Transcription Factor를 이용한 암치료제 개발 현황
2020-09-23
org.kosen.entty.User@7e5de772
추헌수(c1021)
Transcription Factor를 이용한 암치료제 개발 현황
Key words
Transcription factor, cancer drug, cancer hallmark, PROTAC(proteolysis targeting chimera)
전사인자, 항암제, 암 특징, 단백질 분해 표적 키메라
1. 개요
최근 전사인자(Transcription factor)를 이용한 항암제의 개발에 많은 관심이 모아지고 있다. 그 이유는 이들은 제한된 수에도 불구하고 암세포에 대한 높은 활성을 보이기 때문에 신규 항암제를 개발할 수 있는 좋은 타겟이 될 수 있기 때문이다. 하지만, 많은 문헌에서 보고된 바 있듯, 전사인자를 이용한 항암제의 개발에는 넘어야할 장애물들이 많으며, 현재 이를 극복하기 위한 DNA 레벨, protein 레벨에서의 접근이 활발하게 이루어지고 있다[1].
전사인자는 기본적으로 진핵생물의 전사(transcription)에 관여하는 단백질을 의미하는데, 이들은 DNA를 주형(backbone)으로 RNA 중합효소와 결합해 전사를 조절하는 역할을 한다. 암세포에 관여하는 여러 유전자들도 이러한 메커니즘을 통해, 전사, 번역(translation)되어 암세포의 증식이나, 이동, 활성 등에 영향을 준다. 하지만, 전사인자가 표적으로 하는 타겟이 DNA-단백질, 단백질-단백질의 결합이나 상호작용이기 때문에 15년 전까지 만해도, 전사인자를 이용한 항암제 개발은 힘들 것이라고 예측되었다. 그러나, 최근에는 단백질의 결합에 관여하는 소수의 아미노산 잔기(hotspot residues)를 대상으로 약물을 개발하는 방법[2], 중요 단백질의 결합 이외의 부분을 타겟으로 해 타겟 단백질의 구조적 변화를 유도하는 알로스테릭 접근법(allosteric modulation)[3] 등을 통해 전사인자를 이용한 항암제 개발이 활발해지고 있다.
본 보고서는 암과 관련해서 현재까지 보고된 바 있는 전사인자들을 살펴보고 이를 이용해 임상개발 중에 있는 항암제 개발 사례들에 대해 알아볼 것이다. 또한, 현재의 개발 방향 뿐만아니라, 향후 그 중요성이 증가할 것으로 예상되는 연구 분야나 방향에 대해서도 다룰 예정이다.
2. 주요 내용
2.1. 암 전사인자
전사인자는 유전자의 발견을 조절하는 단백질로 인간에는 약 3,600개가량의 단백질이 이에 해당하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이들의 발현 정도에 따라 세포는 암세포가 될 수도 있고, 정상세포의 특징을 지니기도 한다. 정상 세포들과 비교해, 이들에서 발견되지 않는 전사인자의 발현, 종양억제 전사인자들의 유전자 결함(돌연변이에 의한 DNA 상에서의 결함, 후성유전학적 발현억제(DNA methylation)), 전사인자에 의한 종양 유전자의 비정상적인 과발현 등에 의해 암이 유발된다는 사실은 이미 잘 알려져 있으며[4], 거의 모든 암에서 돌연변이가 일어나 있는 것으로 알려진 종양억제인자 p53역시 암과 관련된 중요한 전자인자로 많은 연구가 이루어지고 있다.
좀더 자세하게 살펴보면 급성전골수세포백혈병 (acute promyelocytic leukemia)에서의 PML/ RARa(promyelocytic leukemia/retinoic acid receptor alpha), 급성골수성백혈병(acute myeloid leukaemia)에서의 AML1–ETO 유전자(RUNX1–MTG8), 혈액종양에서의 TEL–AML1(ETV6-RUNX1), 역시 급성골수성백혈병에 있어서의 CBFβ-SMMHC (MYH11) 등이 암을 유발하는 직접적인 전사인자로 보고된 바 있다[1,5]. 이 이외에도 RAS 관련 암을 일으키는 것으로 알려진 ETS1, ETS2 및 MYC, STAT1 등에 대한 전사인자 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이들은 각각 면역회피 차단, 세포 분화 및/또는 세포사멸 증가, 암 유발 자가조절 경로의 방해, 줄기세포와 유사한 특성의 차단, EMT 차단, 증식불멸성 차단 등의 방법을 통해 암에 직접적인 영향을 미치고 있다.
2.2. 전사인자 표적 후보군
(1) 호르몬 수용체의 결합부위 타겟화
호르몬을 표적으로 하는 표적 세포는 반드시 그 호르몬의 수용체를 갖고 있으며, 이들 수용체가 없으면 호르몬에 의한 신호 전달이 이루어지지 않는다. 따라서, 이들을 타겟으로 하는 전사인자 항암제가 많이 개발되었고, 그 예로는 에스트로겐 수용체 (estrogen receptor; ER) 및 안드로겐 수용체(androgen receptor; AR) 저해제 등이 있다.
유방암 중의 약 75%는 에스트로겐 수용체 양성으로 세포 증식을 위해 에스트로겐 수용체를 발현한다. 따라서 이러한 에스트로겐 수용체를 대상으로 하는 저분자 화학물질이 개발되었으며, 이는 전사인자를 약물 타겟으로 하는 훌륭한 성공 전략을 잘 보여주고 있다. 에스트로겐에 결합해 그 수용체의 활성을 조절하는 약물은 에스트로겐의 리간드 결합 도메인(ligand binding domain)에 결합해 수용체와 에스트로겐 호르몬의 결합을 방해하는 선택적 에스트로겐 수용체 조절제(selective estrogen receptor modulators; SERM)[6]와 에스트로겐 수용체 자체의 분해를 유도하는 선택적 에스트로겐 수용체 분해제 (selective estrogen receptor degraders; SERD)[7]가 있다. SERM의 일종으로 상업화에 성공한 타목시펜(tamoxifen, 상표명: Nolvadex)은 이미 널리 사용되고 있는 유방암 치료제이며, 이 이외에도 토레미펜(toremifene), 랄록시펜(raloxifene), 바제독시펜(baze-doxifene) 등이 이러한 계열의 메커니즘을 지닌 전사인자 표적 항암제로 분류된다. 또한, 에스트로겐 수용체 자체를 분해하여 암세포의 증식을 억제하는 항암제로는 유방암뿐만 아니라, 다수의 고형암에 이용되는 풀베스트란트(fulvestrant, 상표명: 파슬로덱스주), 엘라세스트란트(elacestrant) 등이 개발된 바 있다.
에스트로겐 수용체를 타겟으로 하는 전사인자 항암제 이외에도, 안드로겐 수용체(androgen receptor, AR)의 리간드를 타겟으로 하는 약물로, 비칼루타미드(bicalutamide), 플루타미드(flutamide), 닐루타미드(nilutamide) 및 엔잘루타미드(enzalutamide) 등이 개발되어 현재 치료제로 활용되고 있다. 이 이외에도 레티노산 수용체 (RAR) 및 글루코코르티코이드 수용체 (gluco-corticoidtor; GR)의 활성을 조절하는 약물이 개발되어 전사인자를 표적으로 하는 성공적인 항암제 개발 사례로 손꼽히고 있다[8].
(2) 전사인자-단백질 상호작용 결합부위 타겟화
앞서 언급한 바 있는 급성골수백혈병 유발 전사인자인 CBFβ-SMMHC나, 또다른 백혈병 유발 전사인자인 메닌(menin)-MLL 융합단백질은 두 단백질간의 결합을 통해 암을 유발하는 또다른 유전자들의 발현을 증가시킨다. 따라서, 이들 전사인자 단백질간의 결합을 억제하는 것이 좋은 항암 타겟이 될 수 있다. 이러한 노력으로, Bush-weller 그룹에 의해 단백질-단백질 상호작용을 방해하는 억제제인 AI-10-49[9]나, Grembecka 및 Cierpicki 그룹에 의해 MI-538[10]이 개발되어 임상 중에 있다.
(3) 암 관련 전사인자의 분해 타겟화
전사인자를 비롯한 모든 단백질들은 프로테오좀에 의한 분해(proteasomal degradation)를 통해 제거될 수 있으며, 이러한 방법을 이용해 항암 관련 전사인자의 조절이 가능하다. 즉, 암을 유발하는 전사인자의 경우 그 분해를 통해 암을 억제할 수 있으며, 암을 제거하는데 도움이 되는 전사인자의 경우 그 분해를 막음으로써, 암으로부터 보호가 가능하다. 유비퀴틴(ubiquitin)은 76개의 아미노산으로 구성된 단백질이며 E1, E2, E3 단백질의 순차적인 작용에 의해 기질에 결합, 프로테오좀에 의한 기질 분해를 유도한다. 이 중 E3 단백질은 E3 리가아제라고도 불리는데, 이를 통해 분해될 기질의 특이성이 결정된다.
탈리도마이드(Thalidomide), 레날리도마이드(lenalidomide) 등은 전사인자와 E3 리가아제의 결합을 도와주는 역할을 하며 전사인자가 이들에 의해 E3 리가아제와 결합하면, E2에 의한 유비퀴틴화를 통해 주변의 프로테오좀에 의해 분해되는데, 이들은 이미 약으로 개발되어 사용 그 적용증을 넓혀가고 있다[11]. 이 이외에도 탈유비퀴티나제 억제제인 WP1130은 탈유비퀴틴화를 억제함으로써, 전립선 암에 있어서 중요한 전사인자로 알려진 ERG의 분해를 가속화시키는 역할을 하는 것으로 보고된 바 있다[12].
세포 내의 단백질 가운데 가장 많은 번역 후 변형이 일어나는 것으로 알려진 p53역시, 정상적인 경우 MDM2라는 리가아제에 의해 유비퀴틴이 결합하고, 이를 통해 프로테오좀에 의해 분해되어, 낮은 세포 내 레벨을 유지한다. 하지만, 스트레스 환경에서 DNA 손상이 오는 경우, 다양한 번역 후 변형(PTM)을 거쳐 p53은 축적되고 분해되지 않게 된다. 이러한 상황에서 p53에 돌연변이가 발생해 그 활성을 잃게 되면 이는 바로 암의 원인이 된다. MDM2에도 돌연변이가 생길 수 있는데, 이 경우 MDM2는 훨씬 효율적으로 p53의 분해를 촉진하고 이는 암 방생의 원인이 될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 개발된 누트린 (Nutlin)이라는 작은 화합물은 이러한 요인으로 발생한 암을 치료하는 방법의 하나로 현재 임상실험 중에 있다[13].
또한, E3 리가아제는 특정 단백질에 결합하는 리간드와 화학물질을 통해 연결되어 세포 내에서 특정 단백질을 제거하는 분자인 “PROTAC(proteolysis targeting chimera)” 제작에 이용될 수도 있다. PROTAC 분자들은 적은 양으로도 뛰어난 효과를 낼 수 있고 재사용이 가능해 촉매처럼 사용할 수 있다는 장점으로 많은 가능성을 보여주는 분자이다. 이러한 특성은 효능 유지를 위한 투여빈도를 낮출 수 있고, 사용 재료 또한 생체 내에서 반감기가 짧은 재료를 이용할 수 있기 때문에 임상적 효용성이 매우 뛰어나다 할 수 있다. 이를 이용해 Bradner 그룹은 탈리도마이드 결합 BRD4 억제제를 개발한 바 있으며[14], Crews 그룹은 EGFR, HER2, MET와 같은 RTK(receptor tyrosine kinase)에 대한 PROTAC 유도체를 개발하는데 성공했다[15].
(4) 전사인자의 발현 조절 타겟화
T-세포형 급성림프구성백혈병 세포주에서 전사 인자 IIH (TFIIH)의 구성 성분 중 하나인 CDK7는 RNA중합효소II의 작동에 관여하는 것으로 알려져 있다. CDK7의 시스테인 반응성 공유억제제로 개발된 바 있는 THZ1은 CDK7에 의해 조절되는 유전자 발현을 감소시키는데 효과적인 것으로 나타났는데, 이를 통해 자가조절이 가능한 메커니즘에서 핵심 전사인자를 표적화하는 경우 그 메커니즘 전체를 조절할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 이와 같은 형태로 항암제를 개발하는 타겟은 주로 PTM이 자주 일어나는 아세틸 전이효소, 탈아세틸화 효소, 메틸 전이효소 및 탈메틸화 효소 등을 대상으로 하는 많은 연구를 가능하게 했다[16].
그 성공적인 예로 Bradner 그룹은 BRD4의 브로모도메인(bromodomain)에 대한 선택적이고 효과적인 저분자 억제제를 개발하였다. 히스톤과 전사인자의 아세틸화 라이신에 결합하는 것으로 알려진 브로모도메인은 이후 여러 연구를 통해 많은 제약회사가 임상 시험에 진입할 수 있게 해준 핵심 타겟이 될 수 있었다.
(5) 전사인자-DNA 결합 부위의 타겟화
DNA는 일반적으로 약물의 타겟으로 부적합하다고 알려져 있다. 그 이유는 DNA가 지닌 양전하가 저분자 화합물질의 결합에 적합하지 못하고, 구조 자체가 굽어져 있거나 휘어져 있어 그 구조에 결합할 수 있는 저분자 화합물의 예측이 어렵기 때문이다. 실제로 이를 타겟으로 하는 항암제의 개발은 Lab 수준에서의 연구에 그치고 있고, 임상 시험을 통해 그 유용성이 입증된 사례는 없다. 하지만, RUNX 결합 표적 저해제는 RUNX 조절 유전자의 발현에 어느 정도 효과를 보이고 있다고 보고되고 있으므로, 이에 대한 연구 역시 지속될 것으로 보인다[17].
2.3. 향후 전사인자 타겟 연구 방향
전사인자에 대한 항암제 관련 연구는 전자인자에 해당하는 단백질과 이에 결합하는 단백질의 결합, 분해 등에 초점이 맞추어 있었고, 이러한 연구 방향은 앞으로도 지속될 것으로 보인다. 실제, 많은 연구결과들이 쏟아져 임상 진행중인 전사인자 항암제들이 계속해서 늘어나고 있다. 현재 진행중인 연구 방향 이외에도 많은 가능성 있는 전략이 제시되고 있는데, 이를 간단하게 소개하고자 한다.
가장 먼저 단백질이 지니고 있는 자가활성억제(protein autoinhibition) 기능을 이용하는 것이다. 단백질은 스스로 자신의 활성을 조절하는 메커니즘을 지니고 있으며 이를 통해 생리활성과 관련된 여러 기능을 수행하고 조절한다. SHP2는 다양한 암 종에 과발현되는 것으로 알려져 있으며, 최근 노바티스의 TNO155는 SHP2 억제제[18]로 개발되어 성공적으로 임상시험이 완료된 바 있다. 단백질, 즉 전사인자의 자가활성억제 기능을 이용해 해당 전사인자의 발현을 조절하는 것의 장점은 특이성에 있으며, 이는 단백질마다 자가활성을 조절하는 서열이 다르기 때문이다. 이것은 신약을 개발하는 입장에서 부작용을 줄일 수 있다는 매우 큰 장점이 될 수 있으며, 그 특이성을 매개할 수 있는 저분자 화합물질을 확보하는 것이 관건이 될 수 있다.
다음으로 연구 분야가 될 수 있는 영역은 단백질의 PTM에 관여하는 부분이다. 이 변형과정은 대부분이 공유결합을 통해 일어나며, 이와 같은 변형을 거쳐야 비로소 단백질은 활성을 가지거나, 안정화되거나, 정상적인 위치로 이동할 수 있게 된다. 따라서, 핵심 전사인자의 인산화(Phosphorylation), 당쇄화(Glycosylation), 유비퀴틴화(Ubiquitination)에 관여하는 서열이 전사인자를 이용한 항암제 개발의 핵심 타겟이 될 수 있다. 최근에는 암에 있어서 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 p53 상의 99개에 달하는 잔기를 포함한 222개 위치에서 발생하는 PTM 유형을 파악했다는 프로테오믹스 분석 결과도 보고된 바 있다[19].
마지막으로, 전사인자가 지닌 비정형단백질 부분(intrinsically disordered regions, IDRs)이 대상 타겟이 될 수 있다. 단백질이 지닌 비정형단백질 부분은 전형적인 구조 도메인에 비해 소수성 아미노산의 비중이 작은 것으로 알려져 있다. 따라서 단백질 폴딩의 주요 동력으로 알려진 소수성 아미노산 간의 소수성 효과(hydrophobic effect)가 거의 존재하지 않아, 정형화된 구조를 이루고 있지 않다. 이전까지 이러한 영역은 단백질의 기능을 담당하는 영역에 있어 중요하지 않는 역할을 하는 것으로 알려졌지만, 최근의 분석 결과, 이러한 영역들이 오히려 단백질 간의 결합에 있어서 중요한 역할을 하는 부분일 수 있다는 근거가 제시되고 있다. 실제, 백혈병을 유발하는 것으로 알려진 전사인자 조합인 MLL-AF9에서 AF9 영역은 AF4, DOT1L, BCOR 및 CBX8에 대한 결합을 매개하는 것으로 알려져 있다[20]. 이 이외에도 MYC-MAX, EWS–FLI1, TFIID, AF9–AF4 등, 전사인자들의 결합에 있어 중요한 역할을 하는 비정형단백질 부분에 대한 타겟팅이 현실화되고 있는 상황이다[1, 21, 22]. 단, 이 영역은 정확한 구조가 알려져 있지 않기 때문에, 결합 상태를 파악하는데 어려움을 겪을 수 있으며, 이를 위해 NMR 데이터를 보다 활용할 필요가 있다.
3. 결론
1980년대 초반부터 myc 등 많은 전사인자들이 다양한 암 종에서 발견되었다. 하지만 당시에는 이들을 항암제의 타겟으로 인식하지 않는 분위기였으며, 이를 이용한 신약 개발은 전무했다. 그 이유는 전사인자에 대한 저해제의 개발이 쉬운 일이 아니었고, 상대적으로 구조적인 접근이 용이한 수용체(receptor)나 카이네이즈(kinase)가 보다 매력적이었기 때문이다. 지난 수십 년 동안 항암제의 개발은 이 쉬운 목표들을 대상으로 암세포 특이적인 타겟을 지정하고 이를 제어하는 방향으로 진행되어 왔고, 지금도 많은 신약 후보물질들이 임상시험 중에 있다. 하지만, 이러한 접근법은 항암제 내성 혹은 돌연변이의 발생으로 인한 반응성이 낮아지는 문제가 있다. 따라서 이런 문제를 회피하기 위한 노력이 진행되고 있으며, 그 과정의 하나로 보다 하위영역(다양한 기능을 수행하고 이에 관여하는 유전자가 많은 영역보다 하나의 특정한 기능만을 특이적으로 수행하는 유전자 및 인자)에 대한 연구가 활발해지고 있다. 그 하위영역에 해당하는 인자가 바로 전사인자인 것이다. 이 전사인자가 실제로 다양한 신호의 최종 종착지가 되는 문지기(gatekeeper) 역할을 하기 때문에 이 인자들에 대한 연구와 체계적인 접근이 중요하다.
지금까지, 이 보고서를 통해 전사인자를 이용해 암 치료제를 개발하고 있는 현황이나 향후 연구 전망에 대해 살펴보았다. 연구자들 사이에서 전사인자에 관한 연구는 흥미로운 분야이기는 하나 그 연구가 실제 상업화되고 응용할 수 있는 단계에 도달하기 위해서는 더 많은 노력과 연구가 필요하다. 현재, 이용할 수 있는 최신의 분석법과 연구 기술들을 종합해 관련 연구를 종합적인 안목에서 진행한다면 보다 효율적이고 부작용이 적은 암 치료제가 개발되어 인류의 삶을 보다 건강하고 윤택하게 할 수 있을 것이다.
References
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추헌수, chuhunsu@gmail.com
(주) 로펠바이오
Key words
Transcription factor, cancer drug, cancer hallmark, PROTAC(proteolysis targeting chimera)
전사인자, 항암제, 암 특징, 단백질 분해 표적 키메라
1. 개요
최근 전사인자(Transcription factor)를 이용한 항암제의 개발에 많은 관심이 모아지고 있다. 그 이유는 이들은 제한된 수에도 불구하고 암세포에 대한 높은 활성을 보이기 때문에 신규 항암제를 개발할 수 있는 좋은 타겟이 될 수 있기 때문이다. 하지만, 많은 문헌에서 보고된 바 있듯, 전사인자를 이용한 항암제의 개발에는 넘어야할 장애물들이 많으며, 현재 이를 극복하기 위한 DNA 레벨, protein 레벨에서의 접근이 활발하게 이루어지고 있다[1].
전사인자는 기본적으로 진핵생물의 전사(transcription)에 관여하는 단백질을 의미하는데, 이들은 DNA를 주형(backbone)으로 RNA 중합효소와 결합해 전사를 조절하는 역할을 한다. 암세포에 관여하는 여러 유전자들도 이러한 메커니즘을 통해, 전사, 번역(translation)되어 암세포의 증식이나, 이동, 활성 등에 영향을 준다. 하지만, 전사인자가 표적으로 하는 타겟이 DNA-단백질, 단백질-단백질의 결합이나 상호작용이기 때문에 15년 전까지 만해도, 전사인자를 이용한 항암제 개발은 힘들 것이라고 예측되었다. 그러나, 최근에는 단백질의 결합에 관여하는 소수의 아미노산 잔기(hotspot residues)를 대상으로 약물을 개발하는 방법[2], 중요 단백질의 결합 이외의 부분을 타겟으로 해 타겟 단백질의 구조적 변화를 유도하는 알로스테릭 접근법(allosteric modulation)[3] 등을 통해 전사인자를 이용한 항암제 개발이 활발해지고 있다.
본 보고서는 암과 관련해서 현재까지 보고된 바 있는 전사인자들을 살펴보고 이를 이용해 임상개발 중에 있는 항암제 개발 사례들에 대해 알아볼 것이다. 또한, 현재의 개발 방향 뿐만아니라, 향후 그 중요성이 증가할 것으로 예상되는 연구 분야나 방향에 대해서도 다룰 예정이다.
2. 주요 내용
2.1. 암 전사인자
전사인자는 유전자의 발견을 조절하는 단백질로 인간에는 약 3,600개가량의 단백질이 이에 해당하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이들의 발현 정도에 따라 세포는 암세포가 될 수도 있고, 정상세포의 특징을 지니기도 한다. 정상 세포들과 비교해, 이들에서 발견되지 않는 전사인자의 발현, 종양억제 전사인자들의 유전자 결함(돌연변이에 의한 DNA 상에서의 결함, 후성유전학적 발현억제(DNA methylation)), 전사인자에 의한 종양 유전자의 비정상적인 과발현 등에 의해 암이 유발된다는 사실은 이미 잘 알려져 있으며[4], 거의 모든 암에서 돌연변이가 일어나 있는 것으로 알려진 종양억제인자 p53역시 암과 관련된 중요한 전자인자로 많은 연구가 이루어지고 있다.
좀더 자세하게 살펴보면 급성전골수세포백혈병 (acute promyelocytic leukemia)에서의 PML/ RARa(promyelocytic leukemia/retinoic acid receptor alpha), 급성골수성백혈병(acute myeloid leukaemia)에서의 AML1–ETO 유전자(RUNX1–MTG8), 혈액종양에서의 TEL–AML1(ETV6-RUNX1), 역시 급성골수성백혈병에 있어서의 CBFβ-SMMHC (MYH11) 등이 암을 유발하는 직접적인 전사인자로 보고된 바 있다[1,5]. 이 이외에도 RAS 관련 암을 일으키는 것으로 알려진 ETS1, ETS2 및 MYC, STAT1 등에 대한 전사인자 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이들은 각각 면역회피 차단, 세포 분화 및/또는 세포사멸 증가, 암 유발 자가조절 경로의 방해, 줄기세포와 유사한 특성의 차단, EMT 차단, 증식불멸성 차단 등의 방법을 통해 암에 직접적인 영향을 미치고 있다.
2.2. 전사인자 표적 후보군
(1) 호르몬 수용체의 결합부위 타겟화
호르몬을 표적으로 하는 표적 세포는 반드시 그 호르몬의 수용체를 갖고 있으며, 이들 수용체가 없으면 호르몬에 의한 신호 전달이 이루어지지 않는다. 따라서, 이들을 타겟으로 하는 전사인자 항암제가 많이 개발되었고, 그 예로는 에스트로겐 수용체 (estrogen receptor; ER) 및 안드로겐 수용체(androgen receptor; AR) 저해제 등이 있다.
유방암 중의 약 75%는 에스트로겐 수용체 양성으로 세포 증식을 위해 에스트로겐 수용체를 발현한다. 따라서 이러한 에스트로겐 수용체를 대상으로 하는 저분자 화학물질이 개발되었으며, 이는 전사인자를 약물 타겟으로 하는 훌륭한 성공 전략을 잘 보여주고 있다. 에스트로겐에 결합해 그 수용체의 활성을 조절하는 약물은 에스트로겐의 리간드 결합 도메인(ligand binding domain)에 결합해 수용체와 에스트로겐 호르몬의 결합을 방해하는 선택적 에스트로겐 수용체 조절제(selective estrogen receptor modulators; SERM)[6]와 에스트로겐 수용체 자체의 분해를 유도하는 선택적 에스트로겐 수용체 분해제 (selective estrogen receptor degraders; SERD)[7]가 있다. SERM의 일종으로 상업화에 성공한 타목시펜(tamoxifen, 상표명: Nolvadex)은 이미 널리 사용되고 있는 유방암 치료제이며, 이 이외에도 토레미펜(toremifene), 랄록시펜(raloxifene), 바제독시펜(baze-doxifene) 등이 이러한 계열의 메커니즘을 지닌 전사인자 표적 항암제로 분류된다. 또한, 에스트로겐 수용체 자체를 분해하여 암세포의 증식을 억제하는 항암제로는 유방암뿐만 아니라, 다수의 고형암에 이용되는 풀베스트란트(fulvestrant, 상표명: 파슬로덱스주), 엘라세스트란트(elacestrant) 등이 개발된 바 있다.
에스트로겐 수용체를 타겟으로 하는 전사인자 항암제 이외에도, 안드로겐 수용체(androgen receptor, AR)의 리간드를 타겟으로 하는 약물로, 비칼루타미드(bicalutamide), 플루타미드(flutamide), 닐루타미드(nilutamide) 및 엔잘루타미드(enzalutamide) 등이 개발되어 현재 치료제로 활용되고 있다. 이 이외에도 레티노산 수용체 (RAR) 및 글루코코르티코이드 수용체 (gluco-corticoidtor; GR)의 활성을 조절하는 약물이 개발되어 전사인자를 표적으로 하는 성공적인 항암제 개발 사례로 손꼽히고 있다[8].
(2) 전사인자-단백질 상호작용 결합부위 타겟화
앞서 언급한 바 있는 급성골수백혈병 유발 전사인자인 CBFβ-SMMHC나, 또다른 백혈병 유발 전사인자인 메닌(menin)-MLL 융합단백질은 두 단백질간의 결합을 통해 암을 유발하는 또다른 유전자들의 발현을 증가시킨다. 따라서, 이들 전사인자 단백질간의 결합을 억제하는 것이 좋은 항암 타겟이 될 수 있다. 이러한 노력으로, Bush-weller 그룹에 의해 단백질-단백질 상호작용을 방해하는 억제제인 AI-10-49[9]나, Grembecka 및 Cierpicki 그룹에 의해 MI-538[10]이 개발되어 임상 중에 있다.
(3) 암 관련 전사인자의 분해 타겟화
전사인자를 비롯한 모든 단백질들은 프로테오좀에 의한 분해(proteasomal degradation)를 통해 제거될 수 있으며, 이러한 방법을 이용해 항암 관련 전사인자의 조절이 가능하다. 즉, 암을 유발하는 전사인자의 경우 그 분해를 통해 암을 억제할 수 있으며, 암을 제거하는데 도움이 되는 전사인자의 경우 그 분해를 막음으로써, 암으로부터 보호가 가능하다. 유비퀴틴(ubiquitin)은 76개의 아미노산으로 구성된 단백질이며 E1, E2, E3 단백질의 순차적인 작용에 의해 기질에 결합, 프로테오좀에 의한 기질 분해를 유도한다. 이 중 E3 단백질은 E3 리가아제라고도 불리는데, 이를 통해 분해될 기질의 특이성이 결정된다.
탈리도마이드(Thalidomide), 레날리도마이드(lenalidomide) 등은 전사인자와 E3 리가아제의 결합을 도와주는 역할을 하며 전사인자가 이들에 의해 E3 리가아제와 결합하면, E2에 의한 유비퀴틴화를 통해 주변의 프로테오좀에 의해 분해되는데, 이들은 이미 약으로 개발되어 사용 그 적용증을 넓혀가고 있다[11]. 이 이외에도 탈유비퀴티나제 억제제인 WP1130은 탈유비퀴틴화를 억제함으로써, 전립선 암에 있어서 중요한 전사인자로 알려진 ERG의 분해를 가속화시키는 역할을 하는 것으로 보고된 바 있다[12].
세포 내의 단백질 가운데 가장 많은 번역 후 변형이 일어나는 것으로 알려진 p53역시, 정상적인 경우 MDM2라는 리가아제에 의해 유비퀴틴이 결합하고, 이를 통해 프로테오좀에 의해 분해되어, 낮은 세포 내 레벨을 유지한다. 하지만, 스트레스 환경에서 DNA 손상이 오는 경우, 다양한 번역 후 변형(PTM)을 거쳐 p53은 축적되고 분해되지 않게 된다. 이러한 상황에서 p53에 돌연변이가 발생해 그 활성을 잃게 되면 이는 바로 암의 원인이 된다. MDM2에도 돌연변이가 생길 수 있는데, 이 경우 MDM2는 훨씬 효율적으로 p53의 분해를 촉진하고 이는 암 방생의 원인이 될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 개발된 누트린 (Nutlin)이라는 작은 화합물은 이러한 요인으로 발생한 암을 치료하는 방법의 하나로 현재 임상실험 중에 있다[13].
또한, E3 리가아제는 특정 단백질에 결합하는 리간드와 화학물질을 통해 연결되어 세포 내에서 특정 단백질을 제거하는 분자인 “PROTAC(proteolysis targeting chimera)” 제작에 이용될 수도 있다. PROTAC 분자들은 적은 양으로도 뛰어난 효과를 낼 수 있고 재사용이 가능해 촉매처럼 사용할 수 있다는 장점으로 많은 가능성을 보여주는 분자이다. 이러한 특성은 효능 유지를 위한 투여빈도를 낮출 수 있고, 사용 재료 또한 생체 내에서 반감기가 짧은 재료를 이용할 수 있기 때문에 임상적 효용성이 매우 뛰어나다 할 수 있다. 이를 이용해 Bradner 그룹은 탈리도마이드 결합 BRD4 억제제를 개발한 바 있으며[14], Crews 그룹은 EGFR, HER2, MET와 같은 RTK(receptor tyrosine kinase)에 대한 PROTAC 유도체를 개발하는데 성공했다[15].
(4) 전사인자의 발현 조절 타겟화
T-세포형 급성림프구성백혈병 세포주에서 전사 인자 IIH (TFIIH)의 구성 성분 중 하나인 CDK7는 RNA중합효소II의 작동에 관여하는 것으로 알려져 있다. CDK7의 시스테인 반응성 공유억제제로 개발된 바 있는 THZ1은 CDK7에 의해 조절되는 유전자 발현을 감소시키는데 효과적인 것으로 나타났는데, 이를 통해 자가조절이 가능한 메커니즘에서 핵심 전사인자를 표적화하는 경우 그 메커니즘 전체를 조절할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 이와 같은 형태로 항암제를 개발하는 타겟은 주로 PTM이 자주 일어나는 아세틸 전이효소, 탈아세틸화 효소, 메틸 전이효소 및 탈메틸화 효소 등을 대상으로 하는 많은 연구를 가능하게 했다[16].
그 성공적인 예로 Bradner 그룹은 BRD4의 브로모도메인(bromodomain)에 대한 선택적이고 효과적인 저분자 억제제를 개발하였다. 히스톤과 전사인자의 아세틸화 라이신에 결합하는 것으로 알려진 브로모도메인은 이후 여러 연구를 통해 많은 제약회사가 임상 시험에 진입할 수 있게 해준 핵심 타겟이 될 수 있었다.
(5) 전사인자-DNA 결합 부위의 타겟화
DNA는 일반적으로 약물의 타겟으로 부적합하다고 알려져 있다. 그 이유는 DNA가 지닌 양전하가 저분자 화합물질의 결합에 적합하지 못하고, 구조 자체가 굽어져 있거나 휘어져 있어 그 구조에 결합할 수 있는 저분자 화합물의 예측이 어렵기 때문이다. 실제로 이를 타겟으로 하는 항암제의 개발은 Lab 수준에서의 연구에 그치고 있고, 임상 시험을 통해 그 유용성이 입증된 사례는 없다. 하지만, RUNX 결합 표적 저해제는 RUNX 조절 유전자의 발현에 어느 정도 효과를 보이고 있다고 보고되고 있으므로, 이에 대한 연구 역시 지속될 것으로 보인다[17].
2.3. 향후 전사인자 타겟 연구 방향
전사인자에 대한 항암제 관련 연구는 전자인자에 해당하는 단백질과 이에 결합하는 단백질의 결합, 분해 등에 초점이 맞추어 있었고, 이러한 연구 방향은 앞으로도 지속될 것으로 보인다. 실제, 많은 연구결과들이 쏟아져 임상 진행중인 전사인자 항암제들이 계속해서 늘어나고 있다. 현재 진행중인 연구 방향 이외에도 많은 가능성 있는 전략이 제시되고 있는데, 이를 간단하게 소개하고자 한다.
가장 먼저 단백질이 지니고 있는 자가활성억제(protein autoinhibition) 기능을 이용하는 것이다. 단백질은 스스로 자신의 활성을 조절하는 메커니즘을 지니고 있으며 이를 통해 생리활성과 관련된 여러 기능을 수행하고 조절한다. SHP2는 다양한 암 종에 과발현되는 것으로 알려져 있으며, 최근 노바티스의 TNO155는 SHP2 억제제[18]로 개발되어 성공적으로 임상시험이 완료된 바 있다. 단백질, 즉 전사인자의 자가활성억제 기능을 이용해 해당 전사인자의 발현을 조절하는 것의 장점은 특이성에 있으며, 이는 단백질마다 자가활성을 조절하는 서열이 다르기 때문이다. 이것은 신약을 개발하는 입장에서 부작용을 줄일 수 있다는 매우 큰 장점이 될 수 있으며, 그 특이성을 매개할 수 있는 저분자 화합물질을 확보하는 것이 관건이 될 수 있다.
다음으로 연구 분야가 될 수 있는 영역은 단백질의 PTM에 관여하는 부분이다. 이 변형과정은 대부분이 공유결합을 통해 일어나며, 이와 같은 변형을 거쳐야 비로소 단백질은 활성을 가지거나, 안정화되거나, 정상적인 위치로 이동할 수 있게 된다. 따라서, 핵심 전사인자의 인산화(Phosphorylation), 당쇄화(Glycosylation), 유비퀴틴화(Ubiquitination)에 관여하는 서열이 전사인자를 이용한 항암제 개발의 핵심 타겟이 될 수 있다. 최근에는 암에 있어서 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 p53 상의 99개에 달하는 잔기를 포함한 222개 위치에서 발생하는 PTM 유형을 파악했다는 프로테오믹스 분석 결과도 보고된 바 있다[19].
마지막으로, 전사인자가 지닌 비정형단백질 부분(intrinsically disordered regions, IDRs)이 대상 타겟이 될 수 있다. 단백질이 지닌 비정형단백질 부분은 전형적인 구조 도메인에 비해 소수성 아미노산의 비중이 작은 것으로 알려져 있다. 따라서 단백질 폴딩의 주요 동력으로 알려진 소수성 아미노산 간의 소수성 효과(hydrophobic effect)가 거의 존재하지 않아, 정형화된 구조를 이루고 있지 않다. 이전까지 이러한 영역은 단백질의 기능을 담당하는 영역에 있어 중요하지 않는 역할을 하는 것으로 알려졌지만, 최근의 분석 결과, 이러한 영역들이 오히려 단백질 간의 결합에 있어서 중요한 역할을 하는 부분일 수 있다는 근거가 제시되고 있다. 실제, 백혈병을 유발하는 것으로 알려진 전사인자 조합인 MLL-AF9에서 AF9 영역은 AF4, DOT1L, BCOR 및 CBX8에 대한 결합을 매개하는 것으로 알려져 있다[20]. 이 이외에도 MYC-MAX, EWS–FLI1, TFIID, AF9–AF4 등, 전사인자들의 결합에 있어 중요한 역할을 하는 비정형단백질 부분에 대한 타겟팅이 현실화되고 있는 상황이다[1, 21, 22]. 단, 이 영역은 정확한 구조가 알려져 있지 않기 때문에, 결합 상태를 파악하는데 어려움을 겪을 수 있으며, 이를 위해 NMR 데이터를 보다 활용할 필요가 있다.
3. 결론
1980년대 초반부터 myc 등 많은 전사인자들이 다양한 암 종에서 발견되었다. 하지만 당시에는 이들을 항암제의 타겟으로 인식하지 않는 분위기였으며, 이를 이용한 신약 개발은 전무했다. 그 이유는 전사인자에 대한 저해제의 개발이 쉬운 일이 아니었고, 상대적으로 구조적인 접근이 용이한 수용체(receptor)나 카이네이즈(kinase)가 보다 매력적이었기 때문이다. 지난 수십 년 동안 항암제의 개발은 이 쉬운 목표들을 대상으로 암세포 특이적인 타겟을 지정하고 이를 제어하는 방향으로 진행되어 왔고, 지금도 많은 신약 후보물질들이 임상시험 중에 있다. 하지만, 이러한 접근법은 항암제 내성 혹은 돌연변이의 발생으로 인한 반응성이 낮아지는 문제가 있다. 따라서 이런 문제를 회피하기 위한 노력이 진행되고 있으며, 그 과정의 하나로 보다 하위영역(다양한 기능을 수행하고 이에 관여하는 유전자가 많은 영역보다 하나의 특정한 기능만을 특이적으로 수행하는 유전자 및 인자)에 대한 연구가 활발해지고 있다. 그 하위영역에 해당하는 인자가 바로 전사인자인 것이다. 이 전사인자가 실제로 다양한 신호의 최종 종착지가 되는 문지기(gatekeeper) 역할을 하기 때문에 이 인자들에 대한 연구와 체계적인 접근이 중요하다.
지금까지, 이 보고서를 통해 전사인자를 이용해 암 치료제를 개발하고 있는 현황이나 향후 연구 전망에 대해 살펴보았다. 연구자들 사이에서 전사인자에 관한 연구는 흥미로운 분야이기는 하나 그 연구가 실제 상업화되고 응용할 수 있는 단계에 도달하기 위해서는 더 많은 노력과 연구가 필요하다. 현재, 이용할 수 있는 최신의 분석법과 연구 기술들을 종합해 관련 연구를 종합적인 안목에서 진행한다면 보다 효율적이고 부작용이 적은 암 치료제가 개발되어 인류의 삶을 보다 건강하고 윤택하게 할 수 있을 것이다.
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