암줄기세포의 줄기세포능 억제와 분화유도
뇌종양 등 암의 맞춤형 항암제 개발 기대 

한국연구재단은 김형기 교수(고려대학교) 연구팀이 암줄기세포*의 줄기세포능*을 억제하기만 할 것이 아니라 분화*를 유도하는 새로운 종양치료 전략을 제시했다고 밝혔다.
    * 암줄기세포(Cancer stem cell) : 성체줄기세포와 유사하게 자기재생과 분화능력을 가진 소수의 암세포
    * 줄기세포능(stemness) : 여러 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력
    * 분화(differentiation) : 미숙한 세포에서 특정 기능을 갖는 세포로의 변화

대부분의 종양조직에서 발견되는 암줄기세포는 암의 발생, 전이의 원인이다. 또한 방사선 항암치료의 내성이 강해서 암을 재발시킨다. 최근 암줄기세포를 표적으로 삼는 종양치료법이 연구되고 있지만, 암줄기세포의 줄기세포능을 억제하였을 때 항암 효과가 미미하거나 암이 재발되는 등 한계가 있었다.

연구팀은 암줄기세포의 분화유도 과정을 규명하고, 줄기세포능을 억제하는 동시에 분화능력을 촉진하는 일종의 ‘채찍과 당근’ 치료 전략을 제시했다.

연구 결과, 전사조절인자인 ID1*이 줄기세포능과 분화능력을 모두 조절한다는 것이 확인되었다. ID1은 윈트(WNT)와 소닉헷지호그(SHH) 신호전달계를 활성화하여 줄기세포능을 촉진시키고 BMP 신호전달계를 억제하여 분화를 억제했다.
    * ID1 : 줄기세포의 분화를 억제하는 인자로서, 정상조직보다 뇌종양에서 많이 발현됨.

반대로 조절하여, 뇌종양줄기세포에서 윈트와 소닉헷지호그 신호를 억제하고 BMP 신호를 활성화시키면 뇌종양에 걸린 생쥐의 생존율이 증가했다. 뇌종양줄기세포의 분화 유도를 통한 항암치료 가능성을 입증한 것이다.

김형기 교수는 “이 연구는 암줄기세포의 분화조절 과정을 규명하고, 줄기세포능과 분화유도능을 표적으로 하여 종양을 억제하는 새로운 ‘항암분화치료’ 전략을 제시한 것”이라며 “다양한 종류의 암줄기세포에 대한 맞춤형 항암제 개발의 기술적 진보가 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인·집단연구) 지원으로 수행되었다. 국제학술지 임상종양연구(Clinical Cancer Research) 12월 12일 논문으로 게재되었다.

논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
  - 논문명 : Inhibition of ID1-BMPR2 intrinsic signaling sensitizes glioma stem cells to differentiation therapy
  - 저  자 : 김형기 교수(교신저자, 고려대학교), 김웅 박사(제1저자, 고려대학교), 전희영(공동저자, 고려대학교), 김은정(공동저자, 고려대학교), 김준겸(공동저자, 고려대학교), 이선용(공동저자, 고려대학교)

□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
   ○ 지난 10년간 암 진단과 치료에 있어 비약적인 발전이 있었지만 암으로 인한 치사율은 여전히 높다. 이에 암 생성과 전이에 중요한 역할을 하는 암줄기세포에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 현재 암줄기세포는 항암 방사선 치료에 대한 내성이 높아 암 재발 가능성을 높이는 주요 원인으로 알려져 있다.
   ○ 정상적인 성체줄기세포와 유사하게, 암줄기세포도 줄기세포능과 분화유도능을 동시에 조절하면서 그 특성을 유지하는 것으로 알려져 있다. 하지만 암줄기세포의 줄기세포능만 표적하여 억제하였을 때는 그 효과가 미미하거나 종양의 재발이 일어난다는 보고가 있어 종양치료의 한계가 있다. 이에 암줄기세포의 줄기세포능과 분화유도능을 동시에 표적하여 종양을 치료하는 전략을 제시하게 되었다.

 2. 연구내용
   ○ 연구팀은 ID1* 전사조절인자에 의하여 분화를 유도조절하는 BMP* 신호, 특히 BMPR2가 억제된다는 것을 생물학적 통계학으로 확인하게 되었다. 또한 BMPR2가 인위적으로 증가된 뇌종양줄기세포에서는 종양구체* 형성능력이 감소되고 줄기세포 표지인자가 감소되며 분화세포 표지인자는 증가하는  현상을 관찰하게 되었다.
 * ID1: Inhibitor of differentiation 1, 세포분화억제인자. 일반적으로 줄기세포의 분화를 억제하는 역할을 하며, 뇌종양에서 정상조직보다 많이 발현되는 것으로 보고된다.
      * BMP: Bone morphogenetic protein, 뼈형태형성단백질. 일반적으로 줄기세포의 분화를 유도하는 신호전달체계로 알려져 있다. (BMPR2: BMP receptor II)
      * 종양구체 : 종양줄기세포가 일반적인 종양세포와 다르게 특수한 배양액과 배양용기에서 죽지 않고 뭉쳐서 구체를 이루어 자라는 현상을 말한다.
   ○ 연구팀은 또 ID1이 줄기세포능 조절신호인 WNT, SHH를 활성화시켜 Myc*, miRNA-17/20a*의 발현을 증가시키는 것을 통하여 BMPR2의 발현을 억제한다는 것을 확인하였다.
      * Myc : 강력한 종양유발인자로 알려져 있으며 다양한 암에서 발견되었다.
      * miRNA-17/20a : microRNA의 일종으로 종양을 촉진한다고 알려져 있다.
   ○ 마지막으로 ID1이 발현되어 있는 뇌종양줄기세포를 마우스 뇌에 이식시켜 뇌종양을 형성하고 WNT, SHH 신호를 억제함과 동시에 BMP 신호를 활성화시켜 보았다. 결과, 아무것도 처리하지 않은 대조군에 비해 마우스의 생존율이 현저하게 증가하는 것을 확인하였다.
   ○ 이러한 결과는 ID1-BMPR2 축이 뇌종양줄기세포의 줄기세포능 특성을 조절하고 이 축을 표적으로 하면 뇌종양을 분화유도로 치료할 수 있다는 사실을 증명한다.

 3. 연구 성과
   ○ 이 연구는 암줄기세포 항암분화치료라는 새로운 방법으로 뇌종양과 같은 난치성 암을 치료할 수 있다는 가능성을 제시하는데 의미가 크다.
   ○ 또한 이와 같은 암줄기세포 항암분화치료라는 새로운 치료방법과 기존의 수술, 방사성치료, 화학적치료와 같은 표준 치료방법을 병행하여 다양한 전략을 제공하면 암 치료의 성공률을 더욱 높일 수 있다.

□연구결과
1. 연구배경
 ○ 뇌종양은 성인에서 발생하는 가장 흔한 뇌의 원발성 종양으로 지난 30여 년간 치료에 의한 생존율의 향상이 미미한 대표적 난치성 고형암이다. 1997년 백혈병에서 암줄기세포가 처음 분리된 이후, 뇌종양을 포함하여 거의 모든 고형암에서의 암줄기세포의 분리 및 동정에 관한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
 ○ 기존의 항암치료방법으로 치료할 경우 대부분의 암세포가 없어졌더라도 항암요법에 저항성을 보이는 암줄기세포가 재발의 원인이 되어 암치료가 어렵다고 보고되고 있다. 대표적으로 암줄기세포에서 활성화 되어 있는 세포특성결정인자(예: WNT, SHH, NOTCH, PDGFR, EGFR, VEGFR)들의 기능적 변이가 그 원인이 되고 있다. 또한 암줄기세포에서 세포분화 조절기전에 이상이 있는 것으로 보고되고 있으며, 이러한 결과를 바탕으로 분화유도인자인 BMP4를 처리하여 종양재발을 억제하는 연구가 진행되고 있다.
 ○ 현재까지 다양한 암줄기세포를 표적하는 항암제나 분화유도제의 개발은 활발하지만, 이러한 표적치료제가 뇌종양 환자에 적용되는 것은 매우 제한적이다. 그 이유로, 표적항암제의 정상 뇌줄기세포에 주는 부작용과 뇌종양에서 분화유도신호의 기능적 변이가 있어 다른 암에 비해 항암제의 효능을 기대하기가 어렵다. 따라서 뇌종양줄기세포를 표적하고 분화유도하여 항암효과를 볼 수 있는 전략이 거의 없는 실정에서 기존의 뇌종양 치료법의 한계를 극복하기 위해 뇌종양 줄기세포를 선택적으로 억제할 수 있는 항암분화치료기술의 개발이 필요하다.

2. 연구내용
 ○ 연구팀은 ID1 전사조절인자에 의하여 조절 받는 줄기세포능과 분화유도 두 측면을 동시에 표적하여 종양을 치료하는 전략을 제시하였다. 우선 뇌종양 줄기세포 microarray 데이터를 통하여 생물학적 통계학으로 ID1이 억제되어 있을 때 BMP 분화유도조절 신호에서 중요한 역할을 하는 BMPR2가 증가되어 있다는 것을 확인하였다.
 ○ 실험에서는 뇌종양 줄기세포에 BMPR2를 과발현 시키면 종양구체 형성능력이 감소되고 뇌종양 줄기 세포 표지인자는 감소되는 반면 뇌종양 분화세포 표지인자는 증가되는 등 줄기세포능의 특성을 잃고 분화되는 현상을 확인할 수 있었다. 또한, 생물정보학 예측 및 생체 외 실험을 통하여 ID1이 줄기세포능 조절신호인 WNT, SHH 신호를 활성화시켜 Myc, miRNA-17, miRNA-20a의 발현을 증가시키며 따라서 BMPR2의 발현이 억제된다는 것을 밝혔다.
 ○ 생체 마우스 실험에서는 WNT, SHH 신호를 억제함과 동시에 BMPR2에 의해 유도되는 분화신호를 활성화시켜 생존율이 대조군에 비해 확실하게 증가하는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과를 통해 ID1-BMPR2 축이 뇌종양 줄기세포의 줄기세포능 분화를 조절하는데 있어서 중요한 역할을 하고 있고 이에 따라 뇌종양 치료전략에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있다는 것을 밝혔다.

3. 기대효과
 ○ 기술적 측면에서는 암줄기세포의 분화조절 기전규명을 통해 기존 항암제의 한계를 극복할 수 있는 새로운 종양치료 접근법 및 맞춤형 정밀 의료물질의 개발 가능성을 제시하고 암줄기세포의 특성을 이해함으로서 암의 예방, 진단 및 치료에 이론 및 기술적인 활용을 할 수 있다. 또한 뇌종양줄기세포뿐만 아니라 다양한 종류의 암줄기세포에 적용될 수 있는 항암제 개발의 기술적 진보를 기대할 수 있으며 암줄기세포의 유지와 관련된 신호전달기전의 변화에 대한 폭넓은 이해를 통한 암치료에 대한 해법을 제시함으로써 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있다.
 ○ 경제적 및 산업적 측면에서는 본 연구팀에 의해 밝혀진 암줄기세포의 특성을 이용한 항암제 개발의 기반기술을 확립하고 암줄기세포 표적치료와 표준 치료의 병행 전략을 제공하여 암 치료의 선진화 및 항암제 개발 시장의 활성화에 기여할 수 있으며 암 치료의 성공률을 높여 사회경제 부담을 감소하고 국가 경제의 생산성 손실을 축소할 수 있다. 또한 국내 항암제 개발의 기술적 진보를 통해 해외 항암제 시장의 의존도를 감소할 수 있고 선도적 암치료 전략 및 연구성과물의 지적재산권을 확보하여 기초 연구 및 신약 개발 분야에서 높은 경쟁력을 갖춘 연구 인력을 양성할 수 있다.

◇연구이야기
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

뇌종양 줄기세포 특성을 유지하려면 줄기세포능을 부여하는 것도 중요하지만, 분화신호를 억제하는 것 또한 중요한 신호기작이다. 강력한 줄기세포능 전사조절인자인 ID1에 의한 줄기세포능 특성 메카니즘은 잘 규명되어 있지만 어떻게 분화가 억제 되는지에 대해서는 잘 알려져 있지 않은 상태이다. ID1의 분화억제 기전에 대해 연구하다가 줄기세포능 억제와 분화유도를 동시에 시도하면 뇌종양이 억제된다는 본 연구 결과가 도출되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구팀은 ID1의 분화억제 기전에 대해 연구하다가 생물정보학적 통계법으로 BMP 분화유도 신호를 확인하였고, 줄기세포능을 억제하는 동시에 BMP 분화유도 신호를 활성화시켜보니 암줄기세포가 억제되면서 종양도 억제되는 현상을 관찰하게 되었다. 따라서 암줄기세포 항암분화치료 전략을 제시하게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?- 

WNT와 SHH 억제제들이 마우스에 복강주사 처리를 하면 뇌혈관장벽을 통과하지 못하는 경우가 발생하였다. 공동저자들의 추천으로 시약을 소개받아 억제제 및 유도제들과 같이 복강주사 처리를 해주니 뇌혈관장벽을 통과하여 뇌까지 전달 되는 것을 확인하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

암줄기세포 줄기세포능을 억제함과 동시에 분화를 유도하면 암줄기세포를 억제하면서 궁극적으로 종양도 억제된다는 것을 확인하면서 항암분화치료라는 전략을 제시하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

다양한 항암전략이 제시될수록 환자 맞춤형 치료의 발전이 더욱 빨라질 것이라는 믿음이 있다. 본 연구에서 제시하는 항암분화치료 전략에 기존의 표준 치료법을 병행하면 다양한 환자에 대응되는 맞춤형 치료를 진행할 수 있을 것이다. 본 연구팀은 이와 같은 환자 맞춤형 치료에 비중을 두는 연구를 계속할 계획이다.

□용어설명
1. 암줄기세포 (Cancer stem cell)
  ○ 거의 모든 암에서 발견되는 정상적인 줄기세포와 유사한 자기 재생과 분화능력 특징을 갖고 있는 소수의 암세포로서 줄기세포 능력이 없는 일반 분화된 암세포와 다르게 이들 암줄기세포만이 종양을 형성할 수 있으며, 특히 전이 및 항암치료 후 재발 원인이 되는 세포로 알려져 있다.
2. 줄기세포능(stemness)
  ○ 여러 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력
3. 분화(differentiation)
  ○ 미숙한 세포에서 특정 기능을 갖는 세포로의 변화
4. ID1 (Inhibitor of Differentiation 1, 분화억제인자1)
  ○ 헬릭스-루프-헬릭스(Helix-Loop-Helix) 구조를 가지며 DNA 결합능력이 없는 단백질로서 DNA 결합능력이 있는 헬릭스-루프-헬릭스 구조를 가진 다른 전사인자(transcription factor)와 결합하여 유전자 전사(transcription)을 억제하는 작용을 한다. 보통 세포 분화를 유도하는 전사인자들을 억제하여 세포 분화를 억제하고, 줄기세포 능력을 유지하도록 하는 기능이 알려져 있다.
5. BMP(Bone morphogenetic protein, 뼈형태형성단백질)
  ○ 일반적으로 줄기세포의 분화를 유도하는 신호전달체계로 알려져 있다. BMPR2는 BMP receptor II이다.
6. 종양구체 형성능력
  ○ 암줄기세포를 생체 외 배양하면 나타나는 특성 중 하나로, 일반적인 암세포는 배양용기 밑바닥에 부착하여 자라야 하는 반면 암줄기세포는 특정 배양액에서 배양하면 액체 속에 부유하여 구체를 형성하면서 자라는 능력을 말한다.
7. Myc
  ○ 강력한 종양유발인자로 알려져 있으며 다양한 암에서 높은 발현량으로 발견되고 있다.
8. miRNA17/20a
  ○ microRNA의 일종으로 종양을 촉진한다고 알려져 있다. 
9. 교모세포종 (Glioblastoma)
  ○ 교모세포종은 4등급의 신경교종으로 신경교종 중에서 가장 악성이며 조직학적으로는 역형성 성상 세포종에 괴사소견이 추가된 것입니다. 이 종양은 가장 흔한 악성 원발성 뇌종양으로 성인 신경교종의 1/4, 소아 신경교종의 15%를 차지하며 진단 치료 후 평균 생존율이 14개월 이내인 악성 종양이다. 
10. 신호전달계 (signaling pathway)
  ○ 세포 외부의 특이적인 신호나 변화를 세포막 수용체가 인지하여 세포 내 단백질들의 체계적이고 역동적인 변화를 일으켜 세포의 특성 유지과 기능을 수행하는 과정에 관여하는 이들 분자 간의 상호 연결과 역동적인 변화를 의미한다.

그 림 설 

 (그림1) 생물정보학적 방법으로 ID1이 BMPR2를 통하여 뇌종양줄기세포의 분화를 조절한다는 것을 확인
    (A-C) 공개된 데이터에서 ID family 중 유일하게 ID1이 세 가지 lineage로의 분화신호와 부의 상관관계를 보여주는 것을 확인하였다.
    (D) 실험실에서 구축된 뇌종양줄기세포주에서도 A-C에서 확인한 내용을 확인하였다.
    (E-H) ID1이 감소되었을 때 BMPR2 유전자가 가장 많이 증가되었다는 것을 확인하였다. 
    (I) 공개된 여러 종류의 데이터에서 BMPR2가 교모세포종에서의 발현량이 정상조직에 비해, 그리고 낮은 grade의 뇌종양에 비해 모두 낮다는 것을 확인하였다.
    (J) 뇌종양 환자조직에서 BMPR2를 발현하는 분화된 세포와 줄기세포 표지인자인 Nestin을 발현하는 미분화된 줄기세포를 면역염색법으로 확인하였다.
    (K) 공개된 데이터에서 BMPR2의 발현에 따라 뇌종양환자의 생존율을 비교 분석하였다. 결과 BMPR2의 발현이 낮은 뇌종양환자들의 예후가 훨씬 안 좋은 것을 확인하였다.

 

 

    

 

(그림2) 마우스 실험을 통하여 항암분화치료 전략을 확인
    (A-B) 두 가지 ID1을 발현하고 있는 뇌종양줄기세포를 이식하여 악성뇌종양을 가진 마우스는 줄기세포능 억제제(J, G)와 분화유도제(B)를 동시에 처리하였을 때 그 예후가 가장 좋은 것을 확인하였다.
    (D) 실험 후 마우스의 뇌종양 조직을 추출하여 면역화학법으로 줄기세포 표지인자와 분화세포 표지인자를 확인하였다. 결과 세 가지 약물을 모두 처리 하였을 때 줄기세포 표지인자(Nestin, Sox2)가 대조군에 비해 현저히 감소하는 것을 확인하였고, 분화세포 표지인자(GFAP, Tuj1, O4)는 현저히 증가하는 것을 확인하였다.

 

 

    

 

(그림3) 암줄기세포 항암분화치료 전략 제시
    ID1 전사조절인자가 WNT/SHH 줄기세포 조절신호를 통하여 Myc, miRNA-17/20a의 발현을 높여주고 이로써 분화유도신호인 BMP를 억제한다는 것을 밝혔다. 실험을 통하여 줄기세포 조절신호를 억제하고 분화유도신호를 활성화 시키면 암줄기세포가 억제되면서 종양도 억제되는 것을 확인함으로서 암줄기세포 항암분화치료 전략을 제시하였다.

김형기 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항                                        
 ○ 소 속 : 고려대학교 생명과학대학 생명공학부
 ○ 전 화 : 02-3290-3059
 ○ e-mail : hg-kim@korea.ac.kr

2. 학력
○ 1987 ~ 1994   영남대학교 (학사)
○ 1994 ~ 1996   서울대학교 (석사)
○ 1996 ~ 2001   미국 미네소타대학교 (박사)

3. 경력사항
○ 2001 ~ 2003   미국 하버드의과대학 다나-파버 암연구소, 박사후 연구원
○ 2003 ~ 현재   고려대학교 생명과학대학 생명공학부 조교수, 부교수, 교수

4. 전문분야 정보
○ 암줄기세포 발생 및 유지 관련 유전자와 신호전달기전 규명
○ 암줄기세포 특이적 진단 및 치료 기법과 약물전달시스템 개발

5. 연구지원 정보 
 ○ 2011 ~ 2016 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(중견연구자지원사업)

 

김 웅(Xiong Jin) 박사 [제1저자] 이력사항

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 고려대학교 동물분자생체공학연구소
 ○ 전 화 : 02-3290-3472        
 ○ e-mail : pierce0701@gmail.com
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2. 학력
 ○ 2005 ~ 2009   중국 천진농업대학 동물과학과 학사 
 ○ 2010 ~ 2017   고려대학교 대학원 박사   

3. 경력사항
 ○ 2017 ~ 현재   고려대학교 동물분자생체공학연구소 선임연구원

4. 전문 분야 정보
 ○ 뇌종양 및 종양줄기세포

한국연구재단 제공