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의생명공학과

바이오산업동향

p53의 암 줄기세포 활성화 기전 규명
등록일
2020-11-05
작성자
의생명공학과
조회수
39

대장암 치료 후 재발의 원인이 되는 암 줄기세포 활성화의 분자적 기전이 밝혀졌다. 한국연구재단은 최강열 교수(연세대학교) 연구팀이 대표적 암 억제인자인 p53이 역설적으로 암 줄기세포 활성화를 도와 암 재발을 유도하는 것을 알아냈다고 밝혔다.

대장암 등을 위한 표준 화학치료요법으로 5-플루오로 우라실(5-FU) 기반 복합요법이 자리 잡은 지 오래되었지만, 치료 후 재발 시 나타나는 암 줄기세포 증가와 관련된 기전은 잘 알려지지 않았다.

연구팀은 먼저 대장암 환자의 암세포를 배양해 만든 오가노이드와 대장암 생쥐모델을 이용, 5-플루오로 우라실 치료 후 암 줄기세포가 활성화되는 것을 확인했다.
   ※ 오가노이드(organoid) : 줄기세포를 3차원적으로 배양하여 특정 장기의 구조와 기능을 재현하기 위해 만든 장기 모사체

미니장기처럼 암 환자 특이적인 조직 특징이나 생리 활성을 재현하는 암 오가노이드는 일종의 환자 아바타 모델로 임상 적용 가능성 확인에 주로 이용된다.

나아가 치료 후 암 재발과정에서 p53이 WNT 신호전달계를 자극, 암 줄기세포 활성화를 유도하는 것을 밝혀냈다.
 
장(gut) 줄기세포를 배양, 장 오가노이드를 처음 제작, 보고(2009년)한  한스 클레버 교수 연구팀(네덜란드 후브레흐 대학)과의 공동연구로 유전자 가위를 이용하여 p53이 소실된 장세포 유래 오가노이드를 확보, p53의 이같은 역할을 정교하게 검증했다.
   ※ p53 : 대표적인 암 억제인자로 잘 알려져 있으며, DNA 손상이나 비정상적 성장신호 등이 있는지 세포의 상태를 모니터링하는 감시자 역할을 수행한다.
   ※ WNT 신호전달계 : 암 발생과 진행에 중요한 신호전달계로 대장암 환자의 90% 이상에서 APC라는 유전자의 돌연변이로 인해 이 신호전달계가 활성화 되어 있으며, 대장암 줄기세포 활성화에 중요한 것으로 알려져 있다.

이같은 결과는 5-플루오로 우라실의 약효 극대화와 재발 억제를 위해 WNT 신호억제제의 병용치료 필요성을 뒷받침한다. 

실제 환자 암세포 유래 오가노이드와 대장암 세포를 이식한 동물 모델에서  WNT 신호전달계를 억제하는 화학물질을 함께 처리 하자 5-플루오로 우라실에 의한 암 줄기세포 활성화가 저해되고, 단독처리 이후 발생하는 종양의 재성장이 억제됨을 검증, WNT 신호저해제가 효과적일 수 있음을 제시하였다.

대표적 암 억제인자 p53의 암 줄기세포 활성화라는 상반된 역할을 밝혀내는 한편 그를 저지할 분자표적을 제시한 이번 연구성과는 교육부·한국연구재단이 추진하는 기본연구사업, 과학기술정보통신부· 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 등의 지원으로 수행되었으며 국제학술지‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 10월 21일 게재되었다.


주요내용 설명

 <작성 : 연세대학교 최강열 교수>

논문명
5-FU promotes stemness of colorectal cancer via p53-mediated WNT/β-catenin pathway activation
저널명
Nature Communications
키워드
 5-FU, 대장암 줄기세포, LGR5, WNT 신호전달계, p53
DOI
10.1038/s41467-020-19173-2
저  자
최강열 교수(교신저자, 연세대), 조용희 박사(제1저자, 연세대), 노은지 박사(제1저자, 연세대), 윤정수(연세대), Tomohiro Mizutani 박사(Hubrecht University, Netherland), 강동우 박사(Medpacto), 박종찬 박사 (연세대), 김태일 교수(연세의대), Hans Clevers 교수(Hubrecht University, Netherland)

1. 연구의 필요성
 ○ 대장암 환자를 비롯하여 많은 암환자에게 표준 치료법으로 사용되는 5-플루오로 우라실 기반 복합치료는 50% 가 넘는 대장암 환자에서 반응성을 보인다. 하지만 빈번한 재발로 5년 생존율을 크게 높이지 못하고 있다. 때문에 분자생물학적 접근을 통해 체계적으로 재발 기작을 규명하는 것이 시급한 상황이다.
      * 5-플루오로 우라실(5-Fluorouracil) : 세포 내에서 우라실과 작용하여 디엔에이 (DNA) 생합성을 저해하는 항암 물질
 ○ 5-플루오로 우라실은 DNA 합성을 저해하고 세포의 자연사를 유도 하는 방식으로 암세포의 성장을 억제한다. 하지만 동시에 암 줄기세포 활성화를 유발, 재발과 전이의 원인이 될 수 있다는 보고가 있으나 관련 연구가 미비한 상황이다.

2. 연구내용
 ○ 대표적 대장암 줄기세포 마커인, Lgr5 관찰이 가능한 대장암 모델 쥐(ApcMin/+/Lgr5EGFP)의 암세포 유래 오가노이드 모델을 제작하여 5-플루오로 우라실 처리가 암 오가노이드 성장을 억제하는 동시에 암 줄기세포는 증가시키는 것을 확인하였다(그림 1).
      * 암 오가노이드 모델 : 암 세포를 이용하여 본래 암 특이적인 조직학적 특징, 생리활성을 재현하는 등, 본래 환자 암 조직과 유사한 3차원 구조의 암 조직 모사 모델
 ○ 대장암 동물모델의 암세포 유래 오가노이드 및 다양한 대장암 환자 세포주에서 5-플루오로 우라실 처리에 따라 대장암 줄기세포 활성화에 중요한 WNT 신호전달계가 활성화됨을 확인하였다.
 ○ 나아가 이러한 WNT 신호전달계의 활성화는 5-플루오로 우라실 처리에 의해 활성화되는 p53이 전사인자로서 작용하여 WNT ligand 발현을 증가시킴을 사람 장 세포 유래 오가노이드에 유전자 가위 Crispr/Cas9을 이용한 p53 knock-out을 통해 검증하였다 (그림 1). 네덜란드 Hubrecht 대학 Hans Clevers 교수 연구팀으로부터 유전자가위를 이용하여 제작된 p53이 소실된 대장세포 유래 오가노이드를 확보 활용하여, 암 억제인자로 잘 알려진 p53이 화학요법치료 이후에는 암의 재발이라는 양면적인 역할을 수행함을 밝혔다. 
         * WNT 신호전달계 : 암의 발생과 진행에 중요한 역할을 수행하는 신호 전달계로 대장암 환자의 경우 90% 이상의 환자에서 APC라는 유전자의 돌연변이로 인해 활성화가 되어있으며, 대장암 줄기세포 활성화에 중요한 역할을 수행한다. 
 ○ 또한, 이런 작용기작의 임상적용 가능성을 확인하기 위해 대장암 환자 암세포 유래의 오가노이드 생체자원은행을 구축하였고, 이를 이용하여 발굴한 작용 기작의 임상 적용 가능성을 입증했다 (그림 2).
 ○ 대장암 세포 주를 이용한 이종 이식 생쥐 모델과 대장암 환자 암세포 유래 오가노이드 모델에서 5-플루오로 우라실과 WNT 억제제를 복합처리 시, 단독 처리에 의해 증가되는 WNT 신호전달계 활성화 및 암 줄기세포를 제어함에 따라, 약물 처리 중단 후 암세포의 재성장을 크게 억제함을 확인했다. 이는 5-플루오로 우라실 처리 시 활성화되는 암 억제 인자 p53이 WNT 신호전달계 활성화를 통해 암 줄기세포를 증가시켜 대장암 재발에 관여하고 있음을 보여주고 있다 (그림 2). 

3. 연구성과/기대효과
 ○ 5-플루오로 우라실 기반 치료 시 p53이 암 줄기세포 활성화를 통해 재발을 유도함을 밝힘으로써 대표적 암 억제인자인 p53의 양면성을 보여주었다.
 ○ 특히 WNT 신호전달체계 억제제를 복합 처리할 경우 대장암 줄기 세포가 억제됨을 보여, FOLFOX, FOLFIRI 같은 세포독성 항암제로만 구성된 5-플루오로 우라실 복합치료에 WNT 신호전달 체계 억제 표적치료를 포함하는 이상적인 복합치료제를 제시하였다 (그림 4).
 ○ 이는 5-플루오로 우라실 기반 치료 시 재발 억제를 위한 새로운 참고 자료로, 환자 예후 증진에 기여 할 것으로 기대 된다.(그림 3).
 

5-FU 처리 시 p53 의존적 WNT 신호 전달계 증가를 통한 암 줄기세포 증가
(그림 1) 5-FU 처리 시 p53 의존적 WNT 신호 전달계 증가를 통한 암 줄기세포 증가
5-FU에 반응성이 있으며 Lgr5 관찰 가능한 대장암 모델 쥐 (ApcMin/+/Lgr5EGFP)의 암세포 유래 오가노이드에 5-FU 처리 시 Lgr5+ 암 줄기세포가 크게 증가되며, WNT 활성도 확인 가능한 유전자인 Axin2 관찰 가능한 대장암 모델 쥐 (ApcMin/+/Axin2LacZ) 암세포 유래 오가노이드를 이용해 5-FU 처리 시 WNT 신호전달계가 증가됨을 확인하였다. 또한, WNT 신호전달계의 활성화는 5-FU 처리에 의해 활성화되는 p53이 전사인자로 작용하여 증가시키는 WNT ligand의 발현을 통함을 사람 장 세포 유래의 오가노이드에 유전자 가위 Crispr/Cas9을 이용한 p53 knock-out을 통해 확인하였다.
제공 : 연세대학교 최강열 교수


WNT 억제제를 통한 5-FU 처리 종료 후 발생하는 암 세포의 재성장 억제
(그림 2) WNT 억제제를 통한 5-FU 처리 종료 후 발생하는 암 세포의 재성장 억제
5-FU 처리 종료 후에 나타나는 대장 암세포의 재성장이 WNT 억제제와 5-FU 복합 처리 시에 크게 억제 되며, 이때 WNT 신호전달계 조절에 의한 암 줄기세포의 제어가 동반됨을 환자 암세포 유래 오가노이드 모델 및 이종 이식 쥐에서 확인하였다.
제공 : 연세대학교 최강열 교수


5-FU 기반 항암제 처리 후의 p53의 기능적 양면성
(그림 3) 5-FU 기반 항암제 처리 후의 p53의 기능적 양면성
5-FU 치료 후 증가되는 p53은 DNA 손상에 의한 암세포 억제 기능과 동시에 암 줄기세포 증가를 통해 궁극적으로는 암 재발을 유도하는 양면성을 가지고 있다.
제공 : 연세대학교 최강열 교수


5-FU 기반 항암치료 후 암 줄기세포의 활성화를 통한 재발 작용기작
(그림 4) 5-FU 기반 항암치료 후 암 줄기세포의 활성화를 통한 재발 작용기작
5-FU 치료 후 증가되는 p53은 WNT3의 전사인자로 작용하여 WNT 신호전달계 활성화를 유도하며, 활성화된 WNT 신호전달에 의해 암 줄기세포가 활성화 되어 재발을 유도한다.  따라서, 5-FU와 WNT 신호전달계 억제제를 병용처리시, 암 줄기세포 활성화로 인한 암의 재발을 억제하여 환자 사망률을 크게 증진 시킬 수 있다.
제공 : 연세대학교 최강열 교수


연구 이야기

 <작성 : 연세대학교 최강열 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

대장암은 장 내시경 등 조기진단과 화학 항암제의 발전으로 생존율이 증가되고는 있지만, 여전히 전 세계적으로 암 관련 사망률이 3번째로 높은 위험한 질병이다. 다양한 세포 독성 화학항암제(5-FU, Oxaliplatin, Irinotecan), 표적항암제(Cetuximab, Panitumumab)의 개발에도 불구하고, 이들의 제한적인 효과로 인해 임상에서는 주로 5-FU를 기반의 복합치료요법이 사용되고 있다. 하지만, 이 역시 50% 이상의 대장암 환자에서 초기에는 약효를 보이지만, 높은 재발률로 인해 환자의 5년 생존율은 크게 증가시키지 못하는 한계가 있어 5-FU기반 치료 후, 재발을 억제할 수 있는 작용 기작에 대한 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

5-FU 처리 시, 암세포 사멸이 일어남과 동시에 대장암 줄기세포 마커인 Lgr5+ 암세포가 증가됨을 통해 5-FU치료 후 발생하는 대장암 재발에 암 줄기세포의 관련성을 확인하였고, 5-FU 처리 시, WNT 신호전달계 활성화 이후에 암 줄기세포가 증가됨 확인하였다. 다양한 세포 및 대장암 모델에서의 p53 유전자 조작를 통해 5-FU 처리 시 활성화되는 p53이 WNT ligand의 전사 인자로 작용하여 WNT 신호전달계를 활성화시킴으로써 암 줄기세포를 증가시키는 주요한 인자로 역할을 함을 규명하였고, 그 내용을 Nature Communications에 게재하게 되었다.  

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

임상 적용 가능한 5-FU의 암 줄기세포의 활성화 메커니즘 규명 및 작용기작의 재발과의 관련성을 확인하기 위해 환자 암세포 유래 오가노이드 생체자원은행을 구축하였고, 연구 초기 당시 전 세계적으로 환자 암세포 유래 오가노이드가 보편적이지 않다보니 배양시스템 구축에 관련하여 많은 시행착오를 겪으며 많은 시간과 연구비를 투자해야 했다. 또한 대표적인 암 억제인자인 p53의 암 재발관련 인자로서의 양면성을 처음으로 암에서 규명하다 보니 다양한 시도를 통해 정확한 검증이 필요했으며, 암 오가노이드를 최초로 구축한 세계적으로 저명한 네덜란드의 Hans Clevers 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 유전자 가위인 Crispr/Cas9을 이용한 p53 knock-out 사람 대장 오가노이드를 확보하여 5-FU처리 시 p53을 통한 암 줄기세포 활성화 기전의 임상 적용성을 확인 했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

p53의 경우 대표적인 항암 유전자로, 5-FU 기반 복합치료의 항암효과에 주요한 역할을 함이 잘 알려져 있다. 하지만 이번 연구는 이러한 p53의 양면성을 보여주는 연구로, p53이 암세포의 세포 자연사 유도 뿐 아니라 동시에 WNT ligand 발현을 증가시켜 대표적인 발암 신호전달계인 WNT 신호 전달체계를 활성화시키고, 이에 따른 대장암 줄기세포의 증가는 5-FU 기반 복합치료 이후 문제가 되는 재발에 주요한 역할을 함을 규명하였다. 이 같은 결과는 암 억제에  핵심적인 역할을 수행하는 p53이라는 종양억제인자의 양면성을 규명한 중요성을 더한다 하겠다. 5-FU의 암 줄기세포 활성화 작용기작의 제어효과를 다양한 대장암 환자유래 암세포 모델에서 검증함으로써 그동안 해결되지 못하였던 5-FU 기반 복합치료 후 재발을 억제하는 새로운 치료 전략을 제시하였다고 할 수 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

현재 임상에서 이용되는 FOLFOX, FOLFIRI 같이 세포 독성이 강한 항암제들로만 구성된 5-FU 기반 복합치료에 WNT 신호전달체계 억제 표적치료를 포함한 새로운 조합의 가능성을 보여주어, 5-FU 기반 복합치료 후 빈번히 발생하는 암 재발로 인한 환자사망 문제점 해결 하는데 크게 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이 연구결과를 기반으로 기존 항암제 치료 후 재발 및 전이 등을 제어하여 기존 항암제의 한계를 극복하고, 현재 나아가고 있는 정밀의학(Precision Medicine)에 바탕을 두고 실질적으로 환자의 예후를 증진시킬 수 있는 효과적인 치료법 개발의 발판이 되었으면 한다.

 

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