급성 림프구 백혈병 암세포의 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성 Biomarker들과 그 선별적 사멸기작에 관한 연구 동향 분석
2020-11-05
org.kosen.entty.User@5bb2edae
이기영(kyleecal)
1. 개요
아스파라진네이스(L-asparaginase)는 소아들에게 있어서 가장 흔한 암일 뿐만 아니라 소아 암사망의 주 원인되는 급성 림프구 백혈병의 화학 약물요법에 처방되는 주 약물중 하나이다 (1). 현재 급성 림프구 백혈병 치료에 사용되는 아스파라진네이스(L-asparaginase) 제제는 세 가지 유형이 있다. 즉 대장균에서 유래하는 키드로레이스 (Kidrolase), 페길화된 (pegylated) 아스파라진네이스 및 Erwinia chrysanthemi에서 유래하는 얼윈레이스 (Erwinase)등이 그것이다 (2). 그중 키드로레이스 (Kidrolase)와 페길화된 (pegylated) 아스파라진네이스는 1차 아스파라진네이스 제제로 사용되지만, 최대 60%의 환자들로부터 과민 반응과 항체 유발로 인한 비활성화를 유발하기 때문에 (3) 키드로레이스 (Kidrolase)에 과민반응을 하는 환자는 페길화된 (pegylated) 아스파라진네이스 또는 얼윈레이스 (Erwinase)를 2차 치료제로 사용할 수 있고, 만약 페길화된 (pegylated) 아스파라진네이스를 2차 치료제로 사용하면 얼윈레이스 (Erwinase)가 3차 치료제로 쓰인다.
아스파라진네이스(L-asparaginase)는 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase)에 의해 만들어 진 아스파라진 (asparagine)을 아스파라진산(aspartic acid) 과 암모니아로 가수 분해한다 (2). 흥미롭게도 급성 림프구 백혈병 암세포는 자신의 단백질 합성과 생존을 위해 혈장 아스파라진에 크게 의존하는 아스파라진 (asparagine) 영양 요구성(auxotroph)을 가지고 있다고 알려져 있다 (4,5). 이는 프로모터 메틸화 (promoter methylation)으로 인한 유전자 침묵 (gene silencing)에 의해 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase)의 발현이 매우 낮기 때문이라고 밝혀져 있다 (6,7). 따라서 암세포의 이런 약점을 이용하여 급성 림프구 백혈병 화학요법에 처방된 아스파라진네이스(L-asparaginase)는 혈장 아스파라진을 고갈시킴으로써 백혈병 암세포의 단백질 합성을 억제함으로써 사멸을 유도한다는 것이다. 이런 이유 때문에 아스파라진네이스 (L-asparaginase)는 급성 림프구 백혈병 화학요법에서 빠지지 않는 약물의 하나로 사용되어져 왔다 (4). 실제로 아스파라진네이스(L-asparaginase)를 포함된 화학 치료요법은 아스파라진네이스 (L-asparaginase)가 없는 화학 치료요법에 비해 소아 및 성인 급성 림프구 백혈병 환자들 모두에서 더 빠른 치유를 유도했다 (8). 그러나 이러한 아스파라진네이스(L-asparaginase)를 포함된 치료 요법의 성공에도 불구하고, 상당수의 환자들이 저항성 혹은 내성(resistance)을 가지게 되어 다시 재발하거나 아스파라진네이스 (L-asparaginase)처방에 불응반응을 야기해 문제가 되기 시작 했다. 따라서 아스파라진네이스(L-asparaginase)의 내성으로 인한 재발이나 불응을 막거나 치료하기 위한 새로운 접근 방법이 필요하게 되었고, 그 돌파구로써 내성을 야기시키는 바이오 마커 (biomarkers) 혹은 내성의 결정 인자 (determinants)를 찾아내고자 하는 연구가 시작되었고, 이들을 표적들(targets)으로 삼아, 급성 림프구 백혈병의 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성으로 인한 재발 및 불응성을 막거나 치료하는 데 유용하게 써고자 한 것이다 (9-12). 본 보고서는 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 급성 림프구 백혈병 내성 바이오 마커들 (biomarkers) 혹은 내성의 결정 인자들 (determinants)과 그 내성 유발 메커니즘들 (molecular mechanisms) 요약함으로써 급성 림프구 백혈병의 치료에 획기적인 전환점을 부여하고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 내성 바이오 마커들 (biomarkers)
2.1.1. 아스파라긴 합성 효소 (asparagine synthetase)
아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase)의 상향 조절 (upregulation)이 아스파라진네이스(L-asparaginase) 내성을 야기시키는 피드백 루프 (feedback loop)로 인식되어져 있다. 다시말해서, 아스파라진네이스(L-asparaginase) 처리로 아스파라진(asparagine)이 고갈 된 배지(media)에서 배양 된 급성 림프구 백혈병 암세포는 아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase) mRNA를 크게 증가시켰을 뿐만 아니라 (13), 아스파라진네이스(L-asparaginase)에 대한 백혈병 암세포의 민감성(sensitivity)은 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase)의 발현과 역상관 관계가 있다는 것이다 (13). 또한 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 내성을 가진 백혈병 세포들은 민감한 세포들에 비해 아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase) mRNA, 단백질 및 활성(activity)이 상승되어 있다는 보고도 있다 (14). 따른 연구보고에 따르면, 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 활성(activity)은 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 민감한 세포에서 현저히 낮고, 아스파라진네이스 (L-asparaginase)로 내성 세포를 처리하면 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 발현이 유도된다는 한다 (15).
그러나 최근 연구에 따르면, 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase)는 급성 림프구 백혈병의 아스파라진네이스(L-asparaginase) 내성에 대해 임상적으로 관련성이 있는 구별 인자(discriminating factor)가 아니라는 것이다. 그 이유는 이전에 보고된 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성과 높은 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 세포내 발현 및 활성과의 상관관계는 확립된 세포주(established cell lines)를 가지고 시험관 내(in vitro)의 실험결과일 뿐이며 (16,17), 실제 임상 샘플(clinical sample)에서는 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 처방 전후의 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 발현과 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 환자 세포의 민감도에 상관 관계가 없다는 사실에 의해 뒷받침된다 (18). 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 발현이 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 환자의 반응을 독립적으로 예측할 수 없다는 임상 증거가 있지만 (18), 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 발현은 급성 림프구 백혈병에서 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성 야기에 흥미로운 요인으로 존재하고 있다.
2.1.2. 오피오이드 수용체 뮤 1 (Opioid receptor mu 1, OPRM1)
아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase)가 낮은 암세포에서 아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase)를 녹다운(knocking down) 시켰을때 L-asparaginase에 대한 민감성(sensitivity)에 영향을 미치지 않는다는 사실은 (19), 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 부여하는 아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase)의 상향 조절 이외의 메커니즘들의 존재를 의미한다. 최근 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)은 게놈 차원 (genome-wide)의 RNA 간섭 스크리닝 (RNA inference screening)함으로써 급성 림프구 백혈병에서 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 부여하는 바이오 마커(biomarker)임이 밝혀졌다 (11). 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)을 자극(stimulation)하면 G inhibitory subunit(Gi)을 활성화 함으로써, 아데닐릴 사이클라제 (adnylyl cyclase)의 활성(activity)이 억제되고 세포내의 cAMP 농도가 감소, 궁극적으로 백혈병 세포 사멸를 야기한다고 알려져 있다 (Figure 1) (20). 실제로 오피오이드 유사물질인 메타돈(D, L-methadone)을 백혈병 세포에 처리하면 암세포 사멸(apoptosis)을 유발한다 (Figure 1) (21). 백혈병 세포에 메타돈(D, L-methadone)을 처리하면 아스파라진네이스 (L-asparaginase)의 감수성 (sensitivity)을 증가 시키는데, 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)의 발현이 높은 세포에서만 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 감수성이 크진다는 사실은 아스파라진네이스(L-asparaginase) 로 인한 암세포의 사멸에 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)가 관여함을 시사하는 것이다 (Figure 1). 사실상 더 높은 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)을 발현하는 백혈병 환자의 암세포는 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 더 큰 민감성을 나타낸다. 위와 일치되게, 급성 림프구 백혈병 암세포의 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)을 녹다운(knockdown)하면 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 유발한다. 다시말하면, 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1) 활성 사멸 경로의 하향 조절 (downregulation)이 급성 림프구 백혈병 암세포 생존을 증가 시킨다는 것이다 (11). 이말은
오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)가 급성 림프구 백혈병에서 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성의 기능적인 바이오 마커(biomarker)이며 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1) 발현이 감소된 백혈병 환자의 암세포는 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 처방에 반응하지 않을 것이라는 것을 예측하게 한다.
2.1.3. 헌팅틴 관련 단백질 1 (Huntingtin associated protein 1, HAP1)
오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)과 마찬가지로 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1) 역시 게놈 차원 (genome-wide)의 RNA 간섭 스크리닝 (RNA inference screening)통해 급성 림프구 백혈병에서 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 부여하는 바이오 마커(biomarker)임을 규명하였다 (12). 다시말하면 급성 림프구 백혈병 환자의 암세포의 헌팅틴 관련
단백질 1 (HAP1)을 녹다운(knocking down)하면 암세포가 아스파라진네이스 (L-asparaginase)저항성을 유발한다는 것이다. 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)은 헌팅 틴 (huntingtin)과 이노시톨 1,4,5-트리 포스페이트 (inositol 1,4,5- triphosphate, IP3) 수용체 (IP3R)인 칼슘 채널(calcium channel)과 결합하여 삼원 복합체(ternary complex)를 형성하며, 소포체 (endoplasmic reticulum, ER)로부터 칼슘 방출(calcium release)을 유도하는 것으로 알려져 있다 (Figure 2) (22). 실제 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)의 손실(loss)은 기능적 삼원 복합체(ternary complex)의 형성을 방지하여 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 의한 소포체로부터 칼슘 방출(calcium release)을 억제한다 (12). 또한 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)의 손실(loss)은 외부(external) 칼슘 진입(calcium entry)을 억제하여 급성 림프구 백혈병 암세포 사멸를 유발하는 세포 내 칼슘 농도 ([Ca2+]i)의 과도한 상승을 방지한다고 밝혀졌다. 따라서, 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)의 손실(loss)은 아스파라진네이스(L-asparaginase) 에 의해 야기되는 ER 칼슘 방출(calcium release)과 외부(external) 칼슘 진입(calcium entry)의 억제를 통해 [Ca2+]i 낮게하고, calpain-1-Bid-caspase-3/12 세포 사멸 경로의 하향 조절을 하여 암세포의 생존을 촉진한다. 또한 급성 림프구 백혈병 환자의 암세포를 분석한 결과 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1) 수준이 감소한 환자의 암세포는 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 내성이 있음이 밝혀졌다. 이는 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 급성 림프구 백혈병 환자의 암세포 내성 유발에 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)의 손실(loss)이 관련되어 있음을 임상sample을 이용하여 증명한 것이다 (12).
위에서 다룬 아스파라진네이스(L-asparaginase) 내성 바이오마커 (biomarker)로써 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)과 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1) 발견과 그 내성 기작의 규명은 아스파라진네이스(L-asparaginase)가 어떻게 급성 림프구 백혈병 (acute lymphoblastic leukemia) 암세포에 작용하여 암세포를 죽이는 가에 대해 재 분석을 요구하게 되었고, 새로운 사멸기작이 존재와 그 규명으로 연결된다. 다시말하면, 지금까지 알려져 있었던 아스파라진네이스(L-asparaginase)가 혈액에 아스파라진(asparagine)을 고갈시킴으로써 단백질합성을 차단하여 암세포를 사멸시킨다고 하는 사실에 대한 도전일 뿐만 아니라 위에 제시한 새로운 아스파라진네이스(L-asparaginase)에 의한 사멸기작의 존재를 증명한 것이다.
3. 결론
그간 급성 림프구 백혈병 (acute lymphoblastic leukemia)의 하위 유형(subtype)을 분류하고 아스파라진네이스(L-asparaginase) 내성에 대한 바이오마커 (biomarker)를 식별하는 데 상당한 진전이 있었다. 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1: 11)과 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1: 12)와 같은 검증 된 바이오마커(biomarker)는 메커니즘을 규명했지만 아스파라기닐 엔도펩티데이스와 같은 다른 바이오마커(biomarker)에 대해 내성기작이 알려진 바가 없다. 위에서 언급한 바대로 바이오마커(biomarker)의 규명함으로써 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 예방하고 재발을 줄이는 방법을 개발할 수 있다. 현재 캐나다 캘거리 대학교의 이기영교수 연구실은 급성 백혈병의 약물 내성에 관련된 바이오마커(biomarker)의 규명과 그 바이오마커(biomarker)의 기작 연구를 계속 진행중이며, 궁극적으로 다양한 약물요법의 저항에 대한 조기진단 platform를 개발함으로써, 급성 백혈병 환자들이 화학요법의 독성으로 겪는 환자들의 고통을 완화시킬 뿐만 아니라, 약물 저항성의 발현을 방지하여 사망률 감소에 기여하기위해 그 노력을 아끼지 않고 있다. 또한 지금까지의 연구결과를 토대로 하여 국내외의 산.학.연과 연계하여 급성 림프구 백혈병의 약물치료에 대한 저항성을 조기에 예측할 수 있는 혁신적인 진단 platform개발과 산업화를 모색 중이다.
References
(bold letters indicate published works from the author’s group)
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아스파라진네이스(L-asparaginase)는 소아들에게 있어서 가장 흔한 암일 뿐만 아니라 소아 암사망의 주 원인되는 급성 림프구 백혈병의 화학 약물요법에 처방되는 주 약물중 하나이다 (1). 현재 급성 림프구 백혈병 치료에 사용되는 아스파라진네이스(L-asparaginase) 제제는 세 가지 유형이 있다. 즉 대장균에서 유래하는 키드로레이스 (Kidrolase), 페길화된 (pegylated) 아스파라진네이스 및 Erwinia chrysanthemi에서 유래하는 얼윈레이스 (Erwinase)등이 그것이다 (2). 그중 키드로레이스 (Kidrolase)와 페길화된 (pegylated) 아스파라진네이스는 1차 아스파라진네이스 제제로 사용되지만, 최대 60%의 환자들로부터 과민 반응과 항체 유발로 인한 비활성화를 유발하기 때문에 (3) 키드로레이스 (Kidrolase)에 과민반응을 하는 환자는 페길화된 (pegylated) 아스파라진네이스 또는 얼윈레이스 (Erwinase)를 2차 치료제로 사용할 수 있고, 만약 페길화된 (pegylated) 아스파라진네이스를 2차 치료제로 사용하면 얼윈레이스 (Erwinase)가 3차 치료제로 쓰인다.
아스파라진네이스(L-asparaginase)는 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase)에 의해 만들어 진 아스파라진 (asparagine)을 아스파라진산(aspartic acid) 과 암모니아로 가수 분해한다 (2). 흥미롭게도 급성 림프구 백혈병 암세포는 자신의 단백질 합성과 생존을 위해 혈장 아스파라진에 크게 의존하는 아스파라진 (asparagine) 영양 요구성(auxotroph)을 가지고 있다고 알려져 있다 (4,5). 이는 프로모터 메틸화 (promoter methylation)으로 인한 유전자 침묵 (gene silencing)에 의해 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase)의 발현이 매우 낮기 때문이라고 밝혀져 있다 (6,7). 따라서 암세포의 이런 약점을 이용하여 급성 림프구 백혈병 화학요법에 처방된 아스파라진네이스(L-asparaginase)는 혈장 아스파라진을 고갈시킴으로써 백혈병 암세포의 단백질 합성을 억제함으로써 사멸을 유도한다는 것이다. 이런 이유 때문에 아스파라진네이스 (L-asparaginase)는 급성 림프구 백혈병 화학요법에서 빠지지 않는 약물의 하나로 사용되어져 왔다 (4). 실제로 아스파라진네이스(L-asparaginase)를 포함된 화학 치료요법은 아스파라진네이스 (L-asparaginase)가 없는 화학 치료요법에 비해 소아 및 성인 급성 림프구 백혈병 환자들 모두에서 더 빠른 치유를 유도했다 (8). 그러나 이러한 아스파라진네이스(L-asparaginase)를 포함된 치료 요법의 성공에도 불구하고, 상당수의 환자들이 저항성 혹은 내성(resistance)을 가지게 되어 다시 재발하거나 아스파라진네이스 (L-asparaginase)처방에 불응반응을 야기해 문제가 되기 시작 했다. 따라서 아스파라진네이스(L-asparaginase)의 내성으로 인한 재발이나 불응을 막거나 치료하기 위한 새로운 접근 방법이 필요하게 되었고, 그 돌파구로써 내성을 야기시키는 바이오 마커 (biomarkers) 혹은 내성의 결정 인자 (determinants)를 찾아내고자 하는 연구가 시작되었고, 이들을 표적들(targets)으로 삼아, 급성 림프구 백혈병의 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성으로 인한 재발 및 불응성을 막거나 치료하는 데 유용하게 써고자 한 것이다 (9-12). 본 보고서는 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 급성 림프구 백혈병 내성 바이오 마커들 (biomarkers) 혹은 내성의 결정 인자들 (determinants)과 그 내성 유발 메커니즘들 (molecular mechanisms) 요약함으로써 급성 림프구 백혈병의 치료에 획기적인 전환점을 부여하고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 내성 바이오 마커들 (biomarkers)
2.1.1. 아스파라긴 합성 효소 (asparagine synthetase)
아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase)의 상향 조절 (upregulation)이 아스파라진네이스(L-asparaginase) 내성을 야기시키는 피드백 루프 (feedback loop)로 인식되어져 있다. 다시말해서, 아스파라진네이스(L-asparaginase) 처리로 아스파라진(asparagine)이 고갈 된 배지(media)에서 배양 된 급성 림프구 백혈병 암세포는 아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase) mRNA를 크게 증가시켰을 뿐만 아니라 (13), 아스파라진네이스(L-asparaginase)에 대한 백혈병 암세포의 민감성(sensitivity)은 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase)의 발현과 역상관 관계가 있다는 것이다 (13). 또한 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 내성을 가진 백혈병 세포들은 민감한 세포들에 비해 아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase) mRNA, 단백질 및 활성(activity)이 상승되어 있다는 보고도 있다 (14). 따른 연구보고에 따르면, 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 활성(activity)은 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 민감한 세포에서 현저히 낮고, 아스파라진네이스 (L-asparaginase)로 내성 세포를 처리하면 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 발현이 유도된다는 한다 (15).
그러나 최근 연구에 따르면, 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase)는 급성 림프구 백혈병의 아스파라진네이스(L-asparaginase) 내성에 대해 임상적으로 관련성이 있는 구별 인자(discriminating factor)가 아니라는 것이다. 그 이유는 이전에 보고된 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성과 높은 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 세포내 발현 및 활성과의 상관관계는 확립된 세포주(established cell lines)를 가지고 시험관 내(in vitro)의 실험결과일 뿐이며 (16,17), 실제 임상 샘플(clinical sample)에서는 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 처방 전후의 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 발현과 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 환자 세포의 민감도에 상관 관계가 없다는 사실에 의해 뒷받침된다 (18). 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 발현이 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 환자의 반응을 독립적으로 예측할 수 없다는 임상 증거가 있지만 (18), 아스파라진 합성 효소(asparagine synthetase) 발현은 급성 림프구 백혈병에서 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성 야기에 흥미로운 요인으로 존재하고 있다.
2.1.2. 오피오이드 수용체 뮤 1 (Opioid receptor mu 1, OPRM1)
아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase)가 낮은 암세포에서 아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase)를 녹다운(knocking down) 시켰을때 L-asparaginase에 대한 민감성(sensitivity)에 영향을 미치지 않는다는 사실은 (19), 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 부여하는 아스파라진 합성 효소 (asparagine synthetase)의 상향 조절 이외의 메커니즘들의 존재를 의미한다. 최근 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)은 게놈 차원 (genome-wide)의 RNA 간섭 스크리닝 (RNA inference screening)함으로써 급성 림프구 백혈병에서 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 부여하는 바이오 마커(biomarker)임이 밝혀졌다 (11). 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)을 자극(stimulation)하면 G inhibitory subunit(Gi)을 활성화 함으로써, 아데닐릴 사이클라제 (adnylyl cyclase)의 활성(activity)이 억제되고 세포내의 cAMP 농도가 감소, 궁극적으로 백혈병 세포 사멸를 야기한다고 알려져 있다 (Figure 1) (20). 실제로 오피오이드 유사물질인 메타돈(D, L-methadone)을 백혈병 세포에 처리하면 암세포 사멸(apoptosis)을 유발한다 (Figure 1) (21). 백혈병 세포에 메타돈(D, L-methadone)을 처리하면 아스파라진네이스 (L-asparaginase)의 감수성 (sensitivity)을 증가 시키는데, 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)의 발현이 높은 세포에서만 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 감수성이 크진다는 사실은 아스파라진네이스(L-asparaginase) 로 인한 암세포의 사멸에 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)가 관여함을 시사하는 것이다 (Figure 1). 사실상 더 높은 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)을 발현하는 백혈병 환자의 암세포는 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 더 큰 민감성을 나타낸다. 위와 일치되게, 급성 림프구 백혈병 암세포의 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)을 녹다운(knockdown)하면 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 유발한다. 다시말하면, 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1) 활성 사멸 경로의 하향 조절 (downregulation)이 급성 림프구 백혈병 암세포 생존을 증가 시킨다는 것이다 (11). 이말은
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Figure 1. Methadone- 혹은L-asparaginase-OPRM1 활성화에 의한 백혈병 암세포 사멸(apoptosis) 기작
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오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)가 급성 림프구 백혈병에서 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성의 기능적인 바이오 마커(biomarker)이며 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1) 발현이 감소된 백혈병 환자의 암세포는 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 처방에 반응하지 않을 것이라는 것을 예측하게 한다.2.1.3. 헌팅틴 관련 단백질 1 (Huntingtin associated protein 1, HAP1)
오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)과 마찬가지로 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1) 역시 게놈 차원 (genome-wide)의 RNA 간섭 스크리닝 (RNA inference screening)통해 급성 림프구 백혈병에서 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 부여하는 바이오 마커(biomarker)임을 규명하였다 (12). 다시말하면 급성 림프구 백혈병 환자의 암세포의 헌팅틴 관련
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Figure 2. L-asparaginase-PAR2 활성화에 의한 백혈병 환자의 암세포의 사멸(apoptosis) 기작.
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단백질 1 (HAP1)을 녹다운(knocking down)하면 암세포가 아스파라진네이스 (L-asparaginase)저항성을 유발한다는 것이다. 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)은 헌팅 틴 (huntingtin)과 이노시톨 1,4,5-트리 포스페이트 (inositol 1,4,5- triphosphate, IP3) 수용체 (IP3R)인 칼슘 채널(calcium channel)과 결합하여 삼원 복합체(ternary complex)를 형성하며, 소포체 (endoplasmic reticulum, ER)로부터 칼슘 방출(calcium release)을 유도하는 것으로 알려져 있다 (Figure 2) (22). 실제 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)의 손실(loss)은 기능적 삼원 복합체(ternary complex)의 형성을 방지하여 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 의한 소포체로부터 칼슘 방출(calcium release)을 억제한다 (12). 또한 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)의 손실(loss)은 외부(external) 칼슘 진입(calcium entry)을 억제하여 급성 림프구 백혈병 암세포 사멸를 유발하는 세포 내 칼슘 농도 ([Ca2+]i)의 과도한 상승을 방지한다고 밝혀졌다. 따라서, 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)의 손실(loss)은 아스파라진네이스(L-asparaginase) 에 의해 야기되는 ER 칼슘 방출(calcium release)과 외부(external) 칼슘 진입(calcium entry)의 억제를 통해 [Ca2+]i 낮게하고, calpain-1-Bid-caspase-3/12 세포 사멸 경로의 하향 조절을 하여 암세포의 생존을 촉진한다. 또한 급성 림프구 백혈병 환자의 암세포를 분석한 결과 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1) 수준이 감소한 환자의 암세포는 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 내성이 있음이 밝혀졌다. 이는 아스파라진네이스 (L-asparaginase)에 대한 급성 림프구 백혈병 환자의 암세포 내성 유발에 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1)의 손실(loss)이 관련되어 있음을 임상sample을 이용하여 증명한 것이다 (12). 위에서 다룬 아스파라진네이스(L-asparaginase) 내성 바이오마커 (biomarker)로써 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1)과 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1) 발견과 그 내성 기작의 규명은 아스파라진네이스(L-asparaginase)가 어떻게 급성 림프구 백혈병 (acute lymphoblastic leukemia) 암세포에 작용하여 암세포를 죽이는 가에 대해 재 분석을 요구하게 되었고, 새로운 사멸기작이 존재와 그 규명으로 연결된다. 다시말하면, 지금까지 알려져 있었던 아스파라진네이스(L-asparaginase)가 혈액에 아스파라진(asparagine)을 고갈시킴으로써 단백질합성을 차단하여 암세포를 사멸시킨다고 하는 사실에 대한 도전일 뿐만 아니라 위에 제시한 새로운 아스파라진네이스(L-asparaginase)에 의한 사멸기작의 존재를 증명한 것이다.
3. 결론
그간 급성 림프구 백혈병 (acute lymphoblastic leukemia)의 하위 유형(subtype)을 분류하고 아스파라진네이스(L-asparaginase) 내성에 대한 바이오마커 (biomarker)를 식별하는 데 상당한 진전이 있었다. 오피오이드 수용체 뮤 1(OPRM1: 11)과 헌팅틴 관련 단백질 1 (HAP1: 12)와 같은 검증 된 바이오마커(biomarker)는 메커니즘을 규명했지만 아스파라기닐 엔도펩티데이스와 같은 다른 바이오마커(biomarker)에 대해 내성기작이 알려진 바가 없다. 위에서 언급한 바대로 바이오마커(biomarker)의 규명함으로써 아스파라진네이스 (L-asparaginase) 내성을 예방하고 재발을 줄이는 방법을 개발할 수 있다. 현재 캐나다 캘거리 대학교의 이기영교수 연구실은 급성 백혈병의 약물 내성에 관련된 바이오마커(biomarker)의 규명과 그 바이오마커(biomarker)의 기작 연구를 계속 진행중이며, 궁극적으로 다양한 약물요법의 저항에 대한 조기진단 platform를 개발함으로써, 급성 백혈병 환자들이 화학요법의 독성으로 겪는 환자들의 고통을 완화시킬 뿐만 아니라, 약물 저항성의 발현을 방지하여 사망률 감소에 기여하기위해 그 노력을 아끼지 않고 있다. 또한 지금까지의 연구결과를 토대로 하여 국내외의 산.학.연과 연계하여 급성 림프구 백혈병의 약물치료에 대한 저항성을 조기에 예측할 수 있는 혁신적인 진단 platform개발과 산업화를 모색 중이다.
References
(bold letters indicate published works from the author’s group)
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