UNIST 연구팀, 세포 자살 유도 TRAIL 단백질 생체 효능 높인 단백질 복합체 개발 

EGF수용체 과발현 암에 효과 커·동물실험서 암 성장 억제

연구진사진 우측부터 전희진 박사과정 연구원, 김은희 교수, 강세병 교수, 장은정 연구교수

암세포 자살을 유도해 암 성장을 억제하는 새로운 물질이 개발됐다.

UNIST 생명과학과 김은희·강세병 교수팀은 트레일(TRAIL) 단백질의 생체 내 효능을 획기적으로 높인 단백질 나노 복합체를 개발했다. TRAIL 단백질은 세포 자살을 유도 하는 단백질이다. 실제 동물실험에서도 암 조직 성장을 억제하는 탁월한 항암 효과를 확인했다.

연구팀이 개발한 단백질 복합체는 TRAIL의 작용을 방해하는 ‘EGF수용체 신호경로’를 차단하도록 설계됐다. EGF수용체 신호경로는 TRAIL과 반대로 세포에 생존·분열하라는 신호를 보낸다. EGF단백질이라는 성장인자가 EGF수용체와 결합함으로써 이 화학적 신호를 만들어 내는데, 개발한 복합체의 인공단백질 성분이 성장인자를 제치고 수용체와 결합해 신호 전달을 방해하는 방식으로 작용하게 된다.

또 이 인공단백질(EGF수용체 어피바디 단백질)은 EGF수용체와 결합하려는 힘이 크기 때문에 TRAIL 단백질을 EGF수용체가 비정상적으로 많은 암세포에 골라 전달하는 역할도 한다. TRAIL과 어피바디 단백질을 동시에 체내로 전달하기 위해서는 케이지 모양의 단백질(AaLS) 표면에 이 두 단백질을 고정시키는 방식을 썼다.

단백질 나노 복합체의 암세포 특이적 세포사멸 유도를 세포 단위에서 확인함

개발한 단백질 나노 복합체의 항암효과는 피부암 세포주 실험과 동물실험에서 모두 확인됐다. 특히 암세포를 이식한 쥐에게 이 단백질 나노 제제를 혈관 주사한 경우, 비교 집단과 달리 암 조직 성장이 크게 억제됐다.

연구팀은 “이번 연구로 TRAIL 단백질 내성뿐만 아니라 TRAIL 단백질 자체의 낮은 암세포 결합친화성, 불안정성 등을 동시에 개선할 수 있는 전략을 제시했다”라며 “EGF수용체가 비정상적으로 발달한 특정 암을 치료하는 데 효과적일 것”이라고 기대했다.

또 어피바디 단백질이 암조직 내 표적 침투 성능을 개선하는 효과도 실험으로 확인했다. 암세포를 이식한 쥐에 다양한 단백질 나노복합체를 주입해 봤을 때 복합체에 어피바디 단백질이 포함된 경우에만 쥐의 암 조직에서 강한 형광신호가 검출됐다.

연구진은 “연구에서 제시한 단백질 나노입자 기반 기술은 항암제 뿐만아니라 생체 내에서 다양한 신호조절인자 등을 제어하는 치료 기술 개발에도 응용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

단백질 나노 복합체의 작용 원리-

이번 연구는 전희진 박사과정 연구원, 김한솔 박사 (現인제대학교 조교수), 장은정 연구교수가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 약물 전달 분야에서 세계적 학술지인 저널오브 컨트롤드 릴리즈(Journal of Controlled Release)에 7월 12일자로 공개됐다.연구 수행은 한국연구재단, 대학중점연구소 (세포간 신호교신에 의한 암제어 연구센터), UNIST, 울산광역시의 지원을 받아 이뤄졌다.

1. 연구배경

TRAIL1)은 암세포에 발현 된 사멸수용체(death receptor)2)에 특이적으로 결합하여 암세포만 골라 죽이는 단백질로 알려져 있다. TRAIL이 처음 발견 된 이후로부터 이 원리를 항암제로 응용하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 TRAIL은 낮은 안정성을 가지고, 사멸수용체와 결합친화성이 약해 생체 내에서의 효과가 매우 떨어진다는 단점 있다. 또 TRAIL에 대하여 내성을 가진 암세포가 많기 때문에 이런 점들을 극복할 수 있는 효과적인 플랫폼 개발이 필요하다. 따라서 본 연구팀은 단백질 나노 입자를 이용해 암세포에 효과적으로 TRAIL을 전달하여 강하게 암세포 사멸을 유도하는 플랫폼을 개발하였으며 이를 세포와 마우스 모델에서 입증하였다.

단백질 나노 복합체의 효능을 동물 실험을 통해 확인함

2. 연구내용

암세포만 골라죽이는 TRAIL의 효과를 극대화 시키고 앞선 연구들에서 가지고 있는 단점을 극복하기 위하여 본 연구팀은 암세포에 발현된 사멸수용체와 EGF수용체3)를 동시에 표적하는 듀얼 리간드 표지 플랫폼을 개발하였다. 리간드는 특정 수용체 단백질에 결합할 수 있는 단백질을 말한다.

이 플랫폼은 총 3개의 단백질로 구성되어 있다. 구형의 AaLS 단백질 입자에 EGF수용체 표적 리간드인 EGFR affibody(EGFRAfb)4)와 사멸수용체를 표적으로하는 TRAIL이 각각 고정된 형태다. 다양한 암에서 EGF수용체가 과발현되는 현상에 주목해 이 같은 약물전달 플랫폼을 개발했다.

EGF수용체 표적 리간드인 EGFRAfb는 EGF수용체에 강하게 결합할 수 있어 ‘듀얼 리간드 표지 단백질 나노입자’5)(AaLS/TRAIL/EGFRAfb)를 암세포로 효과적으로 전달 할 수 있다. 또 TRAIL과 사멸수용체의 결합 빈도를 늘리고 암세포의 약물 내성의 원인이 되는 EGFR 신호 전달 체계를 저지하는 역할을 해 TRAIL의 효능을 극대화 할 것으로 예상하고, 이 같은 약물전달 플랫폼을 설계했다.

이러한 플랫폼은 단백질 간의 결합이 간단하게 이루어 질 수 있는 특수시스템인 SpyTag/SpyCatcher6)을 통하여 만들어졌다. 이 시스템은 단백질 작용에 중요한 모양 변화 없이 이러한 결합을 유도할 수 있다. 단백질 나노입자에는 SpyTag 가 연결 되어 있고, 이용 할 리간드들에는 SpyCatcher가 연결되어 있어 간단히 섞어주기만 하면 빠르게 단백질 나노입자에 여러 리간드들을 표지 시킬 수 있게 된다.

TRAIL과 EGFRAfb를 동시에 표지하는 ‘듀얼 리간드 표지 단백질 나노 입자’는 EGFR 과발현 암세포주인 A431(피부암 세포)에 큰 독성을 나타내었으며, EGFR이 과발현 되지 않은 T47D(유방암 세포)와 HEK293T(정상 신장 세포)에서는 그러한 효과를 보이지 않는 것을 확인하여 EGFR 과발현 암세포에만 적용 가능한 치료 플랫폼임을 확인하였다.

뿐만 아니라 듀얼 리간드 표지 단백질 나노 입자가 EGF(세포재생인자)에 의한 EGFR 신호 전달 체계를 저지함에 따라서 내적·외적세포사멸 시그널을 동시에 크게 활성화 시키게 되고 암세포를 효과적으로 사멸시킬 수 있다는 사실을 분자 단위에서 규명하였다.

연구팀이 A431 암세포 종양 마우스 모델을 만들어 단백질 나노 입자에 형광물질을 달아 암세포에 선택적 전달 효능을 비교한 결과 EGFRAfb가 있는 나노입자의 경우에만 높은 형광을 가지는 것을 확인하였다.

마지막으로 듀얼 리간드 표지 단백질 나노 입자를 혈관을 통해 주사한 마우스에서만 대조군과 다르게 종양 성장을 크게 억제 할 수 있는 것을 확인함에 따라 EGFR 과발현 종양에 대한 듀얼 리간드 표지 단백질 나노 입자의 탁월한 항암 효능을 확인하였다.

3. 기대효과

이번 연구를 통해 암세포 특이적으로 세포사멸을 유도하는 단백질인 TRAIL을 EGFR 과발현 암세포에 효과적으로 전달할 수 있는 듀얼 리간드 표지 단백질 나노 입자를 개발하였고 이 플랫폼이 여러 EGFR 과발현 암세포를 치료 할 수 있는 효과적인 단백질 기반 치료제로 사용될 수 있을 것이라 생각된다. 뿐만 아니라, 향후 여러 단백질 기반 리간드 또는 신호 조절인자들을 운반하기 위한 새로운 치료 플랫폼 개발에 단백질 나노 입자 기반 플랫폼이 효과적으로 이용이 될 수 있을 것으로 기대 된다.

UNIST 홍보팀 제공