions as a tumor suppressor via RAS degradation
저 자
최강열 교수(교신저자, 연세대), 정우정 박사(제1저자, 연세대), 박종찬 박사(연세대), 김우신 박사(연세대), 노은지 박사(연세대), 전성후 박사(연세대), 이상규 박사(연세대), 박영년 교수(연세의대), 민도식 교수(부산대)

□ 연구의 주요내용
1. 연구의 필요성
○ 라스 유전자는 암 발생과 관련하여 가장 중요한 인자 중 하나로 암에서 평균 30%(K-Ras 경우 췌장암의 경우 72~90%, 대장암의 경우 32~57%, 폐암의 경우 15~50%)의 돌연변이가 발견되는 이유로 이를 제어하는 항암제를 개발하기 위한 수많은 노력이 있었다. 하지만 개발의 어려움, 개발된 후보물질의 독성문제 혹은 적용환자 제한성 등의 이유 때문에 실패함으로서 라스를 직접 타겟 하는 항암제 개발은 답보 상태에 있으며 이로 인해 ‘Undruggable (약 개발하기 힘듦)’의 대명사로 불리우고 있다.
○ 더욱이 유방암, 대장암, 폐암 등을 포함한 많은 종류의 암을 억제하는 효과 가지며 현재 상용화 되고 있는 epidermal growth factor (EGFR)와 같은 타이로신수용체 표적 항암제들이 암환자의 30%에 달하는 라스 유전자에 돌연변이를 가진 환자에게는 효과를 보이지 않아 그 한계점이 드러난 바 있다. 따라서 타이로신수용체 표적 항암제에 저항성을 갖는 라스 돌연변이 환자의 치료 한계를 극복할 수 있는 항암제를 개발하고자 하는 연구들이 전 세계적으로 활발하게 이루어지고 있는 실정이다.

2. 연구내용
  ○ 이 연구에서는 간암 환자의 정상 및 간암 조직을 이용하여 체계적인 프로테오믹스 방법을 통해 라스 결합단백질을 발굴하고, 라스 단백질 안정성을 제어할 수 있는 새로운 타겟 단백질 확보 및 그 조절기작을 밝혀서 라스 단백질 안정성 제어를 통한 항암효과를 검증함으로써 라스 돌연변이로 인한 항암제에 대한 저항성을 극복할 수 있는 새로운 치료전략을 제시하고자 했다.
  ○ 간암 환자의 정상 및 간암 조직의 비교를 통해 암화에 따른 라스 단백질의 양적 증가를 확인하였다. 또한 간암에서 라스 신호전달계가 활성화 되어있음을 확인하였다.
  ○ 간암 환자조직에서 프로테오믹스 방법을 통해 여러 라스 결합단백질을 새롭게 발굴하였고, 그 중 WDR76이 라스 단백질과 결합하여 이를 가장 잘 분해함을 확인하였다. 특히 세포질 WDR76은 라스와의 결합력이 더욱 강해지면서 라스 단백질 분해를 증가시킴을 확인하였다.
  ○ 간암 유발 물질인 DEN(Diethylnitrosamine)의 투여를 통해 유도된 간암 발생 쥐 모델에서, 정상 쥐와 WDR76 결핍 쥐의 간암 발생 빈도 및 정도를 비교하였을 때, WDR76 결핍에 의해 간암의 발전 정도 및 그 발생 빈도가 증가됨을 확인할 수 있었다. 이러한 WDR76 결핍 쥐의 간암 발생 촉진 효과는 라스 단백질의 양적 증가와 동반되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 WDR76 결핍 쥐의 DEN에 의해 유도된 간암 발생 촉진과 더불어 폐로의 전이가 증가 되어있음을 확인하였다. 이는 WDR76이 라스 단백질의 안정성을 조절함으로써 암 발생 및 촉진을 억제하고 있음을 보여 준다 (그림 1).
  ○ 발암형 라스 돌연변이에 의해 발생한 쥐의 간암이 WDR76 형질전환 쥐와의 교배에 의해 라스의 단백질이 분해되고, 라스 신호전달계의 하위단계도 저해됨에 따라 간암의 발생 빈도 및 발전정도가 크게 억제되고 있음을 확인하였다 (그림 2).

3. 연구성과/기대효과
○ 이 연구의 결과를 바탕으로 라스의 암 발생에서의 역할에 대한 새로운 이해를 가능하게 하였고, 라스 단백질 안정성 조절 메커니즘을 규명하였고, 이는 라스와 관련된 암을 이해하는데 있어서 지금까지의 패러다임을 바꿀 수도 있는 내용으로 관련분야 연구자들의 새로운 연구 방향을 제시하였다.
○ 특히 돌연변이형 라스 단백질도 안정성 조절 메커니즘을 통해 분해될 수 있으므로, 라스 돌연변이로 인해 치료가 어려웠던 다양한 악성 종양들도 타겟할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 현재 널리 사용되고 있는 타이로신수용체 표적 항암제들이 라스 돌연변이 환자에 효과가 없다는 가장 큰 한계점을 극복할 수 있는 라스 분해라는 새로운 메카니즘에 바탕을 둔 신개념 항암제 개발의 새로운 지평을 열 수 있음을 시사한다.

󰊲 그림 설명

(그림1) WDR76 결핍 쥐의 라스 단백질 증가와 간암 촉진
2주령 쥐에 DEN 투여 후 8달 후 그 효과를 확인하였을 때, DEN 유도에 의한 간암 발전 정도 및 발생 빈도가 WDR76 결핍 쥐에서 크게 촉진되었다. 이때 WDR76 결핍 쥐에서 라스 단백질과 증식 마커(Ki67)가 증가되었다. 또한 WDR76 결핍에 의해 폐로의 전이 빈도가 증가함을 확인하였다.

(그림2) WDR76 과발현을 통한 간암 발생의 억제
발암형 라스 돌연변이에 의해 유도된 쥐의 간암이 WDR76 형질전환 쥐와의 교배를 통해 억제 되며, 이때 라스 단백질의 분해와 그 하위단계인 ERK 활성정도 감소가 동반됨을 확인하였다.

■ 연구 이야기

- 연구를 시작한 계기나 배경은?

지금까지 GDP와 GTP 치환 스위치 및 세포막으로의 이동을 통한 활성화를 조절하는 전략으로 라스 단백질의 활성도를 조절하고자 시도되어 왔다. 하지만 우리 연구팀은 선행연구를 통해 암화가 진행됨에 따라 라스의 단백질이 양적으로 증가하고, 실제로 윈트(WNT) 신호전달계에 의해 단백질 안정성 조절도 일어날 수 있음을 규명하였다. 이러한 선행연구 수행 중 또 다른 라스 단백질 조절메커니즘이 존재할 수 있는 가능성을 확인함을 계기로 하여, 새로운 라스 조절 단백질을 찾고 조절 메커니즘을 규명하는 연구를 시작하게 되었다.

- 연구 전개 과정에 대한 소개

간암 조직에서 라스 단백질 양이 크게 증가되어있는 간암 환자의 정상 및 간암 조직에서 여러 신규 라스 결합단백질을 발굴하였고, 그 중 WDR76이 효과적으로 라스의 단백질을 분해함을 확인하였다. 다양한 세포 및 동물 모델을 이용하여 WDR76이 라스 단백질을 분해함으로써 간암을 억제하며 종양억제 인자로서 역할을 한다는 것을 규명하였고, 그 내용을 Nature communications에 게재하게 되었다.

- 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

라스 결합단백질로 WDR76을 발굴했을 당시 연구된 바가 거의 없는 단백질이다 보니 항체나 형질전환 쥐를 직접 제작하여 연구를 진행해야 했기에 많은 시간과 연구비를 투자해야 했다. 특히 특이적으로 WDR76을 감지할 수 있는 항체를 확보하는 것에 어려움을 겪었는데, 다양한 항원 디자인 및 정제를 통해 WDR76 항체를 확보할 수 있었다. 또한 간암 발병 쥐 모델의 경우 간암이 발생하는데 까지 걸리는 시간이 길다 보니 쥐에서 실제 WDR76의 효과를 확인하기 까지 마음 졸였지만, 다양한 실험을 통해 일관성 있는 결과를 확인할 수 있었다.

- 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구 결과에서 다양한 간암 발생 쥐 모델에서 WDR76의 결핍 또는 과발현에 의해 라스 단백질의 안정성이 조절되며 간암을 촉진 또는 억제시킴을 확인함으로써, WDR76에 의한 라스 단백질 안정성 조절 메커니즘을 규명하였고, 그에 따른 간암 제어를 확인하였다. 이러한 라스 조절메커니즘은 간암에 국한되지 않고 라스 돌연변이로 인해 기존의 항암제 치료에 한계점을 보이는 다양한 암종에 적용할 수 있으므로, 라스 분해라는 메커니즘에 바탕을 둔 신개념의 암 치료 전략을 제시하였다고 할 수 있다.

- 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이 연구 결과를 기반으로 향후 라스 분해라는 메카니즘에 바탕을 두고, 기존 항암제 한계점을 극복할 수 있는 효과적인 항암제 개발의 발판이 되었으면 한다.

■ 연구자 소개

최강열 교수, 교신저자

1. 인적사항
○ 소 속 : 연세대학교 생명시스템대학 생명공학과단백질기능제어이행연구센터(ERC)/센터장
○ 전 화 : 02-2123-6592
○ 이메일 : kychoi@yonsei.ac.kr

2. 학력
○ 1978 ~ 1985 연세대학교 학사
○ 1988 ~ 1993 퍼듀대학교 박사

3. 경력사항
○ 1993 ~ 1995  하버드 의과대학 생화학-분자약리학과 박사후연구원
○ 1995 ~ 2001  연세의대 생화학-분자생물학교실 조/부교수
○ 2001 ~ 현재  연세대학교 생명시스템대학/생명공학과 교수
○ 2005 ~ 현재  연세대학교 국가지정연구실(NRL)/ 도약 연구책임자
○ 2009 ~ 현재  연세대학교 단백질기능제어이행연구센터(ERC) 센터장
○ 2016 ~ 현재  연세대학교 언더우드 특훈교수

4. 전문분야 정보
○ 암 발생, 특히 줄기세포의 암화 억제 연구
○ 줄기세포분화를 위한 기반기술 개발

5. 연구지원 정보
○ 2009 ~ 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(선도연구센터)

정우정 박사, 제1저자