항암제 내성 관련된 ‘일차섬모’ 생성 원리 규명했다-세포내 신호전달(윈트 세포신호전달)에 의한 ‘일차섬모’형성 원리 규명

항암제 내성 관련된 ‘일차섬모’ 생성 원리 규명했다-세포내 신호전달(윈트 세포신호전달)에 의한 ‘일차섬모’형성 원리 규명

등록일 2020-02-28

 

 

항암제 내성 관련된‘일차섬모’생성 원리 규명했다
- 세포내 신호전달(윈트 세포신호전달)에 의한 ‘일차섬모’형성 원리 규명
- 일차섬모 조절을 통한, 항암제 내성 암세포 사멸을 유도하는 신개념 치료제 개발 기대

□ 순수 국내연구진이 세포내 신호전달(윈트 세포신호전달; Wnt)에 의해, 세포내 신호전달 안테나로 알려진 일차섬모(Primary Cilium)의 생성을 촉진하는 과정을 규명하였다. 일차섬모의 조절을 통해, 항암제 내성 암세포의 사멸을 유도하는 신개념 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

 ㅇ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 항암물질연구센터 이경호 박사팀(교신저자: 이경호/김보연 박사, 제1저자: 견미랑/김선옥/이희구)이 수행한 이번 연구는 한국생명공학연구원 주요사업과, 과학기술정보통신부와 국가과학기술연구회가 추진하는 창의형융합연구사업의 지원으로 수행되었고, 생물학 분야의 세계적 저널인 Cell Reports(IF 8.04) 2월 4일자(한국시각 2월 5일) 온라인 판에 게재되었다.
     (논문명 : Wnt3a stimulation promotes primary ciliogenesis through β-catenin phosphorylation-induced reorganization of centriolar satellites)

□ 일차섬모는 세포내 신호전달 구조로써 세포내 안테나로 알려져 있다. 일차섬모의 비정상적인 형성/분해는 암(Cancer)과 다양한 유전질환증상(불임, 다지증, 다낭신, 망막변성증, 내장역위증, 지방조직의 비만, 소뇌저형성증, 간섬유증, 연골형성저하증등)의 원인으로 알려져 있다.

 ㅇ 일차섬모는 인체 거의 모든 세포에 존재하며, 세포주기가 활발할 때 분해되어 있다가, 세포가 휴식상태일 때 형성되는 것으로 알려져 있다.

 ㅇ 항암제내성 세포에서 더 많고 더 긴 일차섬모가 관찰됨이 보고되었으나, 항암제 내성세포에서 일차섬모의 생성 기전과 세부적인 작용기전에 대해서는 아직까지 알려져 있지 않았다.

□ 연구팀은 세포내 신호전달(표준윈트 세포신호전달 리간드; Wnt3a) 자극이 망막세포에서 일차섬모의 생성을 유도하며, 본 기전이 항암제 내성세포에서의 일차섬모 형성에도 관여함을 발견 하였다.
   * 윈트(Wnt) 세포신호전달 :  세포운명결정, 세포이동, 세포극성, 세포분화 등 다양한 발생단계에서 세포상태를 조절하는 신호전달기전

 ㅇ 연구팀은 실험을 통해 세포내 신호전달(Wnt3a) 자극으로 인해 일차섬모가 형성됨을 확인 하였다. 아울러, 본 기전이 항암제 내성 유방암 세포에서 적용됨을 확인 하였다.

 ㅇ 이러한 사실은 세포발생 및 항상성 유지에 중요한 윈트(Wnt3a) 신호전달이 기존에 알려져 있는 기능과 구별되는 일차섬모형성을 유도하며, 이는 곧 암세포의 항암제 내성을 유도하는 중요한 세포신호전달 기전임을 규명한 것이라고 할 수 있다.

 ㅇ 다시 말해, Wnt3a 자극은, 중심체 주변 물질들의 재배치를 유도하여 비정상적인 일차섬모를 형성하게 함으로써 기존 암세포에 항암제 내성을 부여하는 것으로 추정된다.

□ 연구책임자인 이경호 박사는 “동 연구성과는 발암 및 항암제 내성을 효과적으로 치료하기 위해서 세포내 일차섬모형성을 조절하는 것이 중요하며, 이를 위해 발굴된 신규 기전을 이용할 수 있을 것”이라며,

 ㅇ “새로이 발굴된 윈트 유도성 일차섬모형성 조절 기전 인자들을 표적으로 하는 효율적 항암제 내성 치료뿐만 아니라 섬모병증의 여러 유전질환인 불임, 다지증, 다낭신, 망막변성증, 내장역위증, 지방조직의 비만, 소뇌저형성증, 간섬유증, 연골형성저하증 등 관련 질환 등의 치료제 개발에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

연   구   결   과   개   요

□ 연구배경
○ 일차섬모(Primary Cilium)는 세포내/외 신호전달을 담당하는 세포내 안테나로 거의 모든 포유류의 상피세포(epithelial cell)와 간질세포(stromal cell)에 존재 한다. 일반적으로 알려진 운동성섬모(motile cilia)와는 달리 일차섬모는 운동성이 없으며, 세포주기 진행에 따라 역동적으로 생성되었다가 휴지기에는 분해되어 진다. 하지만 어떻게 일차섬모가 생성/분해되는지에 대한 연구결과는 아직 미미한 상태이다.
○ 2000년도 이전에는 운동성섬모에 가려져서 일차섬모의 중요성이 간과되어 연구가 미미 하였으나, 최근 많은 연구결과들이 세포신호전달 과정에서 일차섬모의 중요성을 부각시키고 있으며, 암(cancer)과의 관련성 및 섬모병증(ciliopathy)에 관한 연구도 최근에 활발히 진행되어 지고 있다. 
○ 최근 연구에서 일차섬모의 이상과 암 발생과의 관련성이 많이 보고되고 있다. 특히 항암제 내성 암세포에서 더 많고, 더 긴 형태의 일차섬모가 형성됨이 확인되어 항암제 내성 유도와 일차섬모와의 관련성이 대두되기 시작했으나, 아직 정확한 기전은 알려져 있지 않은 상태이다.
○ 윈트(Wnt) 신호전달은 세포운명결정, 세포이동, 세포극성, 세포분화 등 다양한 발생단계에서 세포상태를 조절하는 신호전달기전으로 알려져 있다. 따라서 비정상적인 윈트신호전달은 여러 가지 발생학적 질환 및 발암의 원인으로 알려져있다. 윈트신호전달은 크게 β-catenin이 작용하는 표준윈트신호전달(canonical Wnt signaling)과 비표준윈트신호전달(non-canonical Wnt signaling)으로 나뉜다.
  * β-catenin : 윈트신호전달에 관여하는 유전자 그룹의 하나로써, 현재까지 일차섬모와 관련된 세포내 기능이 알려지지 않았으며, 이의 세린47번 인산화에 의한 일차섬모형성을 최초로 확인함.

○ β-catenin은 표준윈트신호전달의 대표적인 인자로써 표준윈트리간드(Wnt3a) 자극은 β-catenin의 안정화를 유도하여 β-catenin에 의한 수많은 유전자의 발현을 조절하는 기능이 잘 알려져 있다. 하지만, 표준윈트리간드와 β-catenin에 의한 일차섬모의 형성 조절은 알려져 있지 않다.

○ 항암제 내성은 암치료의 화학요법 실패를 초래하는 가장 큰 이유이나 아직 그 명확한 기전이 확립되지 않은 관계로, 기전을 이용한 타겟 특이적 치료방법이 전무한 상태이다.

□ 연구내용
○ 연구팀은 윈트리간드(Wnt3a)가 유도하는 직접적인 일차섬모형성 기전을 발견하였고, 본 기전이 항암제 내성을 유도할 가능성을 최초로 규명하였다.
○ 이 연구에서 연구팀은 Wnt3a 자극에 의한 β-catenin 세린 47번의 인산화를 발견 하였으며, 이는 현재까지 알려지지 않은 신규 인산화 부위이다.
○ 표준윈트리간드(Wnt3a) 자극은 CK1δ라고 하는 인산화 효소의 활성을 유도한다. 이로 인해 β-catenin의 세린 47번이 인산화 되고, 인산화된 β-catenin은 중심체로 이동하여 중심체 주위 물질들(centriolar satellites)의 재배치를 유도한다. 재배치된 중심체 주위 물질들에 의해 일차섬모형성이 유도되어 진다.
○ 항암제 내성을 가진 유방암세포에 표준윈트리간드(Wnt3a)를 처리한 결과 매우 많은 수의 세포가 일차섬모를 형성했으며, 비정상적으로 길어진 일차섬모를 형성했다. 이는 해당 실험이 항암제 내성세포에서 작용함을 나타내며, 더 긴 일차섬모가 항암제 내성을 유도한다는 기존 보고와 종합하면, 본 기전이 항암제 내성을 유도한다는 사실을 나타낸다.
○ 즉, 본 연구의 성과는 명확하지 않았던 일차섬모형성 과정 직접적인 표준윈트리간드(Wnt3a) 유도성 일차섬모 형성 과정으로 명확히 하였으며, 본 과정이 항암제 내성을 유도할 수 있는 가능성을 제시하였다. 이에 본 연구는 발암 및 항암제 내성 극복 그리고 여러 유전질환(불임, 다지증, 다낭신, 망막변성증, 내장역위증, 지방조직의 비만, 소뇌저형성증, 간섬유증, 연골형성저하증등)으로 대별되는 섬모병증(ciliopathy)의 치료 방향을 제시 하였다.

□ 연구성과의 의미
▶ 일차섬모형성 과정 규명 : 일차섬모 형성 이상과 관련된 질병의 치료제 개발 및 원천기술 연구 활용
○ 본 연구의 윈트신호전달에 의한 일차섬모형성기전 발견은 아직 초기단계에 불과한 일차섬모 관련 암연구에 효율적인 치료방안을 제시할 수 있으며, 아울러 아직 그 과정을 밝히지 못한 항암제 내성 해결에 해결책을 제공할 수 있으리라 예상된다. 결과적으로 항암제 개발 및 항암제 내성 극복을 통한 신개념 항암제 개발에 활용 가치가 클 것으로 예상된다.
○ 또한, 일차섬모의 형성/분해 이상이 초래하는 유전질환인 섬모병증(ciliopathy; 불임, 다지증, 다낭신, 망막변성증, 내장역위증, 지방조직의 비만, 소뇌저형성증, 간섬유증, 연골형성저하증등)의 극복을 위한 원천기술연구에 중요한 발판이 될 것으로 예상된다.
▶ 기존 표준윈트신호전달(canonical Wnt signaling)과 구별되어지는 새로운 기능의 표준윈트리간드(Wnt3a) 작용 규명.
○ 기존에 알려진 표준윈트신호전달은 β-catenin의 안정화에 따른 하위 유전자의 발현조절을 이야기 한 반면, 본 연구는 이와는 구별되는 표준윈트리간드 자극에 의한 β-catenin의 새로운 부위 인산화(세린 47번) 및 이에 의한 중심체 주변 물질들의 재배치라는 새로운 과정을 발견하였다. 이는 세포신호전달 기전연구의 새로운 방향성을 제시하여 세포신호전달 관련 질환 치료제 개발연구에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가

1. 세포신호전달에 의한 직접적인 일차섬모 생성 기전 최초 규명
2. 일차섬모를 통한 항암제 내성 유도 과정을 규명함
3. 기존에 알려져 있던 표준윈트신호전달과는 구별되어지는 새로운 윈트신호전달 과정 규명

어디에 쓸 수 있나

1. 항암제 내성 극복을 위해 발굴된 인자들(Wnt3a, β-catenin, CK1δ)을 표적으로 한 새로운 개념의 항암표적치료제 개발
2. 섬모병증(ciliopathy)을 치료하기 위한 기전기반 치료 기술 개발

실용화까지 필요한 시간은

본 연구결과는 세포신호전달에 의한 일차섬모형성의 직접적 과정을 최초로 제시하였고, 항암제 내성에 응용 가능성을 제시 하였다. 이에 항암제의 새로운 개념과 검증된 치료표적을 제시하는 기초연구로서, 치료제 후보물질 발굴 및 임상 단계의 시도와 속도에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것으로 사료된다.

실용화를 위한 과제는

본 연구에서 발굴한 Wnt3a와 β-catenin 세린 47번 인산화에 대한 표적 치료제 개발 전략 확립이 실용화를 위한 최우선 과제임. Wnt3a 특이적 기능억제와 β-catenin 세린 47번 특이적 인산화억제를 유도하는 물질 발굴 시스템 확립이 필요함.

연구를 시작한 계기는

일차섬모의 분해가 비표준윈트신호전달(non-canonical Wnt signaling)에 의해 유도됨을 NIH에서 포스닥으로 재직 시 발견한 후, 이와 대립되는 신호전달인 표준윈트신호전달(canonical Wnt signaling)이 일차섬모형성을 유도할 가능성을 인지하여 표준윈트리간드(Wnt3a)와 그 하위단계 인자인 β-catenin의 일차섬모형성과의 관련성을 확인하는 연구수행을 시작하였음.

에피소드가 있다면

표준윈트신호전달 관련 일차섬모 형성유도 과정을 확립하는 과정에서 거의 실험이 마무리 되어 갈 무렵, 하나의 고민은 어떤 표현형질과 관련시켜야 하는지에 대한 것이었다. 본 실험에서 표준윈트리간드(Wnt3a)처리를 하면 더 길어진 일차섬모가 형성됨을 확인 하였는데, 이 표현형을 해석하는데 애를 먹고 있었다. 마침 2018년에 항암제 내성세포에서 더 긴 일차섬모가 발견되었다는 보고를 접하고 그로인해 본 연구결과를 항암제 내성에 관련시켜 실험을 전개할 수 있었다.

꼭 이루고 싶은 목표는

NIH에서 포스닥으로 재직 시 발견한 비표준윈트신호전달에 의한 일차섬모 분해와 본 연구를 통해 발견한 표준윈트신호전달에 의한 일차섬모형성 기전을 통합적으로 정리하여 언제, 어떻게, 어떤 상태의 세포에서 윈트신호에 의한 일차섬모 생성과 분해가 조절되는지 통합 기전완성이 목표이며, 본 기전의 완성을 통해 일차섬모 생성/분해 조절에 의한 암발생, 항암제 내성극복, 그리고 일차섬모 형성이상으로 발병하는 유전질환들의 직접적인 치료기술을 제공함이 목표이다.

신진연구자를 위한 한마디

본 연구성과는 본 연구자가 NIH에 포스닥으로 근무했던 10여년 전의 연구가 그 시작이었다. 먼저 일차섬모 분해에 관한 연구결과를 완성했고, 이때 일차섬모 형성에 관한 힌트를 확보해서 그 연구를 현재까지 지속해 왔다. 물론 단시간에 모든 것을 이루는 훌륭한 과학자들도 많다고 본다. 허나 본인과 같은, 자신이 매우 뛰어난 천재가 아니라고 생각하는, 신진연구자들에게 ‘자신이 평생 바쳐야할 연구주제라 확신이 든다면, 어떤 압력과 어려움이 주위에 있더라도 중간에 방향을 틀지 말고 꾸준히 어려움들을 하나씩 헤쳐 나가면서 버티라고’ 조언하고 싶다. 

용 어 설 명

 1. 항암제 내성
 ◦ 암세포에 항암제를 투여하여 일정시간이 지난 후 사멸하지 않고 생존한 암세포가 가지는 성질로써 암치료 화학요법의 실패를 가져오는 대표적인 성질임

 2. 중심립주변물질(Centriolar satellites)
 ◦ 세포중심체(centrosome) 주변의 세포질에 분포하는 다양한 단백질 과립(granule)들.
 ◦ 다양한 세포신호, 자극, 세포주기에 의해 매우 역동적으로 중심체 주위에 모이거나 흩어지는 양상을 보이며 세포의 여러 기능에 관여함.
 ◦ 대표적인 인자들로는 PCM1, AZI1, CEP290, BBS4, Par6α, MSD1, MIB1, OFD1, 그리고 C-NAP1등이 있음.

 3. 섬모병증(ciliopathy)
 ◦ 일차섬모형성이상으로 발병하는 유전질환을 통칭하는 용어로써 이의 대표적인 질환은 Bardet-Biedl, Meckel-Gruber, Joubert, 그리고 Jeune syndrome들이 있으며, 이들의 증상은 불임, 다지증, 다낭신, 망막변성증, 내장역위증, 지방조직의 비만, 소뇌저형성증, 간섬유증, 연골형성저하증 등을 나타낸다.

그 림 설 명

그림 1. 윈트신호전달에 의한 일차섬모 형성 기전.
세포내 신호전달 체계(표준윈트리간드) 자극으로 인산화효소( CK1δ) 활성 유도를 통해, β-catenin이란 단백질이 모중심립으로 이동하여 중심립주변물질들의 재배치를 유도하고, 이를 통해 일차섬모가 형성됨
*LRP6, Frizzled : 윈트리간드 수용체

                     
그림 2. (A) 윈트자극에 의한 일차섬모 형성 증가 (B) 윈트자극에 의한 긴 일차섬모 형성 (C) 윈트자극에 의한 두꺼운 형태의 일차섬모 형성

그림 3.  윈트자극에 의한 중심체주변물질 (A) PCM1, (B) AZI1, 그리고 (C) CEP290 의 중심체 주변 축적

          

그림 4. (A) 항암제 내성세포(MCF-7/ADR)에서 윈트자극에 의한 일차섬모 형성 증가(B) 항암제 내성세포(MCF-7/ADR)에서 윈트자극에 의한 긴 일차섬모 형성.

이경호 박사 이력사항

1. 인적사항

  o 소 속 : 한국생명공학연구원
           항암물질연구센터
  o 직 위 : 선임연구원

2. 경력사항

  o 2015 – 현재 한국생명공학연구원 전임/선임연구원
  o 2007 – 2011 National Cancer Institute, NIH, Visiting Fellow
  o 2006 – 2007 크리스탈지노믹스(주) 선임연구원
  o 2005 – 2006 서울대학교 생명과학부 Post-doc.

3. 전문 분야 정보

  o 분자세포생물학