동물모델에서 항간암 효능 갖는 펩타이드 설계
동물모델에서 항간암 효능 갖는 펩타이드 설계
  • 박소연 기자
  • 승인 2021.08.17 16:27
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이정원 교수(서울대학교), 최선 교수(이화여자대학교) 연구팀
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank
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세포의 과다 증식과 이동을 촉발하는 종양단백질간의 결합을 방해할 펩타이드(작은 단백질 조각)가 소개됐다.

 

간암은 한국인을 포함한 동양인에게서 발병률이 높고 생존율이 2019년 기준으로 37%에 이르는 난치암 중의 하나이다. 이러한 간 질환은 만성적 질환으로서 우리나라 경제활동의 주역인 40~50대 국민의 가장 높은 의료비용의 원인이 되고 있으며 마땅한 억제제가 없는 상황이며 특히 간암 발병에 대해서는 지방간/지방간염의 단계에서 간 섬유화/경화를 거쳐 암으로 심화한다고 알려졌지만, 정확한 메커니즘 규명과 더불어 효과적 치료제 개발이 절실히 필요한 상황이다.

 

이에 이정원 교수(서울대학교), 최선 교수(이화여자대학교) 연구팀은 간암 등에 관여하는 대표적 종양단백질 c-SRCTM4SF5의 결합을 방해하기 위한 펩타이드를 제안했다.

 

이 두 단백질의 결합은 세포의 증식이나 이동과 관련된 신호를 활성화해 종양을 유발하는 것으로 잘 알려져 있었다. 특히 마땅한 억제제가 없고 메커니즘이 완전히 밝혀지지 않은 만성 간 질환에서도 이들 단백질이 관여하는 것으로 알려져 있었다.

 

연구팀은 분자모델링과 돌연변이 연구를 통해 간암에서 많이 발현되는 세포막 단백질 TM4SF5이 종양단백질 c-Src와 결합하는 부위를 상세히 밝혀냈다.

 

■ TM4SF5 결합에 의한 종양단백질 c-Src 활성화 상세 기전 규명 ■ (왼쪽) 세포막에 존재하는 TM4SF5 단백질의 세포 내부 loop에 FAK이 결합하고 C-꼬리 부위에 타이로신 530이 인산화되어 불활성화된 c-Src가 접근할 수 있는 모습(오른쪽) TM4SF5의 C-꼬리 부위에 불활성화된 c-Src가 접근하여 결합하였을 때, PTP1B도 결합하게 되어 타이로신 530을 탈인산화 시킴에 따라, c-Src는 구조변화를 일으키고 활성화되는 모습 (오른쪽 아래). 활성화된 c-Src는 또한 세포 내부 loop에 결합한 FAK을 인산화/활성화시킬 수 있음으로써, c-Src 자신 스스로 혹은 FAK/paxillin과 신호연계를 통하여 종양형성 및 암전이 기능을 향상시킬 수 있음.[그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 이정원 교수]
■ TM4SF5 결합에 의한 종양단백질 c-Src 활성화 상세 기전 규명 ■
(왼쪽) 세포막에 존재하는 TM4SF5 단백질의 세포 내부 loop에 FAK이 결합하고 C-꼬리 부위에 타이로신 530이 인산화되어 불활성화된 c-Src가 접근할 수 있는 모습
(오른쪽) TM4SF5의 C-꼬리 부위에 불활성화된 c-Src가 접근하여 결합하였을 때, PTP1B도 결합하게 되어 타이로신 530을 탈인산화 시킴에 따라, c-Src는 구조변화를 일으키고 활성화되는 모습
(오른쪽 아래). 활성화된 c-Src는 또한 세포 내부 loop에 결합한 FAK을 인산화/활성화시킬 수 있음으로써, c-Src 자신 스스로 혹은 FAK/paxillin과 신호연계를 통하여 종양형성 및 암전이 기능을 향상시킬 수 있음. [그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 이정원 교수]

세포막 단백질인 TM4SF5C-꼬리 부위(C-terminus)c-Src의 인산화효소 도메인인 SH1 도메인과 결합하여 (타이로신 530이 인산화되어) 불활성화되어 있던 c-Src를 세포막 부위로 불러들이고, 여기에 탈인산화 효소 PTP1B가 결합하여 (타이로신 530) 탈인산화를 통해 c-Src를 활성화하는 기전을 제시하였다.

c-Src는 여러 종류의 암종에서 활성화되기에 종양유전자로서 매우 중요한 요소이며, 이에 대한 적절한 제어는 유망한 항암 전략으로 여겨진다. 본 연구를 통해 세포막에 스스로 다가갈 수 없는 불활성화된 c-Src 형태라 할지라도, TM4SF5와의 결합 때문에 세포막에서 활성화되는 새로운 기전을 확인한 것이 본 연구의 차별적 특정으로 여겨진다.

또한, TM4SF5c-Src의 결합을 방해하는 TM4SF5C-꼬리 부위에 해당하는 펩타이드를 세포 내부로 침투하기 쉽게 한 형태로 처리함으로써, 간암 발병 및 암전이를 효과적으로 조절할 수 있음을 확인하였고, 돌연변이 분석 및 구조 모델링을 통하여 TM4SF5c-Src의 결합 기전을 원자 수준에서 규명하였다.

연구팀은 이번 연구에서 c-SrcN-꼬리 부위가 없어도 SH1 도메인과 결합하는 막단백질 TM4SF5에 의해 세포막에 근접할 수 있음을 확인했다. 이때, TM4SF5에 의해 선호되는 c-Src는 비활성화된(, 타이로신 530번이 인산화되어 비활성화된) 형태의 효소가 결합하게 되고, 추가로 TM4SF5가 탈인산화효소 PTP1B와 결합하여 3중 결합체를 형성한다. PTP1Bc-SRC의 타이로신 530번을 탈인산화시켜 구조변화를 유도하여 활성화되도록 한다.

이렇게 활성화된 c-SrcTM4SF5의 다른 부위(TM4SF5의 세포막 관통 도메인 2번과 3번 사이의 intracellular loop)에 결합하는 FAK 효소를 활성화하기도 한다. 이로써 활성화된 c-Src는 직접 혹은 FAK을 통하여 간암의 형성과 전이에 중요히 작용한다는 것을 확인하였다.

이 과정에서 c-SrcTM4SF5의 결합에서 중요한 역할을 하는 부위 및 아미노산도 알아냈다. 돌연변이들을 제작하여 그들의 활성을 분석하고, 또한 단백질 분자모델링의 연구방법을 통하여 TM4SF5c-Src의 결합을 위해, TM4SF52번째 세포 외부의 루프 loop (extracellular loop 2)부터 C-꼬리 부위에 이르는 부위가 중요하다는 것을 밝혔다.

 

(그림2) 세포막단백질 TM4SF5와 세포질단백질 c-Src의 결합모델(왼쪽) 세포막에 위치한 TM4SF5와 세포질에 자리잡은 c-Src의 결합 구조를 분자모델링을 통해 예측한 모델. (오른쪽 위) 결합모델을 바탕으로 두 단백질의 상호작용에 중요한 아미노산 잔기들을 예측하였으며, 해당 잔기들의 역할을 돌연변이 분석을 통해 실험적으로 검증함. (오른쪽 아래) 역동적인 단백질의 움직임을 시뮬레이션 함으로써 단백질 상호작용 메커니즘을 원자 수준에서 제시하였음 그림설명 및 그림제공 : 이화여자대학교 약학대학 최선 교수
■ 세포막단백질 TM4SF5와 세포질단백질 c-Src의 결합모델(왼쪽) 세포막에 위치한 TM4SF5와 세포질에 자리잡은 c-Src의 결합 구조를 분자모델링을 통해 예측한 모델 ■
(오른쪽 위) 결합모델을 바탕으로 두 단백질의 상호작용에 중요한 아미노산 잔기들을 예측하였으며, 해당 잔기들의 역할을 돌연변이 분석을 통해 실험적으로 검증함.
(오른쪽 아래) 역동적인 단백질의 움직임을 시뮬레이션 함으로써 단백질 상호작용 메커니즘을 원자 수준에서 제시하였음 [그림설명 및 그림제공 : 이화여자대학교 약학대학 최선 교수]

특히 TM4SF5D188(188번 아스파르트산), C189(189번 시스테인), R190 (190번 아르기닌) 아미노산이 결정적으로 중요하며, c-Src의 측면에서는 SH1 인산화 도메인의 K254(254번 라이신), D457(457번 아스파르트산), G462(462번 글루타민), R463(463번 아르기닌)이 결합에 중요하게 관여함을 밝혔다.

이러한 정보를 토대로 두 단백질 간의 상호 결합 및 작용을 막을 수 있는 펩타이드를 설계하여, 그 둘의 결합을 방해함으로써, c-Src의 활성화가 불가능하게 시도하였다.

, TM4SF5C-꼬리 부위에 해당하는 펩타이드를 TAT라고 하는 바이러스의 단백질(세포 침투 및 감염에 역할 하는 단백질)의 아미노산 서열들과 결부시키고, 그 사이에 세포막에 잘 위치하도록 하는 CAAX라고 하는 아미노산 서열 조각을 합쳐서 합성 제작하였다.

이 펩타이드를 세포 및 동물모델에 주사 처리함으로써, 대조군 펩타이드에 대비하여, 세포에서는 TM4SF5c-Src의 결합 및 c-Src의 활성화가 억제되고, 동물모델에서는 간암의 형성과 전이가 억제됨을 확인할 수 있었다.

 

분자모델링과 돌연변이 연구를 통해 종양단백질 상호작용 부위을 상세히 규명함으로써 이같은 상호작용을 저지할 수 있는 억제제 개발의 단초가 될 것으로 기대할 수 있다. 향후, 연구팀은 TM4SF5가 다양한 단백질들과 결합하여 간 질환 및 간암 발병에 중요한 역할을 하므로, TM4SF5의 구조적 의미를 질환과 연결하는 연구 및 그들을 제어할 수 있는 연구에 좀 더 집중할 계획을 밝혔다.

 

이번 연구의 성과는 의학 분야 국제학술지 ‘Theranostics’76일 게재되었다.

 

 


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